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《双电压车载电气系统的几个方案研究》——电气自动化论文库关键词:汽车;双电压 ;电气系统;输出功率 1 概述随着车载电气设备数量及功率消耗不断增加，使得车载供电系统必须输出更大功率才能满足需要，当前这些燃烧汽油、柴油、燃气等燃料的汽车能够提供的用电功率较低，它们将面临严峻的挑战。如果不改变现有的汽车车载电气系统，势必会限制汽车技术的进一步发展。根据一些文献[1、2]介绍，目前可以预测到的汽车上的电气设备的最大消耗功率为 26kW 左右，这个数值很大。其中部分电器/电子设备还没有装车或正处于研究与开发之中，但在不久的将来，这些设备可能正式装上汽车。当然，车载全部电气设备同时使用的可能性很小，设计时还不用把车载用电功率考虑到极值。根据美国 Visteon 公司的统计和预测，今后几年内，车辆上电气设备用电功率将达到10kW。在美国今后几年的汽车工业发展中，车载电气设备功率消耗在 1kW～2kW 的车辆将显著减少，而车载电气设备功率消耗在 2kW～4kW 以及4kW～10kW 范围内的车辆将不断增加，特别是4kW～10kW 段的增加趋势更快。提高电压比增大电流有更多的优越性，因此，提高车载输出供电功率宜采用提高电压的方法，汽车供电系统由现有的电压标准向更高的电压标准转化已经成为必然趋势[3]。 ? 2 实现方案目前车载电压标准使用的电压值为：汽油燃料的汽车使用的电压标准为 14V，柴油车使用的电压标准一般是 24V（或 28V）。把 14V 汽车电压标准值提高至原来的三倍（即 42V）就能够在一定时期内满足车辆上安装的电气设备功率增大的需求，可以减小电流和导线横截面积，既有效可行，又便于使用现有技术来实现。由于导线横截面积的减少使得导线重量减轻，电动机也因为工作在更高的电压而提高了工作效率。汽车照明系统可用 HID、氖灯、LED 以及日光灯等来代替原有白炽灯，它们效率高，因工作电压较高而功耗较低，也可以保留原有白炽灯而采用适宜于原有白炽灯的工作电压。作为过渡方案，采用传统的14V 直流系统与更高电压值42V直流系统结合起来组成双电压系统有其优越性，首先，可以开始着手加入更大功耗的负载，新的供电系统与传统供电系统具有完全的兼容性[4]，且对现有电气设备不作任何的改动，实现容易。其次，经过对三个重要的车载电气子系统（即照明系统、电阻负载系统和电动机或电感负载系统）进行初步测试与分析，结果显示可以减少线路交叉和线束参考点，线束布置更容易，且大大地提高输送的功率，存在的问题是随着一个新蓄电池和直流变换器的使用带来重量和成本提高，但是可以通过节省的铜材和提高发电机/启动机的效率以及采用更细的导线等得到补偿。其中，测试与分析项目包括：（1）高工作电压对当前车载电气系统的影响，如电源成本、燃油消耗、铜材消耗、导线数量、效率、可靠性和封装等；（2）考虑三个实用子系统的最大数量设备，把挡风玻璃加热器、座椅加热器、摇窗电机、雨刮、汽车前后和车内及娱乐照明灯具等设备也考虑在内。根据有关文献[5]，Lear 汽车公司在一次展览会上推出的体现双电压结构的样车，估计能减少 10%的车载电气系统的成本。 ? 3 14V/42V 双电压电气系统主要由 42V 交流发电机、36V 电压标准的启动机、36V 蓄电池以及 42V 电气总线组成的单 42V 电气系统的方案在纸上讨论很容易，但是要获得成功地应用却是是相当得困难，且 42V 单电压方案也很昂贵，因为它使汽车所有的电气元件都必须按照42V 的电压标准重新设计。因此，最现实、简单可行的方案就是采用双电压车载电气系统。在这种方案中，存在 42V 和 14V 两种总线，根据对两种电气标准的电压的不同，系统中的交流发电机、蓄电池、AC/DC 和 DC/DC 变换器等设备配置与连接也将不同。3.1 双交流发电机系统该车载电气系统由两个分别独立的 14V和42V电气子系统组成，包括14V和42V两个交流发电机、12V 和 36V 两个蓄电池、14V 和 42V 两个 AC/DC变换器，要么一个 12V 启动机（保留现有的启动电机），要么一个 36V 的启动机（新开发的启动电机）等等，各子系统分别为各自对应电压标准的设备供电.该系统方案看似简单，也较易于实现，但两套发电机、AC/DC 变换器和两个蓄电池组既增加车载电气系统的成本、体积、重量以及导线的数量等，又占据汽车上有限的空间，很不便于在汽车上进行合理布置，因此，这种方案没有太大的实际开发应用和进一步研究的价值。3.2 单 42V 交流发电机系统单42V交流发电机系统可以克服双交流发电机存在的上述局限性，且在近一段时间内可以较快地实现提高车载电压的目的。该方案通过中间 DC/DC变换器不仅可以给传统14V电压值的设备提供相应电压，对现有14V 车