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为了满足日益增长的电力需求,汽车厂商在努力提高汽车电池的电压,将其从目前的14V提高到42V左右。40多年以前,美国汽车厂商弃用了标准的6V系统,当时也是出于同样的考虑。在此期间,汽车电力功率消耗增长了50%以上。每年汽车都增加新的特点和功能,最近,汽车增添的新东西包括手机、个人电脑和卫星导航系统。目前,汽油蕴含的能量中,不到30%用于发动机,其余部分都被效率不高的元件所消耗,或者在发动机空闲的时候以无用热量的形式浪费了。
新一代汽车将使用更多的电子元件,需要的电源输出功率高于3千瓦,这是目前14V系统的极限输出。42V系统的输出功率将可达到8千瓦左右,能够更好地满足更高的功率需求。其它的众多优点包括:
* 降低电流水平;
* 缩小电线和电子元件尺寸;
* 降低电力系统成本;
* 降低质量和体积;
* 改善燃料效率;
* 降低汽车噪音和震动;
* 改善系统稳定性。
42V系统还为采用更加先进的技术创造了条件,这些技术将使汽车从机械式的皮带驱动系统向电力驱动系统转变。其它可能采用的技术包括电动动力转向、机电刹车、电动HVAC系统、电磁汽门机构、集成式起动器发电机和电子驾驶控制系统。未来的所谓“无皮带发动机”是降低重量的另一个理由,从而获得更高的效率,降低油耗和废气排放。
42V系统面世
在初期阶段,预计轿车将采用14/42V双重系统,这样可以不必同时把所有的系统都转换成42V标准,因此有助于控制成本。在逐渐过渡的过程中,有些元件将工作在14V,有些工作在42V。这种情况可能持续几年的时间,这是因为灯丝等一些14V元件比42V的同类产品更加耐用。同时,某些部件如传感器、火花塞、收音机等其它电子设备在14V下的表现可能好于42V。
丰田汽车已经开始销售采用42V系统的豪华轿车,但只限于在日本。一些欧洲轿车具有两个铅酸电池,所以可能很快采用电压较高的电子系统。大约有24款具有不同类型的42V系统的汽车正处于最后的设计阶段。美国消费者可能从2004车型年开始在展厅中看到第一批14/42V双系统汽车,到时通用汽车将在一种汽油-电力混合燃料皮卡中推出它的第一代42V系统。预计将从2007车型年开始逐渐提升这种系统的产量,特别是在大型和中型汽车及轻型卡车中(尤其是SUV),这些车型的耗电特点、燃料消耗和排放正在成为重要问题。至少有一家机构预测,2010年42V汽车产量将达1,300万辆左右。
对元器件的挑战
在42V系统得到广泛采用之前,必须先解决许多工程,包括发动机/电力系统架构和过渡策略(14/42V双重系统,或直接转成42V系统)。双电压系统面临的短期挑战包括电线增加、重量上升和复杂性提高。不管采取什么方式过渡,供应商都需要时间开发新型元件,以及能够区分14V与42V元件的元件识别系统。
对电气及电子元件的评估。虽然从物理角度看,42V与14V相差不大,但现实问题令人担忧。目前的14V设计不能自动工作在42V;甚至连简单的保险丝也不能转到42V环境,更不用说调光器和有源负荷控制器。有些保险丝板和套件制造商发现,普通14V保险丝的最大值和最小值不能在42V下正常工作。它们在电流过大时可能不能正常熔断,导致严重的过载现象。而且,互连技术经过发展,在14V环境下达到了最理想的成本与性能。目前的连接器、电路断路器和继电器触点设计,在42V下可能达不到理想状态。因此,制造商必须重新评估元件在较高电压下的稳定性。测试工作可能需要从42V下的简单连续性测试,到对元件的功能性表现进行全面的电气特点测试。
可靠性问题。在42V和更高的电压水平上,电路和继电器等许多元件承受的电气压力是以前的三倍。这种压力越大,元件就越可能经常出故障。因此,元件和模块制造商必须进行更多的可靠性测试,如老化和加速应力测试,以保证元件具有足够的工作寿命。
安全问题。在汽车中安全地分配42V电压也是一项挑战。首先,建立42V标准,是因为较高的电压带来人身安全问题。例如,50V电压可以使人的心脏停止跳动,高于60V的电压需要采用绝缘性能更强的电线和连接器,这样就导致重量增加。为了防止发生火灾,电力分布设计必须允许在较高的电压下启动,并能够在电池接反时防止发生危险。
元件和导线产生电弧。继电器、开关和导线电弧现象是另一个必须解决的问题,在42V系统中,该问题造成严重后果的可能性大大增加。最近的研究结果显示,42V电弧的能量是14V系统中的50至100倍。这样的电弧可以产生高达1800F的温度,引燃燃料蒸气,导致塑料绝缘物质起火,甚至烧熔金属。简单地重新设计继电器、开关和保险丝,并采用阻燃材料,并不是万全之策;这些元件的设计应该能防止产生电弧。其它连接也是如此,特别是在更换保险丝、电池和其它元件时可能发生短路的部件。机械设计特点是必须确保电气终端位置正确,而且被很好地固定;因此,可能需要增加使用夹具和屏蔽器件。
展望未来,一旦完成向42V电源架构的转变,电线规格将会降低,线束将会缩小,可以使用更小的连接器,电线重量也会下降,许多元件和组件可以延长工作寿命。 |