汽車42V 電源系統的應用分析探討

丁在明

（山東交通職業學院，261206）

1 42V 電源系統的由來

汽車使用14V 電源系統始于上世紀50 年代，當時汽車的電子附件少之又少，14V 電源系統完全能滿足需要。近年來，隨著各種電子設備在汽車上的廣泛應用，特別是改善汽車舒適性、操控性以及安全性的電子裝置的逐步增多，汽車智能化程度的不斷提高，新的電氣裝置在汽車上被不斷采用，如各種發動機電控系統（包括電控噴射、廢氣再循環電控、增壓電控等）、巡航控制、陸地導航、空氣調節、車載計算機網絡等，使汽車電子附件所占的比例大幅提高。這些裝置的執行器通常要求較大的功率，相應的耗電量也會大大增加。如何提供足夠的電力，保證所有電器系統可靠的工作，已成為現代汽車發展的瓶頸。由于電能具有傳輸簡便、轉換容易、控制靈活等一系列優點，采用電磁或電動執行器取代液壓傳動和氣壓傳動執行器已成為一種趨勢。一些帶電的機械裝置逐步轉變為帶機械的電子裝置，更大大增加了電氣系統的負荷。在以節能、環保和安全為中心的現代汽車中，電氣設備越來越多，電氣負荷越來越大，電氣系統功率消耗明顯增加，這就要求汽車電源能提供更高的電能。14V 電源系統3 千瓦左右的功率已經不能滿足需要。因此采用新的電源系統取代14V 電源系統將是大勢所趨。1995 年，在一個關于汽車工業與精密電子工程發展的會議上，有專家提出了42V 電源系統的應用。42V 是指汽車工作時的電壓，蓄電池電壓是36V，這與目前汽車采用14V 電源系統，而蓄電池電壓是12V 的道理是一樣的。提出42V 電源系統的具體原因有以下幾個方面：①現代汽車已經應用的電子控制器件，如發動機電控管理系統、空調、中央控制門鎖、電動門窗和音響等系統，使得14V 電源系統的供電能力趨于供電極限，難以支持下一代汽車設計中新增加的電子設備，如車載計算機系統、車載導航系統、多媒體電子元器件和網絡化汽車電子設備等。②已經開發成功的新一代汽車動力系統的關鍵技術，如可以引起傳統內燃機技術革命的無凸輪軸電磁式電控配氣相位機構和高效節能的飛輪復合式起動——發電機系統，它們在14V 供電標準下難以實現。

近年來，據統計平均每輛車電子設備的成本率已增加到30%之多。一些豪華轎車，單片機已達到近50 個，電子產品占汽車成本的50%，電子技術的應用已深入到汽車所有的系統。汽車電子產品可以分為兩類：一類是汽車電子控制裝置，一類是車載電子設備。所謂的汽車電子裝置，他們包括發動機、底盤和車身電子控制裝置。如電子燃油噴射系統，防抱死制動系統，牽引力控制系統，自動變速器電子控制系統，電子動力轉向系統；另一種是車載電子設備，汽車電子裝置可以單獨使用在汽車環境中，性能直接關系到車輛本身。他們包括汽車信息系統（計算機），導航系統，汽車影音娛樂系統，車載通信系統，網絡設備等。

汽車電子技術的應用將使汽車發生以下主要變化：

（1）汽車的機械結構還將發生重大的變化，汽車的各種操縱系統向電子化和電動化發展，實現“線操控”。用導線代替原來的機械傳動機構，例如“導線制動”、“導線轉向”、“電子油門”等等。

（2）汽車12V 供電系統向42V 轉化。隨著汽車電子裝置越來越多，消耗的電能正在大幅度地增加。現有的14V 動力電源，已滿足不了汽車上所有電氣系統的需要。今后將采用集成起動機－發電機42V 供電系統，發電機最大輸出功率將會由目前的1 千瓦提高到8 千瓦左右，發電效率將會達到80%以上。42V 汽車電氣系統新標準的實施，將會使汽車電器零部件的設計和結構發生重大的變革，機械式的繼電器、熔絲式保護電路將被淘汰。

2 42V 電源系統的優勢

由功率計算公式p ＝IU 可知，對于14V 電源系統，為大功率用電設備和裝置提供足夠的電能，就必須提高蓄電池或發電機的輸出電流，而低電壓大電流的輸出勢必會損害蓄電池，降低蓄電池的壽命；同樣低電壓大電流的輸出還會降低爪極式發電機的效能。因此，提高蓄電池和提高發電機電壓是滿足更多電氣電子設備用電需求的有效途徑。

那為何電壓為42V 而不是60V 或者100V 甚至更高呢？因為人體的安全電壓是50V，若超過此電壓，需要改善絕緣措施，這樣勢必會增加成本和重量，因此，選擇42V 電源系統既可以滿足安全用電要求，又可以提供足夠的電能滿足大功率用電設備的用電需求。

具體講42V 電源系統主要有以下五方面的優勢：

(1)工作電壓，安全可靠

歐洲的安全法規定人體安全電壓為50V。超過系統電壓60V，必須要有一個專門布線的絕緣措施，這將增加系統的重量和成本。因此，42V 電源電壓的選擇，即能滿足能源需求，還會像傳統的12V 電源系統，當接觸電極或金屬體也不會構成對人類安全的威脅。

(2)減少汽車線束成本

例如一輛現代汽車擁有長達2 公里的導線、2000 多個線頭和350 多個集線器。而采用42V 電源系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 系統的電流只有14V 系統的1/3，這樣就大大降低了電機及電力元件的電流負荷，也使導線及功率元件的傳輸損耗降低為原來的1/9，還可減小導線截面積從而降低重量。

3 42V 電源系統的設計方案

由于42V 電源系統涉及到的產品技術改造范圍廣范，所以反對升級的也很多，特別是零部件供應商。因為產品的變化會增加生產成本，所以，作為過渡階段的42V/14V 雙電壓運行模式系統的方案，正越來越多的被人們所關注。

在汽車行業，由于現有的雙電壓系統對汽車零部件制造商的影響小，因此被作為首選的方案。如圖雙電壓系統中所示，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 個不同電壓等級的蓄電池（12V 和36V）。

雙電壓系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，如燈光與信號、儀表與報警、電動雨刷等輔助電器采用14V 電源供電；而大功率用電器如發動機、底盤、車身電子控制等電器則直接采用42V 的電源供電。交流發電機經整流調壓后得到的42V 電壓供給高功率負載并對36V 蓄電池充電，而42V 電壓經DC/DC 變換器（直流變換器）之后為l4V 中小功率用電器電氣系統供電并對12V 蓄電池充電。

4 結論

（1）就像上世紀50 年代將6V 電源升級至現行的12V 電源一樣，目前汽車電源系統由14V 電源向42V 電源系統發展已經是必然的趨勢。

（2）作為過渡階段，對42V/14V 雙電壓系統的研究將會是汽車界最近時期的一個研發熱點。

（3）42V 汽車供電系統標準的實施，將對汽車電器與電子設備帶來巨大的沖擊，同時也會給整個汽車界帶來新一輪的技術革命。

圖 42V ∕14V 雙電壓運行模式

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