42V汽车系统――您准备好了吗?

上网时间: 2004年04月03日? 作者:?S守隆? 我来评论 【字号: ? ?小】

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最近20年来,人们对环境、安全性、舒适性和性能方面日益增长的要求导致了许多新功能的发明,这些功能的实现只能依靠智能电子手段来完成。随着科技的进步,人们对系统控制精密度的要求也在逐步增加,因此越来越多的机械/水力/风力驱动器被电子机械式装置所取代。

这一趋势亦在汽车工业得到了体现。在五十年代中期,汽车上的电子部件寥寥可数:由燃料发动机驱动的底盘、点燃发动机的电子点火器、可以给电池充电的交流发电机、点火用的升压线圈变压器和一些指示用的灯。12V直流电池系统在那时被视为汽车工业的标准。

如今,一辆典型的客车必须能在满载时达到1kW功率。更加豪华的、具有连续载荷的车辆,倘若其载荷功能同时启动,需要的功率必须达到2.8kW。如果将这样大的功率需求映射到14V充电系统中,相当于交流发电机产生200A的大电流。最近几年,随着汽车对电量和功率的需求不断加大,12V系统的性能已经达到极限。当全球的汽车专家意识到,需要一种方案来解决未来汽车日益增长的功率需求时,42V标准正成为人们谈论的焦点。

希望与挑战并存

42V系统具有很多优于12V系统的特点。首先,流过电线的电流可减小到1/3。对于半导体工业来说,更低的电流需求意味着硅成本的降低。英飞凌科技的一项研究表明,如果电流减小3倍,芯片面积会有潜在的20%的减少。更小的芯片尺寸意味着更小的封装可能,而在半导体工业中则意味着更低的成本。42V汽车系统――您准备好了吗?_表1:42V相对于12V系统的优点示例_1

其次,42V系统还要求缩小电线尺寸,而采用更小尺寸的线束将会给汽车工业带来客观的利益。从可制造性上来说,更少、更灵活的线束的布局和安装会更加简单和快捷。当通过单线束总线的方式来为各个负载提供电源供应时,多路线束架构将成为赢家。

不仅电线的数量和尺寸可以减少,电子负载/电机的尺寸也可以缩小,如驱动电动窗 、电子锁、自动座位和散热器风扇的轻型电机,这意味着汽车的总重量也能得到减少。

除此以外,42V系统还能带来更多的好处,包括燃料的节约、更高的性能和许多客户定制的功能。随着高功率需求的器件现在可以给予大功率支持,电子驱动的起动器-交流发动机、交流压缩机、内部空气加热器、催化剂加热器、油泵、水泵、涡轮发动机,以及线控驾驶(X-by-wire)、悬吊系统和动力方向盘等系统,正向实用化逐渐迈进。引擎负载的减少再加上避免使用有损耗皮带轮,可以获得更好的燃油效率。

然而,实施42V系统将会遇到的困难也是显而易见的。因为目前大多数汽车部件都是为12V系统设计的,例如灯泡、电磁真空管、直流电机、点火线圈、加热器和其它无源器件等。如果没有校准或是某种PWM控制电路,都不能在42V正常工作,因此必须采取各种措施来使它们能够适应高电压。

而整个电子系统也需要重新设计来重新规划功率分布,包括保险丝和电缆尺寸规划。当系统电压攀升到一个更高值,交流发电机的负载突降特性也会改变。虽然当前许多12V电子模块设计都带有负载突降保护,但它们不能在42V充电系统中免遭瞬时电压尖峰信号的影响,因此系统开发商需要评估交流发电机的集中式负载突变保护功能是否有效。

从技术上讲,42V电压在机械开关接触点上会看到电弧。这样的电弧如果不改变接触点材料,或者改变开关速度和开关间隙来控制的话,会在很短的时间内对开关造成严重损坏。机械继电器、开关、保险丝、连接器和电刷直流电机,都必须寻找合理有效的解决方案。再举一个例子:灯泡和灯丝在12V时工作效率最高,即使能够制造出工作在42V电压下的灯泡,但要想让灯丝在42V时达到同样的亮度,就必须把灯丝做得更细,以获得更高的阻抗。然而又细又薄的灯丝极易在振动中折断。

除此以外还有许多问题尚待解决:电子模块的输入和输出都必须有额外的保护电路;输入电压嵌位电路必须能够处理更高的电压尖峰信号,功率器件必须能处理更高电压的转换,雪崩击穿电压需要重新定义;DC/DC转换器通常为了数字电路的正常工作而把输入电压逐步降低到5V或3.3V,而电源输出级将被升级换代,以适应即将到来的42V电压轨,这通常意味着为感性反向嵌位电路的额定电压为60V甚至更高。

42V系统的加速发展

由此可见,要想在一夜之间直接从14V系统转换到典型的42V系统并不现实,因为这需要整个产业界一起前进,实现变革。但对多数元器件供应商而言,投资新兴市场比较冒险,这需要极大的勇气。因此只有少数拓荒者才能够占领市场制高点,进而在利润、技术和经验方面取得利益。可这并不意味这些开拓者就应当为此而做准备。

在通往42V系统的过渡时期,主要汽车制造商都选择采用14/42V的双电压系统。全球第一辆随车携带42V电网的轿车已于2001年由丰田Crown Royal投放市场,但它实际上采用的是14/42V系统。第二辆42V系统汽车很快将从通用汽车公司诞生,这是一辆SUV汽车,它将集成一个工作于42V的发动机启动器,还带有由42V驱动的、交流输出为110V的电源插座。这种汽车将从今年开始大规模生产。

但对于许多人来说限制42V汽车观念是一个思维倾向。除非能够看到下一代汽车日益增长的功率需求问题,否则这个转变的广泛接受还需要一段时间。至少从目前看来,12V系统性能似乎比5年前预测的有所延伸,也没有明显的迹象表明何时12V高功率应用将走到尽头,何时42V应用会开始被广泛接受。

42V系统的发展、引入、接受、收集和成功似乎是DVD技术的镜像。随着DVD播放器开始代替VHS录像机,同样的情况最终也会发生在42V和12V系统上。尽管42V系统的确切繁荣点还不明确,但是为了不在竞争的大浪中落后,许多厂商仍旧在努力制造它们的42V兼容产品。您准备好了吗?

作者:?S守隆


英飞凌科技亚太有限公司


汽车与工业


汽车电子市场部经理


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