中心議題：

• 42V汽車電氣係統的優點
• 汽車供電係統的兩種方案比較
• 稀土永磁發電機的設計

解決方案：

• 全車42V單一電壓方案
• 42V/14V雙電壓方案

汽車電源的電壓從上世紀50年代的6V改為12V，己有50多年的曆史。自1990年開始，汽車用電量每年以5％～8％的比例增加
，其平均電力負荷的發展曆史與趨勢見圖1。隨著汽車技術的不斷進步，將會有越來越多的電氣及電子係統被應用到汽車上。

20世紀90年代，汽車設計者提出的提高汽車電源電壓的構想，很快得到汽車研究者、汽車製造商、零部件製造商的一致認同，並製定了汽車電源42V電壓的相關標準。

汽車供電係統由現有的14V標準向42V標biao準zhun轉zhuan化hua已yi經jing成cheng為wei必bi然ran發fa展zhan趨qu勢shi，並bing將jiang在zai未wei來lai數shu年nian內nei得de到dao迅xun速su發fa展zhan，從cong而er導dao致zhi汽qi車che電dian器qi電dian子zi產chan品pin的de一yi場chang革ge命ming。汽qi車che新xin供gong電dian係xi統tong標biao準zhun的de實shi施shi，對dui汽qi車che電dian子zi工gong業ye的de傳chuan統tong產chan品pin將jiang帶dai來lai巨ju大da的de衝chong擊ji。這zhe對dui於yu我wo國guo來lai說shuo既ji是shi一yi次ci挑tiao戰zhan
，也ye是shi一yi次ci難nan得de的de機ji遇yu。我wo們men應ying在zai汽qi車che電dian源yuan改gai革ge的de過guo程cheng中zhong，積ji極ji參can與yu研yan發fa，與yu國guo際ji汽qi車che電dian器qi電dian子zi產chan品pin接jie軌gui。

1  42V汽車電氣係統優點

1.1 電壓安全、易得
根據歐洲的安全法規定人體的安全電壓在50V以內
，任何超過60V電壓的係統
，在導線和連接處都要有特殊的絕緣措施，這將增加係統的重量和成本。因此
，選擇42V電壓，就是希望在滿足電能需要的同時，能像傳統的12V係統一樣
，即使觸碰到電極或金屬車體時也不會對人體安全造成威脅。

42V電壓值是目前汽車發電機輸出電壓14V的3倍
，其采用的36V蓄電池有利於使用3節傳統的12V鉛酸蓄電池串聯改裝組成。

1.2 顯著降低汽車線束成本
現代汽車擁有長達2km的導線


、2000多個線頭和350多個集線器，42V電源係統可大幅度降低這些線束的重量及成本。從理論上講
，傳輸同樣的功率，42V係統的電流隻有14V係(xi)統(tong)的(de)三(san)分(fen)之(zhi)一(yi)
，這(zhe)樣(yang)就(jiu)降(jiang)低(di)了(le)電(dian)機(ji)及(ji)電(dian)力(li)元(yuan)件(jian)的(de)電(dian)流(liu)負(fu)荷(he)，也(ye)使(shi)導(dao)線(xian)及(ji)功(gong)率(lv)元(yuan)件(jian)的(de)傳(chuan)輸(shu)損(sun)耗(hao)降(jiang)低(di)為(wei)原(yuan)來(lai)的(de)近(jin)九(jiu)分(fen)之(zhi)一(yi)，並(bing)可(ke)以(yi)減(jian)小(xiao)導(dao)線(xian)截(jie)麵(mian)積(ji)以(yi)降(jiang)低(di)重(zhong)量(liang)。
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1.3 使大量高新技術被廣泛應用
有了42V電源係統，許多以前看似不切實際或不可能的技術也都變得可行了。在42V電氣係統中，線控技術、行駛平順性控製裝置
、電子加熱式催化器和電磁閥係統
、主動懸掛和電動四輪輔助驅動裝置都能更有效地使用，為車輛的結構改進提供了更大的可能性（表1）。

使用42V電源係統，發動機的一些長期運轉的附件如轉向助力泵
、水泵、冷卻風扇、kongtiaoyasuojiheqibengdenghezhijieyouxindedianyuanxitongqudong，congerjianshaokongzhuanxiaohao
，tigaonengyuanliyongxiaolv。duiyudiandongzhidongxitong，youdianyuanzhijiequdong，keshengquyeyahuoqiyaxitong，dailaigenghaodejiashishushixinghegenghaoderanyoujingjixing。

1.4 可大幅度提高發電機效率
目前汽車使用的矽整流發電機效率在60c/~以下。矽整流發電機輸出電流大，電樞繞組的電流密度達10A/ram，很多能量被勵磁繞組、電樞繞組和整流元件消耗掉了。

42V電源係統可在整個發動機轉速範圍內提供較高的電流輸出，電機效率可達到80％以上，目。功率達到8kw以上酉門子VDO產品輸出10～15kW，效率可達85％。

1.5 有利於發展混和動力車
采用42V電源後，若沒訃啟動發電集成裝置（ISA），則可實現以下功能：
①在汽車起步時，增強了啟動加速性能，在很短時間內（通常為0.1～0.2s）將內燃機加速到超過怠速轉速，然後內燃機開始點火，實現發動機無怠速工況；
②汽車較長時間處於停車狀態，如遇紅燈時，控製係統會自動切斷內燃機供油，內燃機停止運行；
③汽車正常行駛時，ISA為發電機工況，向電池充電
；
④汽車加速或爬坡時，ISA工作在電動機工況，為發動機提供輔助推進動力，使發動機工作在高效區

，提高了效率，降低了燃油消耗6）已經具備一定的研究基礎

目前，42V電氣係統結構已經得到了國際汽車工業界的認可
，並已在一些車輛上被采用，如沃爾沃公司的$80和福特公司的混合動力車Explorer。

2  運行模式

在新的電氣係統中，有兩種實施方案：一種是全車42V單一電壓方案；另一種是42V/14V雙電壓方案。

2.1 單一電壓運行模式
42V電氣係統的單一電壓方案如圖2所示，42V單一電壓會對目前的汽車零配件製造商造成大衝擊，因此推廣有一定困難。

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2.2 42V/14V雙電壓運行模式
由於42V電(dian)源(yuan)係(xi)統(tong)涉(she)及(ji)到(dao)的(de)產(chan)品(pin)技(ji)術(shu)改(gai)造(zao)的(de)範(fan)圍(wei)太(tai)廣(guang)，因(yin)此(ci)反(fan)對(dui)電(dian)壓(ya)升(sheng)級(ji)的(de)聲(sheng)音(yin)也(ye)不(bu)少(shao)，尤(you)其(qi)是(shi)配(pei)件(jian)供(gong)應(ying)商(shang)
，因(yin)為(wei)產(chan)品(pin)改(gai)造(zao)必(bi)將(jiang)增(zeng)大(da)他(ta)們(men)的(de)成(cheng)本(ben)因(yin)此(ci)，作(zuo)為(wei)過(guo)渡(du)階(jie)段(duan)的(de)42V/14V雙電壓係統的方案，正被越來越多的人所關注。

雙電壓係統對現有汽車零部件商的衝擊較小，因此汽車業傾向於這種方案。如圖3所示的雙電壓係統，需要有一個DC/DC轉換器將42V電壓轉換成l4V電壓
，因而需要2個蓄電池（12V和36V）。而隻有當大量的部件都適應42V車用電源的時候
，才能大批量生產純42V的車用電源。

雙電壓係統將汽車電器與電控裝置根據耗電量的大小分為兩組
，傳統的中小功率用電器為一組
，如燈具、儀表、電動雨刷等采用14V電源供電
；而大功率用電器如發動機控製單元
、加熱
、電動懸架等電器則直接采用42V的電源供電。交流發電機經整流調壓後得到42V電壓供給高功率負載並對36V蓄電池充電
，而42V電壓經DC/DC變換器之後為14V電氣係統供電。

3  稀土永磁發電機的設計

12V提升到42V供電係統的轉變給汽車電器元件也帶來了較大變革，如新型葺電池


、啟動機、發電機等。42V汽車電源係統主要有42V發電機、36V蓄電池和DC/DC直流交換器組成。36V蓄電池可由三節12V蓄電池串連而成，DC/DC直流交換器也已有許多機構進行開發。

當前主要有3種發電機可供選擇：

1）永磁發電機。
永磁電機具有很高的能量轉化效率和可靠性。

2）有刷矽整流發電機。
目前汽車使用的大部分是有刷矽整流發電機

，但是該機帶有碳刷滑環裝置，碳刷容易磨損，壽命短，故障率高。

3）無刷矽整流發電機。
無刷矽整流發電機維護簡便，可靠性高

，但該機增加了磁場氣隙，漏磁大
，材料利用率低
，成本高。

目mu前qian稀xi土tu永yong磁ci材cai料liao已yi經jing具ju備bei了le較jiao高gao的de性xing價jia比bi，現xian代dai電dian力li電dian子zi技ji術shu也ye為wei研yan製zhi出chu斬zhan波bo式shi的de電dian子zi穩wen壓ya器qi奠dian定ding了le基ji礎chu。因yin此ci，利li用yong稀xi土tu永yong磁ci材cai料liao和he現xian代dai電dian力li電dian子zi元yuan件jian研yan製zhi出chu結jie構gou簡jian單dan、發電效率高
、壽命長的42V稀土永磁發電機具有較高的研究價值和廣闊的推廣前景。
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設計的釹鐵硼永磁發電裝置結構示意圖如圖4所示
，還研製了三相半控橋整流穩壓電路（圖5）。該電路由三相半控橋整流電路、電dian壓ya信xin號hao取qu樣yang電dian路lu和he觸chu發fa電dian路lu組zu成cheng。當dang發fa電dian機ji輸shu出chu電dian壓ya低di於yu目mu標biao穩wen壓ya值zhi時shi
，電dian子zi穩wen壓ya器qi為wei三san相xiang整zheng流liu輸shu出chu。當dang發fa電dian機ji輸shu出chu電dian壓ya高gao於yu目mu標biao穩wen壓ya值zhi時shi
，電dian壓ya信xin號hao取qu樣yang電dian路lu自zi動dong使shi三san相xiang半ban控kong橋qiao整zheng流liu電dian路lu瞬shun時shi斷duan開kai，降jiang低di輸shu出chu電dian醫yi當dang發fa電dian機ji輸shu出chu電dian壓ya再zai低di於yu目mu標biao穩wen壓ya值zhi時shi，三san相xiang半ban控kong橋qiao整zheng流liu電dian路lu再zai恢hui複fu工gong作zuo，周zhou而er複fu始shi。通tong過guo整zheng流liu、斬波
，保證了發電機輸出電壓穩定的直流電。

4  性能試驗

42v永磁發電機采用12極有極靴星形轉子式三相永磁同步發電機，發電機額定電壓，42V；額定功率
，3000W；額定轉速，4000r/mln。磁性材料選用釹鐵硼NTP30H
，剩磁感應強度Br=1.12T，磁場強度Hc=790kA/m，最大磁能積，224～256kJ/m。在負載功率分別為2800
，3000和3200W的條件下，對新研製的三相半控橋式整流穩壓釹鐵硼永磁發電機從低速到高速進行性能試驗，試驗結果如表2所示。

從表2中看出
，當發電機轉速由2000r/min變化到4800r/min時
，負載功率由2800W變化到3200W時，輸出電壓穩定在37.17—42.63V之間

，該性能指標達到了設計要求。

5  結論

1）目前汽車電源係統由14V電源向42V電源發展已經是必然的趨勢
，就像上世紀50年代將6V電源升級至現行的12V電源一樣勢不可擋。
2）作為過渡階段
，對42V/14V雙電壓係統的研究將會是汽車界最近時期的一個研發熱點。
3）42V汽車供電係統標準的實施
，將對汽車電器與電子設備帶來巨大的衝擊，同時也會給整個汽車界帶來新一輪的技術革命。