汽车42V 电源系统的应用分析探讨

2014-01-03丁在明

电子测试 2014年2期

丁在明

（山东交通职业学院，261206）

1 42V 电源系统的由来

汽车使用14V 电源系统始于上世纪50 年代，当时汽车的电子附件少之又少，14V 电源系统完全能满足需要。近年来，随着各种电子设备在汽车上的广泛应用，特别是改善汽车舒适性、操控性以及安全性的电子装置的逐步增多，汽车智能化程度的不断提高，新的电气装置在汽车上被不断采用，如各种发动机电控系统（包括电控喷射、废气再循环电控、增压电控等）、巡航控制、陆地导航、空气调节、车载计算机网络等，使汽车电子附件所占的比例大幅提高。这些装置的执行器通常要求较大的功率，相应的耗电量也会大大增加。如何提供足够的电力，保证所有电器系统可靠的工作，已成为现代汽车发展的瓶颈。由于电能具有传输简便、转换容易、控制灵活等一系列优点，采用电磁或电动执行器取代液压传动和气压传动执行器已成为一种趋势。一些带电的机械装置逐步转变为带机械的电子装置，更大大增加了电气系统的负荷。在以节能、环保和安全为中心的现代汽车中，电气设备越来越多，电气负荷越来越大，电气系统功率消耗明显增加，这就要求汽车电源能提供更高的电能。14V 电源系统3 千瓦左右的功率已经不能满足需要。因此采用新的电源系统取代14V 电源系统将是大势所趋。1995 年，在一个关于汽车工业与精密电子工程发展的会议上，有专家提出了42V 电源系统的应用。42V 是指汽车工作时的电压，蓄电池电压是36V，这与目前汽车采用14V 电源系统，而蓄电池电压是12V 的道理是一样的。提出42V 电源系统的具体原因有以下几个方面：①现代汽车已经应用的电子控制器件，如发动机电控管理系统、空调、中央控制门锁、电动门窗和音响等系统，使得14V 电源系统的供电能力趋于供电极限，难以支持下一代汽车设计中新增加的电子设备，如车载计算机系统、车载导航系统、多媒体电子元器件和网络化汽车电子设备等。②已经开发成功的新一代汽车动力系统的关键技术，如可以引起传统内燃机技术革命的无凸轮轴电磁式电控配气相位机构和高效节能的飞轮复合式起动——发电机系统，它们在14V 供电标准下难以实现。

近年来，据统计平均每辆车电子设备的成本率已增加到30%之多。一些豪华轿车，单片机已达到近50 个，电子产品占汽车成本的50%，电子技术的应用已深入到汽车所有的系统。汽车电子产品可以分为两类：一类是汽车电子控制装置，一类是车载电子设备。所谓的汽车电子装置，他们包括发动机、底盘和车身电子控制装置。如电子燃油喷射系统，防抱死制动系统，牵引力控制系统，自动变速器电子控制系统，电子动力转向系统；另一种是车载电子设备，汽车电子装置可以单独使用在汽车环境中，性能直接关系到车辆本身。他们包括汽车信息系统（计算机），导航系统，汽车影音娱乐系统，车载通信系统，网络设备等。

汽车电子技术的应用将使汽车发生以下主要变化：

（1）汽车的机械结构还将发生重大的变化，汽车的各种操纵系统向电子化和电动化发展，实现“线操控”。用导线代替原来的机械传动机构，例如“导线制动”、“导线转向”、“电子油门”等等。

（2）汽车12V 供电系统向42V 转化。随着汽车电子装置越来越多，消耗的电能正在大幅度地增加。现有的14V 动力电源，已满足不了汽车上所有电气系统的需要。今后将采用集成起动机－发电机42V 供电系统，发电机最大输出功率将会由目前的1 千瓦提高到8 千瓦左右，发电效率将会达到80%以上。42V 汽车电气系统新标准的实施，将会使汽车电器零部件的设计和结构发生重大的变革，机械式的继电器、熔丝式保护电路将被淘汰。

2 42V 电源系统的优势

由功率计算公式p ＝IU 可知，对于14V 电源系统，为大功率用电设备和装置提供足够的电能，就必须提高蓄电池或发电机的输出电流，而低电压大电流的输出势必会损害蓄电池，降低蓄电池的寿命；同样低电压大电流的输出还会降低爪极式发电机的效能。因此，提高蓄电池和提高发电机电压是满足更多电气电子设备用电需求的有效途径。

那为何电压为42V 而不是60V 或者100V 甚至更高呢？因为人体的安全电压是50V，若超过此电压，需要改善绝缘措施，这样势必会增加成本和重量，因此，选择42V 电源系统既可以满足安全用电要求，又可以提供足够的电能满足大功率用电设备的用电需求。

具体讲42V 电源系统主要有以下五方面的优势：

(1)工作电压，安全可靠

欧洲的安全法规定人体安全电压为50V。超过系统电压60V，必须要有一个专门布线的绝缘措施，这将增加系统的重量和成本。因此，42V 电源电压的选择，即能满足能源需求，还会像传统的12V 电源系统，当接触电极或金属体也不会构成对人类安全的威胁。

(2)减少汽车线束成本

例如一辆现代汽车拥有长达2 公里的导线、2000 多个线头和350 多个集线器。而采用42V 电源系统可大幅度降低这些线束的重量及成本。从理论上讲，传输同样的功率，42V 系统的电流只有14V 系统的1/3，这样就大大降低了电机及电力元件的电流负荷，也使导线及功率元件的传输损耗降低为原来的1/9，还可减小导线截面积从而降低重量。

3 42V 电源系统的设计方案

由于42V 电源系统涉及到的产品技术改造范围广范，所以反对升级的也很多，特别是零部件供应商。因为产品的变化会增加生产成本，所以，作为过渡阶段的42V/14V 双电压运行模式系统的方案，正越来越多的被人们所关注。

在汽车行业，由于现有的双电压系统对汽车零部件制造商的影响小，因此被作为首选的方案。如图双电压系统中所示，需要有一个DC/DC 转换器将42V 电压转换成l4V 电压，因而需要2 个不同电压等级的蓄电池（12V 和36V）。

双电压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，如灯光与信号、仪表与报警、电动雨刷等辅助电器采用14V 电源供电；而大功率用电器如发动机、底盘、车身电子控制等电器则直接采用42V 的电源供电。交流发电机经整流调压后得到的42V 电压供给高功率负载并对36V 蓄电池充电，而42V 电压经DC/DC 变换器（直流变换器）之后为l4V 中小功率用电器电气系统供电并对12V 蓄电池充电。