42V 纪新宇, 郭海伟, 吴海涛, 夏
( 重庆大学机械工程学院, 重庆 400030)
刚
摘 要: 随着汽车对电力需求量的不断增长, 从 14V 电 源 系 统 到 42V 电 源 系 统 的 转 换 是 当 今 汽 车 技 术 发 展 的一个重要趋势。本文介绍了 42V 电源系统产生的背景 和技术现状, 探讨了目前作为过渡时期的 42V/ 14V 双电 压电源系统的情况, 并对未来 42V 电气系统在汽车上的 应用作进一步的展望。
关键词: 汽车; 42V 电源; 电气系统
池充电, 使构成蓄电池组的6个额定电压为2V 的
蓄 电池单元每个被充电到2.3V 左右, 串联后电压之和 接近于14V , 故交流发电机在电子电压调节器作用 下输出的直流电压被设定为14V 。这就是导致在蓄
电池两端的电压在发动机运转时要比发动机停止 时高些, 对汽车电气系统的设计人员来说, 实际要 处理的电压是14V 。同理, 42V 电气系统需要的电源 即36V 电压的蓄电池。
在现代汽车自动化程度很高的今天, 由于汽车 电子控制技术不断发展和智能化的发展趋势, 使得 汽车电子附件所占的比例和相应耗电量大幅提高 ( 见表1) 。随着电气装置的不断增多, 对电源功率的 需求也逐渐增加。自1990年开始, 汽车用电负荷平 均每年以5%~8%的比例增加。预期2007年高档车型 上的用电量将增加到7500W 。倘若达到这种大功率 的用电量, 从P=UI 中就可以得到电流强度, 而这个
电流是目前交流发电机所不能提供的。而且功率增 大必然导致电流增大, 进而要求加粗导线, 这样发 展下去车上的主线束将粗如手臂, 有限空间被占 用。另外功率的损耗也会使交流发电机的效率降 低。1998年10月, 世界著名汽车及零部件厂商在美 国底特律开会, 一致赞同研制42V 汽车用蓄电池。
电气系统在汽车应用中的地位
早期的汽车电气系统比较简单, 只有汽油机的 点火系统、起动系统以及灯光信号系统, 因此6V 电 压的电源即能满足要求。半导体器件问世以后, 电 子技术在各方面得到日益广泛的应用。20世纪60年 代初, 采用半导体整流元件的交流发电机首次应用 在汽车上, 汽车电子技术开始起步。为了满足日益 增长的用电功率需求, 汽车界将原来6V 电源的电压 升至12V 。随后, 各种汽车电子装置开始取代传统的 机械装置, 各种汽车电子控制系统也不断出现, 汽 车电子技术成为解决汽车工业面临的许多技术问 题的最佳方案, 汽车的电气系统也日趋复杂, 发动 机电子点火、电子控制燃油喷射、防抱死制动系统、 主动悬架、电子自动变速器、安全气囊、巡航控制等 一系列技术已经成熟 , 并成功地应用于各种汽车 上, 使汽车的性能
和质量都有了明显的提高。与此 同时带来的是, 需要电源提供更高的功率支持, 但 在 目 前14V 电 气 系 统 电 压 下 要 想 提 高 系 统 负 载 功 率, 将导致电流增加, 这就要求使用截面积更大的 电缆和导线, 这将占用汽车内宝贵的空间, 增加汽
1.2 汽车电气系统电压等级的现状及
1 改革
现状
汽车现有的14V 电气系统,
1.1 其蓄电池的额定电 压为12V , 但是实际的系统电压是14V , 因为12V 蓄
电池在浮充状态下表现出14V 的电压。因此, 所谓的 14V 电气系统, 和12V 电气系统只是说法上的不同。 而随着工作条件的不同, 现今汽车电气系统的可能在6.5~16V 之间变动, 即以不同程度的纹波叠 收稿日期: 2006- 10- 13
加在平均值上。当发动机运转时, 由发电机对蓄电
综述
242007 年第1 期
表1近几年汽车可能使用和已经使用的用电设备一览
动力及传动系统
发动机管理系统
最子喷射系统
排放后处理系统
燃料输送及蒸发系统
能量储存及转换
阀门驱动
传感器及电磁线圈
智能底盘控制系统
翻滚控制
再生制动和变矩器预锁止系统制动控制
悬架、转向阻尼
电拉动力转向
柴油喷射系统
柴油共轨系统
电子与移动通讯
传感器和动力模块
动力控制器
安全、车身及底盘电控单元
碰撞预警系统
移动多媒体
通讯系统
巡航系统
驾驶情报及导航
安全、温度及电气结构
安全气囊系统
空调控制模块
舱内气压、温度、温度管理系统
发动机热管理系统
动力传送冷却系统
散热器、油温、发动机冷却模块
动力及信号分配系统
电热风窗玻璃
电加热座椅
汽车灯光用电增加
车身电动部分
电动玻璃升降器、中央门锁、电动滑动门、动力举升门等
车的重量并降低了汽车的燃油经济性。由于电流不能任意加大, 为此, 提高汽车电气系统的电压作为一种解决方案便浮出水面。在42V车用电源中, 电流强度并非很大, 仍可采用较轻的电缆线, 因此功率损耗相对较小。
电压改动是牵一发而动全身的事情, 它将涉及整个汽车电气系统的技术改进, 还涉及到汽车配件供应商和配套商的利益问题。目前制造的大量汽车电子部件不能在42伏电压下使用, 例如车灯照明只能在14V电源下才能达到足够的使用寿命。而且安全问题同时也被提了出来, 绝缘和保险设置的标准都要重新制定。的时候, 才能大批量生产纯42V的车用电
源。
2.1 单电压( 42V) 方案
作为汽车工业发展的一次里程碑式的变革, 42V电压电气系统的实施势必将引起整车技术的改变和进步。一种42V的单电压方案的配电系统如图1 所示, 微控制单元MCU控制启动机和发电机的工作, 并协调和管理它们之间的切换。42V的负载直接
使用42V的电
压,
对于其它电压值的负载需要经过一个DC/DC变换器或者脉宽调制器( PWM) 将42V 的
电压变换成相应等级的工作电压之后, 才能正常使用。
汽车上的电气和电子设备可以分散布置, 即采用分散的功率分配原则, 电气与电子设备分散布置在汽车的各处, 通过分散在各处的多个连接盒来管理和协调它们之间的功率分配, 也可以采用集中布置, 即采用中心功率分配原则, 只有一个中央控制器, 对整个汽车各处的功率需求进行管理和协调, 并进行合理的功率分配。相对来说, 前者比后者可减少线束数量、导线的长度和质量, 布置比较容易, 42V电气元件散热效果较好。但由于各个元件布置较分散, 相对来说增加了设计和生产的成本。
42V汽车电源系统的实现方案
在新的电气系统中, 有两种实施方案: 一种是全车42V单电压方案; 另一种是42V/14V双电压方案。前者会对目前的汽车零配件制造商造成重大的冲击, 后者则冲击较小, 因此汽车业倾向于第二种2
方案。在这种情况下，需要有一个DC/DC转换器
将
42V电压转换成14V电压, 因而需要2个蓄电池( 12V
和36V) , 而只有当大量的部件都适应42V车用电
图1 42V车载电气系统电路布置框图图2 14V/42V双电压系统机构示意图
综述25
2007 年第1 期
方式, 复合装置工作在发电状态, 向36V蓄电池充
电, 并向其它用电设备供电。在发电状态下, 可根据需要, 输出不同的电压。此装置有利于减少排放污染、降低噪声和节省燃料。鉴于这些优点, 将取代传统的起动机、皮带驱动式发电机和飞轮, 直接安装在发动机和变速器之间。
汽车42V电气系统的发展趋势
虽然世界汽车业界完全采用和实现42V电源技术还会遇到许多困难, 但从目前国际各大汽车集团
的研发情况来, 至少这方面的可行性研究理论依据已比较成熟, 汽车电源技术由传统的14V标准向42V 转化已是新世纪汽车工业发展的必然趋势。世界各大汽车公司正在加紧42V电气系统的研究和开发。实施42V电源系统, 将从42V/14V双电压方案起步, 逐渐过渡到42V单电压方案。这可能需要一个较长的过渡时期，但42V单电压方案将是最终的一个努力方向。
国际上预计汽车上实施42V电压值的时间如表1所示, 表2中所有估计取决于技术的进步和顾客的接受程度, 可能会在25年内实现在所有车辆上使用
42V单电压系统, 更有可能时间表会提前。双电压电气系统是近10 年内能有效地为车载电气设备提供更多电能的实用可行的方法, 它的研究为最终过渡到42V单电压电气系统打下坚实的基础。
目前,42V电源系统的相应标准已经制定。美国德尔福汽车系统公司已成功开发出了14V/42V双电压和高
压系统, 其中包括42V发电机、36V吸收性玻璃垫蓄电池、14V/42V直流转换器、能量和负载管理模块等。丰田汽车公司2001年8月推出的搭载软混合动力系统的“皇冠”轿车在全世界首次使用了42V 电源系统。富士重工业及法国雷诺公司也分别在
2002年9月法国汽车展上展出的油电混合车概念款式“HM- 01”和概念车“Ellypse”，也采用了42V电源系统, 但目前还只是样车, 预计在未来的2～3年内,
42V电源技术就会首先在欧洲高档车市场广泛应用。奔驰汽车公司和宝马汽车公司计划在2006年底把42V电源的汽车推向市场。雷诺汽车公司计划到
2007年，将14V/42V混合电源汽车投放市场，从2008
年起，将由纯42V车用电源取而代之。日本和美国的
3
2.2 双电压( 42V/14V) 方案
由于涉及到的产品技术改造的范围太广, 因此
反对电压升级的声音也不少, 尤其是配件供应商, 因
为产品改造必将增大他们的成本。于是, 作为过
渡阶段的42V/14V双电压系统的方
案,
多的人所关注。
正被越来越
如图2所示, 是一个双电压系统机构的示意图,
该系统将汽车电器与电控装置根据耗电量的大小
分为两组, 传统的中小功率用电器为一组, 如灯具、
仪表、电动雨刷等采用14V电源供电; 而大功率的用
电器如发动机控制单元、加热、电动悬架等电器则
直接采用42V的电源供电。
此系统的特别之处在于配置的一套半导体整
流—逆变功率转换器, 将交流发动机和电动机合成
为一个起动/发电复合装置。这个配置利用了交流发
电机的可逆性, 更加合理地分配了资源。当起动发
动机时, 36V电池通过整流—逆变功率转换器向起
动/发电复合装置供电, 复合装置处于起动状态; 当
发动机起动以后, 整流—逆变功率转换器处于整流
公司也将紧随其后，汽车电气系统的巨大变革已经
综 述
26
2 0 0 7 年第 1 期
表2
国际汽车实施42V 电气系统时间表
的电压值
系统继续在数一上占绝对优势 压值的电气系统继续使用, 数量减少 分秋
14V 或 28V 电压值的汽车
不可逆转。
汽车供电系统由现有的14V 标准向42V 标准转 化已经成为必然发展趋势, 并将在未来数年内得到 迅速发展, 从而导致汽车电器电子产品的一场革 命。汽车新供电系统标准的实施, 对中国汽车电子 工业的传统产品将带来巨大的冲击, 同时也会给整 个汽车工业带来影响。这对于已经加入WTO 的我国 来说既是一次挑战, 也是一次难得的机遇。如能在 汽车供电标准变化改革的过程中, 积极参与, 与国 际汽车电器电子产品接轨, 对我国汽车工业也是很 好的发展机遇。快速适应汽车供电新标准和电器体 系的转变, 需要汽车制造厂与零部件供应商积极合 作, 同时需要政府行业管理部门的指导与支持、科 研院所的充分参与, 这将成为我国汽车电子行业发 展所面临的重大课题。
( 4) 如何把握汽车供电系统新标准的实施这一
挑战与机遇并存的变革, 摆到了汽车业界的每个人 面前, 这也将会是我国汽车电子行业发展面临的重 大课题。
参考文献
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结束语
( 1) 目前汽车电源系统由14V 电源向42V 电源发 展已经是必然的趋势, 就像上世纪50年代将6V 电源 升级至现行的12V 电源一样势不可挡。同时也不排 除更远的将来把车载电源电压升至更高的可能。
( 2) 作为过渡阶段, 对42V/14V 双电压系统的研 究将会是汽车界最近时期的一个重要内容。
( 3) 42V 汽车供电系统标准的实施, 将对汽车电 器/电子设备带来巨大的冲击, 同时也会给整个汽车 界带来新一轮的技术革命。
4 时间
电压值
实施说前
2003年以前
14V , 28V
42V 电气系统处于探索和研究初期, 汽车上全使用 14V 或 28V
2003~2006 年
14V , 28V , 42V 42V 电气系统部分应用( 新车型上) , 14V 或 28V 电压值的电气
2006~2009 年
14V , 28V , 42V
42V 电气系统继续在新车型上使用, 数量增加; 14V 或 28V 电
2009~2015 年
14V , 28V , 42V
42V 与 14V 或 28V 两种电压值的电气系统数量上逐渐达到平
2015~2025 年
14V , 28V , 42V
14V 或 28V 电压值的车载电气系统产量快速减少, 几乎停产;
42V 电压值的电载电气系统数量快速增加, 达到占绝对优势的
程度
2025年之后
42V
几乎全是 42V 电压值的车载电气系统的汽车, 仅有极少量的
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