20世纪80年代以来, 大量的高新技术在汽车上的广泛应用使得汽车上的电器装置越来越多, 如车载雷达导航与卫星定位系统、移动天线系统、可视电话系统、智能电脑系统、网络控制系统、车载防盗系统、自动空调系统、安全气囊、主动悬架和自娱系统等。同时,采用电磁或电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。随着过时的机械系统被淘汰,下一轮的汽车电子浪潮将需要更多的动力。
自1980年以来,汽车电气系统的用电量以每年约4 %的幅度增加, 目前的14V系统只能产生3kW的动力, 已经不能满足需要, 而42V 系统能提供8kW的动力, 对汽车电器提供了较大的发展空间。采用42V电源的最重要的意义还在于使产品设计人员从过去的许多局限性中解脱出来,为汽车技术的发展提供了充分的想象空间。
42V 电源系统现状
新的电源系统有两种类型, 一种是单一电压的42V 系统,另一种是双电压的14/ 42V系统。两种电源系统的目的虽然一致,但出于实现难易程度不同,又各有自己的特点,前者为最终型,后者为过渡型。
14/ 42V 双电压电气系统
该系统将汽车电器与电控装置根据耗电大小分为两组, 中小功率为一组, 用14V电压供电, 较大功率电器装置采用42V电压供电,这些装置平均功率分别在400～1000W范围内,峰值功率可高达500～5000W。提高电压值可以减少电器装置本身的体积、质量和损耗, 也有利于控制装置的小型化, 提高集成度。例如三元催化转换加热器、挡风玻璃加热器、冷却风机、电气悬架、电磁阀驱动电器等。传统电器及部分电器装置(例如照明、信号、仪表板、电动摇窗机、中央控锁系统、发动机电子燃油喷射装置、点火控制装置等) 功率不大,采用14V供电有利。因此, 14/ 42V双电压系统能很快达到实用化,而且能够为最终实现单一的42V系统打下基础。
42V 电气系统
单一电压的42V电气系统具有使用效率高、控制系统较为简单、配用电池为一组同等电压的蓄电池等特点, 其核心是集成式启动—交流电机系统(integrated starter alternator 简称为ISA) 。该系统集电源启动供电和交流电机发电两大功能于一身,可以实现更强大的电力供应以及具有良好的起步—停车特性,并因此具有更佳的燃油经济性和更低的有害气体排放。该系统还可以在低发动机转速下有效提速,并可以显著缓冲引擎的扭矩脉动。该系统的独到之处还在于与之相配的车用电源系统由蓄电池组和超级电容器组成。但在现有的生产工艺和人们对价格的认可方面还未能普及。
电源系统中的关键装置
起动/ 发电机复合装置
由于电气系统中交流发电机具有较大的输出功率, 为了合理利用资源, 利用交流发电机的可逆性, 再配置一套半导体整流—逆变功率转换器, 将交流发电机和起动机合成为一个起动/ 发电机复合装置。起动发动机时,42V电池通过整流—逆变功率转换器向起动/ 发电机复合装置供电, 复合装置工作在起动状态; 当发动机起动后, 整流—逆变功率转换器工作在整流方式,复合装置工作在发电状态,向42V电池充电,并向其他用电设备供电。在发电状态,可根据需要输出不同的电压。这种起动/ 发电机复合装置一般安装在汽车传动系统中。
DC/ DC转换器
当发电机设计为单一电压(42V) 输出, 并且电源系统使用14/ 42V双电压时,在高、低电源之间及高电源与低压负载之间必须加装DC/ DC转换器, 可以将供电系统分割为两个具有不同电压的供电子系统。它利用一组绝缘门双极型晶体管,使其工作在脉宽调制方式,通过调整矩形波电压的占空比来改变输出电压的平均值,从而得到理想的电压。
42V 电源系统的优点
电源系统更为高效
常规性交流发电机只能在怠速时优化电流。42V电气系统的起动发电一体机将取代传统的起动机、皮带驱动式发电机和飞轮。遇交通灯时,发动机将自动关闭而不是怠速。驱动水泵的将是电动机, 而不是连接发动机曲轴皮带轮的皮带, 这样可减轻发动机的负荷。
部件功能更好
安装在发动机曲轴后端的一个装置将发挥起动机的作用,在起动时旋转曲轴。起动发电一体机比目前的起动机点火更快,从而使发动机具有停—走功能。该装置又能发挥发电机的作用, 既能直接从发动机给蓄电池充电, 又可在制动时给蓄电池充电, 使通常在制动时散失的能量得以回收, 有助于减轻制动器的磨损。
燃油效率提高
由于起动发电一体机的停—走功能、再生制动、扭矩增大等特点,燃油经济性能将提高10 %～15 %。
排放降低
由于42V 电气系统可使发动机的停—走更为迅速,高转速起动时产生的排放污染将大大低于较低速起动时的排放污染。
降低固态电路使用成本
42V系统将使先进的固态电路的使用成本更低, 联网能力加强。例如,随着电流强度减弱,半导体开关的成本有望下降,这样,就可以增加更多的电子控制装置和用户想要的配置。
设计更灵活性
新的电源系统可以把发动机的机械驱动的控制系统和附件从发动机中分离出来,集成到一起,由电动机直接驱动,以进一步减少发动机的部件,降低发动机的自重并提高效率。那些簇拥在发动机周围的一些传统部件, 如加热和冷却系统, 将能更均匀地分布, 皮带和皮带轮的数量也得以减少, 从而使汽车的线条更流畅,更平衡。
新技术的应用成为可能
有了42V系统,许多以前看似不切实际或不可能的技术也都变得可行了。在42V电气系统中,线控技术、行驶平顺性控制装置、电子加热式催化器和电磁阀系统都能更有效地使用, 为车辆的结构改进提供了更大的可能性。使用42V电源系统,发动机的一些附件如转向助力泵、水泵、冷却风扇、空调压缩机和气泵等可直接由新的电源系统驱动, 从而减少空转消耗, 提高能源利用效率。此外,上述部件还可从发动机中分离出来,减少发动机的部件数量,改进设计,提高发动机的效率。对于电动制动系统,由电源直接驱动,可省去液压或气压系统。
42V 电源系统对汽车零部件的影响
新型42V 汽车电源系统标准的实施将使汽车电器零部件设计和结构发生重大变革。某些部件将进行优化设计,某些部件将被淘汰,还将开发和生产一些新技术产品。
对整车的影响
由于电源能提供足够的功率, 本世纪汽车将采用网络技术、导航系统、车载计算机技术以及电动转向、电子制动、电子伺服制动和转向、电动水泵和燃油泵、电动座椅、电加热座椅、电加热三效催化转化器等新技术,并向智能化驾驶方向发展。
对发动机的影响
采用无凸轮轴电控气门配气相位电磁阀系统将取消凸轮轴、气门挺杆、气门摇臂、液压挺柱、正时齿轮等部件,大大简化发动机的结构。
对电动机和电磁阀的影响
采用42V电源系统后,可使电动机和电磁阀质量降低20 %左右。电磁阀的体积和质量随着电压的增加而成比例地减少,电动机的减少幅度相对小一些。较小的电动机可使车门减薄、座椅下空间增大、乘坐宽敞。
对照明系统的影响
采用42V电压后, 目前的前照灯不能采用, 必须采用高强度放电灯;后灯也将采用氖气灯,以延长使用寿命。
对电路开关和连接器的影响
电压提高后, 导线的直径减少, 线束在质量和体积上均减少。采用42V电源系统后,传统的机械式继电器、断电保护器调节器将被淘汰,而广泛采用具有诊断能力和电路保护功能的多路传输控制系统。