汽車42V供電系統(tǒng)的應(yīng)用與發(fā)展論文

【專家解說】：隨著消費(fèi)水平的提高，對于應(yīng)用廣泛的交通工具—轎車的性能也提出了更高的要求。西方汽車制造商為了使自己的汽車更受消費(fèi)者青睞，紛紛利用尖端電子技術(shù)提高汽車的動力性、安全性、舒適性和經(jīng)濟(jì)性。在以節(jié)能、環(huán)保和安全為中心的現(xiàn)代汽車中，電氣設(shè)備越來越多，電氣負(fù)荷越來越大，這就要求汽車電源提供更高的電能，傳統(tǒng)的14V電壓供電源系統(tǒng)已經(jīng)捉襟見肘，為此，一種新型42V電源供電系統(tǒng)即將在汽車上應(yīng)用。42V電源系統(tǒng)能提供8Kw的動力，對汽車電器提供了較大的發(fā)展空間。 一、汽車新型電源的應(yīng)用是大勢所趨 在汽車技術(shù)高度發(fā)展的今天，汽車電器的容量大幅度增長。近幾年來，由于純電池電動汽車商品化困難重重，電池混合動力汽車作為清潔汽車應(yīng)運(yùn)而生。同時(shí)，汽車智能化程度的不斷提高，新的電氣裝置在汽車上被不斷廣泛采用，如各種電控系統(tǒng)(電控噴射、廢氣再循環(huán)電控、增壓電控等)、巡航控制、陸地導(dǎo)航、氣候即時(shí)控制、車載計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)等，使汽車電子附件所占的比例大幅提高。這些裝置的執(zhí)行器通常要求較大的功率，相應(yīng)的耗電量也大大增加，如何提供足夠的電力，保證所有電器系統(tǒng)可靠的工作，已成為現(xiàn)代汽車發(fā)展的瓶頸。 隨著人們對汽車乘坐舒適性、燃油經(jīng)濟(jì)性、排放環(huán)保性要求的日益提高，汽車上的新裝置、新技術(shù)不斷增多，能耗量不斷增加。由于電能具有傳輸簡便、轉(zhuǎn)換容易、控制靈活等一系列優(yōu)點(diǎn)，采用電磁或電動執(zhí)行器取代液壓傳動和氣壓傳動執(zhí)行器已成為一種趨勢。一些帶電的機(jī)械裝置逐步轉(zhuǎn)變?yōu)閹C(jī)械的電子裝置，大大增加了電氣系統(tǒng)的負(fù)荷。在以節(jié)能、環(huán)保和安全為中心的現(xiàn)代汽車中，電氣設(shè)備越來越多，電氣負(fù)荷越來越大，這就要求汽車電源提供更高的電能，傳統(tǒng)的14V電壓供電源系統(tǒng)已經(jīng)捉襟見肘，為此，一種新型42V電源供電源系統(tǒng)即將在汽車上應(yīng)用。42V電源系統(tǒng)能提供8KW的動力，對汽車電器提供了較大的發(fā)展。采用42V電源的最重要的意義還在于使產(chǎn)品設(shè)計(jì)人員從過去許多局限性中解脫出來，為汽車技術(shù)的發(fā)展提供了充分的想象空間。 20世紀(jì)80年代國內(nèi)轎車的發(fā)電機(jī)功率一般是500W以下，現(xiàn)在轎車發(fā)電機(jī)功率達(dá)到1000W的很普遍；那時(shí)不少轎車還沒有空調(diào)裝置，現(xiàn)在沒有空調(diào)的轎車反而令人奇怪；以前的轎車駕駛座椅是人工調(diào)整，現(xiàn)在多是電動調(diào)整；以前的轎車門窗多是手搖開閉的，現(xiàn)在流行電控開閉，等等。過去是高級汽車才有的東西，今天已是現(xiàn)代轎車的一般配置。由于車上自動控制所必需的微型電機(jī)數(shù)目會不斷增加，導(dǎo)致汽車越先進(jìn)，消耗的申能就會導(dǎo)致汽車越先進(jìn)，消耗的電能就會越大。如果不改變現(xiàn)行的電壓標(biāo)準(zhǔn)，功率增大必然導(dǎo)致電流增大，電流增大必然要加大導(dǎo)線的截面積，換句話說就是要加粗導(dǎo)線，發(fā)展下去車上的主線束將粗如手臂，電器件的體積會變大，汽車重量會增加，油耗會增大，有限空間被占用。在現(xiàn)有電氣系統(tǒng)的額定電壓下，要輸出上述大功率，必須大大增加交流發(fā)電機(jī)輸出電流。低電壓、大電流輸出會降低爪極式交流發(fā)電機(jī)的效率，并且為了降低線路上的電阻熱損耗，導(dǎo)線的截面積將增加幾倍，這不僅增加了整車裝備的質(zhì)量，而且對發(fā)動機(jī)艙和車廂的空間布置帶來很多問題?？梢姮F(xiàn)有的14V供電源系統(tǒng)難以滿足要求，惟一可行的辦法是提高交流發(fā)電機(jī)電壓以增大其輸出功率。根據(jù)現(xiàn)有的研發(fā)技術(shù)和生產(chǎn)工藝，在交流發(fā)電機(jī)額定電壓為14V時(shí)，其輸出功率可達(dá)2KW；當(dāng)額定電壓為28V（14×2）時(shí)，輸出功率可達(dá)4KW左右；當(dāng)額定電壓增加為42V(14×3)時(shí)，其輸出功率可增大至6KW，甚至更高。 二、采用42V汽車電源系統(tǒng)的優(yōu)勢 1、提高發(fā)動機(jī)效率。采用42V電源后，可以把發(fā)動機(jī)驅(qū)動的附件從發(fā)動機(jī)中分離出來，由電動機(jī)直接驅(qū)動，從而進(jìn)一步減少發(fā)動機(jī)的部件數(shù)量，降低發(fā)動機(jī)的自重并提高效率，這樣可避免附件的空轉(zhuǎn)，提高能源利用效率。 2、減小線束直徑。實(shí)施42V電壓標(biāo)準(zhǔn)后，從理論上講，電壓提高3倍，則線束的直徑可降低為原來的60%(而在實(shí)踐中，考慮到生產(chǎn)小規(guī)格線束的工藝性及產(chǎn)品的可靠性，電線不可能太細(xì)，因而包括絕緣材料和連接器在內(nèi)的車用線束在質(zhì)量和體積上實(shí)際上只能減小25%)，可降低成本，方便安裝，并可采用較小的車身鉆孔，增加汽車行駛平順性。同時(shí)，晶體管電路可以實(shí)現(xiàn)具有智能特點(diǎn)的故障自診斷功能和電路保護(hù)功能，從而可取消傳統(tǒng)的保險(xiǎn)絲，使連接器更小、更輕，從而可取消傳統(tǒng)的保險(xiǎn)絲，使連接器更小、更輕，汽車上的開關(guān)將像計(jì)算機(jī)的鍵盤一樣。 3、電動機(jī)和電磁閥重且大大降低。42V電壓系統(tǒng)所帶來的最大益處是減小了電動機(jī)和電磁閥重量。BOSCH公司的專家認(rèn)為，采用42V電壓標(biāo)準(zhǔn)可使新的電動機(jī)和電磁閥重量減輕20%，較簡單電磁閥的體積和重量都隨著電壓的增加而成比例減小，較小的電動機(jī)則意味著更薄的車門，更寬敞的乘坐空間，甚至增大座椅下的貯存空間。 4、有利于汽車微型化?，F(xiàn)代轎車為了實(shí)現(xiàn)各種功能，運(yùn)用了許多電器裝置，占用了很大的空間，使車內(nèi)可用的空間減小。在采用42V電源后，在相同功率下提高了電壓值，可減少電器裝置的體積、質(zhì)量和損耗，有利于控制裝線圈等。 5、解放設(shè)計(jì)思路?，F(xiàn)在汽車上的電器裝置愈來愈多，通過采用電動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、電動制動系統(tǒng)、自動導(dǎo)航系統(tǒng)、電動離合器系統(tǒng)和自動娛樂系統(tǒng)等，提高了控制精度，改善了整車的安全性，帶來更好的駕駛舒適性和更好的燃油經(jīng)濟(jì)性，同時(shí)也提高了汽車的可靠性。由于功率與電壓的平方成正比，42V電源技術(shù)使這些高新技術(shù)在汽車上廣泛應(yīng)用成為可能。對于水泵和油泵并說，可將其改為電力驅(qū)動，消除了對發(fā)動機(jī)的低速拖動扭矩，達(dá)到減少燃料消耗的目的，同時(shí)也減少了又發(fā)動機(jī)空間的需求。對于電加熱式三效催化轉(zhuǎn)化器可以在原基礎(chǔ)上提高加熱功率，進(jìn)一步降低冷氣的排放。可以在原基礎(chǔ)上提高加熱功率，進(jìn)一步降低冷氣的排放。 6、為發(fā)展混合動力汽車創(chuàng)造條件。42V電源的采用可以大大提高汽車電源系統(tǒng)的容量，為發(fā)展混合動力汽車創(chuàng)造條件。這必將推動混合動力汽車的發(fā)展，尤其是對適合城市應(yīng)用的振合動力汽車的開發(fā)具有決定性的影響。在城市交通擁擠的情況下，怠速和超低速行駛，大約占汽車總行駛時(shí)間的20%-30%，不但浪費(fèi)了大量的能源，不但汽車排放的有害物是正常工況下的幾十倍。如果采用42V電源系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)在低速時(shí)由電源直接驅(qū)動電動機(jī)作為汽車的動力源，在交通管制路口等待信號時(shí)可方便地切斷電源，減少怠速時(shí)間，大大降低了城市的環(huán)境污染。關(guān)鍵技術(shù)是要開發(fā)能完成這些功能的電機(jī)及相關(guān)部件，使之既能起動發(fā)動機(jī)，又能取代發(fā)動機(jī)作為動力源，在發(fā)動機(jī)工作時(shí)，還可作為動力源，在發(fā)動機(jī)工作時(shí)還可帶動發(fā)電機(jī)對電源充電。 另外，采用42v電源在技術(shù)上還有一些其他的優(yōu)點(diǎn)，例如對同樣功率的電器與14V電源相比電流大為降低，從而減少了功率損耗，減少了導(dǎo)體的截面，節(jié)約了材料等。同時(shí)42V電源系統(tǒng)還可以為其他需要大電流的設(shè)備供電，如尾氣后處理裝置的加熱以及為車輛其他舒適性設(shè)備供電。 以上技術(shù)措施，不僅不增加汽車的成本，而且可以使汽車能源利用率提高10%以上，同時(shí)大大減少汽車的排氣污染。 三、42V汽車電源系統(tǒng)的發(fā)展走向 報(bào)載歐美的汽車制造商與零部件供應(yīng)商已達(dá)成協(xié)議，將汽車的供電源系統(tǒng)電壓標(biāo)準(zhǔn)由12V提高到42V，不久將開始執(zhí)行。汽車上采用12V電壓已有30年歷史，當(dāng)對改善啟動性能，提高電器件效率起了一定作用。但目前己不適應(yīng)技術(shù)發(fā)展的需要，從理論上講電壓提高3倍，電流就可減少2/3，因而可以大大減少電纜、電動機(jī)、線圈等尺寸及質(zhì)量。特別是可使一些新技術(shù)如電子控制電動氣閥機(jī)構(gòu)、飛輪內(nèi)裝啟動機(jī)發(fā)電機(jī)一體式結(jié)構(gòu)，以及電子控制電動制動器、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的應(yīng)用成為可能。同時(shí)，可以減輕汽車質(zhì)量并提高效率。但提高電壓對采用燈絲型燈光系統(tǒng)有不利影響。因此有可能在開始階段，仍保持與42V同存一個(gè)時(shí)期。 為了解決日益增長的汽車電力供需之間的矛盾，美國通用公司已經(jīng)研制一種適用于42V的汽車用電源系統(tǒng)，電動汽車EV將首先試行使用這套系統(tǒng)，成為首輛使用42V的汽車。據(jù)悉歐洲汽車公司將率先使用42V電源標(biāo)準(zhǔn)，據(jù)預(yù)測，42V汽車2002年達(dá)到4.6萬輛，2010年將達(dá)到1289萬輛。預(yù)計(jì)實(shí)施將從易到難，從小到大鋪開，也就是先雙電壓方案后單電壓方案，先豪華汽車后普通汽車，逐步實(shí)施，全面實(shí)施單電壓方案過程約10年。 汽車電源系統(tǒng)的由12V(HV)電源向42V電源發(fā)展已是必然趨勢，這也像20世紀(jì)50年代時(shí)，將6V電源升至現(xiàn)行的12V(14V)電源一樣不可阻擋。作為過渡階段，會存在14V/42V雙電壓系統(tǒng)。雙電壓電源系統(tǒng)機(jī)構(gòu)可能從2005或2006年起出現(xiàn)在歐洲頂級車型內(nèi)。大約在相同的時(shí)間，美國的一些輕型載貨車也可能會裝備這些機(jī)構(gòu)。而到2008年大約會有130萬輛歐洲車輛采用42V電源系統(tǒng)技術(shù)。 14/42V及42v電氣系統(tǒng)已得到國際汽車工業(yè)界的廣泛認(rèn)可，因此，可以相信這一新的汽車電氣系統(tǒng)進(jìn)入實(shí)用化的時(shí)間已為期不遠(yuǎn)。由于該電氣系統(tǒng)的固有特點(diǎn)，以功率半導(dǎo)體元器件同微電子器件相結(jié)合的控制裝置，將在新的電氣系統(tǒng)中獲得大量應(yīng)用，這將對傳統(tǒng)的汽車電器帶來較大的沖擊，并對汽車電子、電器零部件的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。目前，我國相關(guān)行業(yè)已對新的汽車電氣系統(tǒng)給予了應(yīng)有的關(guān)注，這一汽車新技術(shù)正進(jìn)入研究起步階段。 總之，汽車材料技術(shù)的發(fā)展必須適應(yīng)新一代汽車產(chǎn)品發(fā)展的要求。汽車產(chǎn)品設(shè)計(jì)者、材料工作者必須予以了解和研究,促進(jìn)產(chǎn)品開發(fā)與應(yīng)用。