《双电压车载电气系统的几个方案研究》电气自动化论文库

《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。314V/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车载电气系统不作任何变动，还能够较方便地给42V的电气设备提供所需电压，这些负载设备可以是新增的车载电气系统新设备，也可以是原14V电压值设备或是其中功率消耗较大的设备经过重新开发设计后转换为42V电压标准的设备。该系统有一个42V/36V集成式的交流发电机/启动机系统（ISAs），一个36V的蓄电池组和一个12V的蓄电池组。两个DC/DC变换器完成14V与42V之间负载电压的双向转换。这种车载电气功率分配系统其高低电压之间具有一定的功率互补性，但结构较复杂，两套DC/DC变换器和两套蓄电池组增加了成本，也使线路较复杂，费用较高因而实用性变差。经过简单改进之后的一种车载电气系统结构布置框图。这种功率分配系统的高低电压之间功率互补性较差，一套DC/DC变换器降低了部分的成本，它除了结构和线路较简单、设备布置较容易外，还有电压稳定性较好，实用性较好的特点。在上述两种车载电气系统结构中，灯光照明按14V电气负载连接。3.2.2蓄电池组与DC/DC、PWM的车载电气系统该系统有一个42V/36V集成式的交流发电机/启动机系统（ISAs）；一个36V蓄电池组；一个12V蓄电池组；一个DC/DC变换器，完成42V到14V负载电压的转换以便为相应电压需求的电气元件供电，通过脉宽调制（PWM）对42V斩波获得12V的电压专为灯光照明系统供电，其余14V负载设备由42V/14V的DC/DC变换器提供电压。这种车载电气功率分配系统增加了一套脉宽调制（PWM）设备及两套蓄电池组使得成本较高，结构和线路布置较复杂，实用性变差，但电压稳定性较好、分散布置较方便。在实际布置车载电气系统中的各种设备时，可以分散布置，也可以集中布置，或分散与集中布置相结合。各电压标准的变换器可以采取增加数量、减小体积以适应不同布置空间和电气元件散热及降低温度保证性能的要求。在上述几种车载电气系统结构中，如果要5～10V的供电电压，可以从42V电压端通过PWM设备或者DC/DC变换器获得。如果要求的是恒定电压值，则使用DC/DC变换器更合算。4瞬态抑制车载电气系统中，交流发动机负荷卸载的瞬态电压是潜在的破坏性最大的瞬态电压，特别是42V的车载电气系统，因为它释放出高压和高能，特定情况下开路负荷卸载瞬态电压值高达105V，此时，理论上需要抑制器能够承受超过100J的能量冲击。当抑制器消耗伴随负荷卸载脉冲而带来的能量时，它的击穿电压也将随着电路与它本身的温度不同而发生很大变化。在42V系统中，期望负荷突降（卸载）出现的电压瞬变值能抑制在58V以下，42V系统的最大正常工作电压也不高于43V（52V包含调整波纹）。另一种瞬态高压来自负荷切换，这也需要有严格的保护措施。与负荷突降电压脉冲相比，这些瞬态高压的持续时间比较短，放出的能量也较少（最大100mJ）。在双电压情况下，有50Ω的电源阻抗的潜在破坏性的瞬态过压值高达100V，对这些局部瞬态过压的保护措施是在驱动器件中进行抑制，如增加钳位电路和利用功率FET驱动器件的雪崩能力等。随着汽车车载电气与电子设备的增加，汽车上用电功率增加是必然趋势。作为过渡的解决办法，采用14V/42无忧论文网双电压车载电气系统在汽车上能够提高用电功率输出，其方法可行，易于实现。给出的几种实现方案有他们各自的优缺点，在汽车销售商和用户接受能力许可的前提和现有的条件下，可以实施。在交流发电机负荷卸载或者其它较大负荷切换时容易产生瞬态高压，该瞬态高压需要抑制和采取保护措施，目前已有一些抑制方法和保护措施，但更严格和有效地方法还在进一步研究之中。采用14V/42V双电压车载电气系统可以使汽工业尽可能早一点进入42V的电气系统，该研究也用于其他燃料的汽车、电动汽车或混合动力汽车的车载电气系统。参考文献：1.HoltDJ．Changingtheshapeoftheautomobile．Auto-motiveEngineeringInternational，2000，（10）：4C～64N2.FrankR，，ZaluiR．Semiconductors42-Vpowersupplies.AutomotiveEngineeringInternational，2000，（10）：140～147