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汽车42V电源系统的技术现状及发展趋势


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第 1   9卷 第 6 期  20 0 5年 1 月 1  

山 东 理 工 大 学 学 报 ( 然 科 学 版) 自  
J u n l fS a d n   i e st   fTe h o o y S i o r a o   h n o g Un v r iy o  

c n l g ( c    Te h   c)

Vol 1  N O 6 _9 . 
No v. 20   05

文章 编号 :6 2 6 9 ( 0 5 0 — 1 7 0  1 7  1 7 2 0 ) 6 0 0 — 4

汽 车 4  电源 系统 的技术 现状 及 发 展 趋 势    2 V
曲金 玉  ,任 国军 ,杨 久 青。  
(. 1 山东理 工 大学 交通 与车辆 工程 学 院, 山东 淄 博 2 5 4 ; 5 0 9 
2 东营 技术 学院 , . 山东 东 营 2 7 9 ) 5 0 7  摘  要 : 绍 了汽 车 4 V 电源 系统 的应用发 展状 况 , 出从 1 V 电源 系统到 4 V 电源 系统 的 介 2 指 4 2   转换 是 当今 汽 车技 术发展 的一个 重 要趋 势 , 析 了 4 V 电源 系 统 的 系统 结构 设 计 问题 , 分 2 并讨  论 了这些 问题 的解决 方 案.  
关键词 : 2 汽车 ; 4 V; 电源 系统  中图分 类号 :U2 O 3  7. 8 文 献标 识码 :A 

Te h c ls a u   nd de e o c ni a   t t s a   v l pm e t t e dso  he n  r n   ft  

a t m o i e 4   p we   y t m s uo tv    V  o r s s e   2

QU i— u , E   oj n , Jn y   R N Gu —   YANG Juqn 。   u  i—ig  
( _ c o l fTr n p r  n   h c e En i e rn ,S n o g Un v r i   fTe h o o y. 1 S h o    a s o ta d Ve il  g n e i g ha d n   i e st o  c n lg   o y Zb 5 0 9 i o 2 5 4 ,Ch n ; . n y n   c n c lS h o , n yn   5 0 7 C i a   i a 2 Do g i g Te h ia  c o l Do g i g 2 7 9 , h n )

Ab t a t Tr nston f o t   V  o r s s e t   he 1 V  we   ys e i  n i sr c : a ii   r m  he 42 p we   y t m  o t     po r s t m  s a  mpo t n   4 ra t t e d i   h   v l m e   fa t motve t c no o   o y r n  n t e de eop nto   u o i   e h l gy t da .The d v l p e to   he 4 V  l c    e e o m n   ft   2 e e — t i  o r s t m  o   h c e a lc ton   s i t o c d. The s s e a c ie t r   o e s rc p we   ys e f r ve il  pp ia i s i  n r du e   y t m  r h t c u e pr blm   a s i t d wih t   V  l c rc p s oca e   t   he42 ee ti  owe  y t m  r   n y e r s s e a e a al z d,S uton   o t s   ob e   r   ol i s t   he e pr l ms a e a s   i c s d. lo d s us e   Ke   r s:4 y wo d 2V ; ut m o l ee t ia  owe   y t m  a o bie; l c rc lp rs s e

目前汽车 上 普遍 采 用 的 1 V 电源 系统 已有 近 5 4 O年 的历 史 , 随着 汽 车 电器设 备 与 电子 控制 技 术 的 

广泛 应用 , 现有 的 电源 系统 已难 以满足 对更 高 电功 率 的需 求. 为解 决 这一 问题 , 采用 具 有 更高 工 作 电  应 压 的 电源系统 . 考虑 到安 全 、 费用及 其他 各种 复杂 的 因素 ,2 电源技术 是 一个理 想选 择. 4V  

1 4 V 汽车 电源 系 统 概 述    2
1 1 4 V 电源系统 的 由来  .  2

1 V的 电 源 系 统 最 多 只 能 提 供 3 5 W 的 功 率 … . 来 1 年 内 , 车 用 电 设 备 的 总 功 率 将 达 到  4 .  k 未   0 汽

收稿 日期 :2 0 一o O   0 5 3一 2

作者 简 介 :曲金 玉 (9 1 ) 男 , 教 授 , 士 生 导 师  16 一 , 副 硕

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山 东 理 工 大 学 学 报( 然 科 学 版) 自  

5 W 以上 , k 如果 仍 沿用传 统 的 1 V 电源 系统 , 常工 作 电流将 达到 2 0 0 A, 4 正 0  ̄3 0 这会使 整 车线束 和 电器  部 件的成 本大 幅度 提 高. 汽车 电压 升级 到 4 V 可 以解 决 这 一 矛盾 . 择 4 V 作 为升 级 电压是 基 于 以  将 2 选 2
下 两个方 面 的考虑 :  

1 人 体所 能接 触 的安全 电压 的上 限是 直流 6 V, ) 0 采用 4 V 电压 ( 虑到 电压 波 动 的裕量 ) 以免 去  2 考 可
额 外 的绝 缘设 计 , 而 降低成 本 . 从  

2 从 理论 上讲 , ) 传输 同样 的功率 ,2 系 统 的电流 只有 1 V 系统 的 三分 之一 , 样 就 降低 了 电机及  4V 4 这 电力 元件 的 电流负 荷 , 也使 导线 及功 率元 件 的传输 损耗 降低 为 原来 的近 九分 之一 , 并且 可 以减小导 线截 
面 积 以降低重 量.   早在 2 0世 纪 9 0年 代 , 国便成 立 了车载 电源 论 坛 , 员 有 大 众 、 德 成 奥迪 、 马 、 宝 欧宝 和保 时捷 等 汽 车 

公司, 该机 构 主要从 事 4 V 电源 供 电规 范 的标 准 化 研 究 , 出 了 1 V/ 2 双 电压 供 电系 统 的 规 范 草  2 提 4 4V
案. 另外 , 特 公 司与麻 省理 工学 院也 发起 组织 了 MI / 福 T 工业联 盟 , 员 包括 通 用 、 成 戴姆 勒 一奔 驰 、 马 、 宝  

雷诺 、 尔沃 、 门子 、 世 、 沃 西 博 摩托 罗拉 、 尔福 等知 名 汽 车商 、 部件 商 及 电子 电讯 商 , 组 织 主要 是 研  德 零 该
究 1 V/ 2 双 电压供 电系统对 汽 车 电器与 电子设 备 的影 响及 实 现方 法. 推 动这 一 工 作发 展 , 国汽  4 4V 为 美

车工 程学会 ( AE 还专 门成 立 了双/ 电压 车辆 电子 系统委 员会 . S ) 高  
目前 ,2 电气 系统结 构 已经得 到 了国 际汽 车工 业 界 的认 可 , 已在 一 些 车辆 上 被 采 用 , 沃 尔 沃  4V 并 如 公 司的 ¥ 0和福 特公 司的混合 动 力车 E po e. 8 x lrr   1 2 4 V 电源 系统 的优点  .  2

1 采 用 4 V 电源 系统提 高 了 电源 的功 率 , ) 2 使大 量 高新技 术在 汽 车上 的广 泛应 用成 为可 能.  
2 采 用 4 V 电源 系统 为 车辆 的结构 改 进 提供 了更 大 的可 能 性. ) 2 例如 , 动 机 的一 些 附件 可 以直 接  发

由新 的电源 系统 驱动 , 从而 减少 了空 转 消耗 , 提高 了 能 源利用 效 率 ; 些部 件也 可 以从 发 动 机 中分 离 出  这 来, 减少 发 动机 的部件 数量 , 改善 设 计 , 高发 动机 的效率 ; 于 电动制 动 系统 , 电源直接 驱动 , 以省  提 对 由 可
去 液压 或气压 系统 , 来更 好 的驾驶 舒适 性 和更好 的燃油 经济 性. 带  

3 采 用 4 V 电源 系统 为发展 混 和动力 车创 造 了条 件 . 用 4 V 电源 后 , 以实 现 在低 速 行驶 时 由 ) 2 采 2 可   电源直接 驱 动 电动机作 为 汽车 的 动力源 , 在交 通 管制 路 口等 待 信 号时 可 以方便地 切 断 电源 , 避免 了怠速 
工 况 , 少 了汽 车 的排 放 污染. 减  

2 双 电压 ( 2 4 V ̄1 V) 案  4 方
4 V 电源 完全取 代 1 V 电源还 需要 走过 一个 较 长 的历史 过程 , 2 4 因为 只有 当所 有 汽 车零 部件 制 造 发  展到 4 V 时 , 种单 电压 电源 系 统 才 能被 引入 . 完成 这个 过 渡 , 多 厂 家 主 张采 用 一 种 “ 元 电源 ” 2 这 为 许 双  
技术  .   2 1 1 V/ 2 双 电压方 案 的 内容  .  4 4 V

在双 电压技 术方 案 里 ,4 电源 和 4 V 电源 可 以并 存使 用 , 中 1 V 电源 向功 率 较 低 的用 电装 置  1V 2 其 4
( 例如 照 明灯 、 表 、 动 机 电 子 控 制 等 ) 电 , 2 电 源 向 较 大 功 率 电 器 装 置 ( 均 功 率 在 4 0 仪 发 供 4V 平 0 ~  10W ) 电 , 00 供 这些 装 置包 括三 元催 化转换 加 热器 、 风玻 璃加 热 器 、 挡 电气悬 架等 .  

1 V/ 2 双 电压变换 过 程如 下 : 流发 电机 输 出 4 V 高 电压 , 助 一个 DC D 4 4V 交 2 借 / C变 换 器 ( 直流 变 换  器 ) 由 4 V 变换 1 V. 这个 系统 中 , C D , 2 4 在 D / C变换 器将 供 电系 统分 隔 为 两个 具 有不 同电 压等 级 的供 电  系统 , 降压外 , 除 它还在 整个 电气 系统 电能 分配 管理 中起 到重 要 作 用. 1是 汽 车 双 电压 供 电方 案 的 系  图
统结 构 图.  
2 1 双 电压供 电 系统存 在 的 问题  .

由于两 种不 同 电压的 电源是 完 全分开 的 , 它们 各 自需 要 一个 蓄 电池 组 , 而增 加 了车辆 附加 承 载 , 因  
占用 了更 大空 间 并增 加 了造价.  

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第 6 期 

曲金 玉 , : 车 4 V 电源 系 统 的 技 术 现 状 及 发 展 趋 势  等 汽 2
4 V 流总 线  2直 1 V 流 总 线  4直

19 0 

BI 6 : V储 能系 统  3

B2 I Vf :2  ̄能系 统 

图 1 1 V/ 2 双 电压 电源 系统 结 构    4 4V

另外 , C D D / C变换器 产生 的 电磁干 扰 、 电压 瞬态现 象及 抑制 控制 方法 、 电压 电器 系统 在 车辆 运  高 双 行 时的功 率流 向及 分配 问题等 也是实 际应 用 中需要解 决 的 问题 .  

3 4 V 单 电压 方 案    2
4 V 单 电源系统 的应 用将影 响 整个汽 车 电器 系统 的结 构 及特性 , 主要包 括三个 方 面的 内容 , 2 这 即汽 

车 电源 、 电设备 和 配 电系统. 用  
3 1 汽车 电源  .

汽车 电源包 括 蓄电池 和发 电机. 开发 高 能 蓄 电池 是 4 V 电源 技 术 的一 个 重要 组 成 部分 , 应 用 交  2 而
流发 电机输 出 4 V 的高 电压更 是 现在 多数汽 车生 产厂家 研 发 4 V 电源技 术 的切人点 . 2 2 当前 主要 有 3种  发 电机 可供 选择 :  

1 永磁 电机. ) 永磁 电机 具有很 高 的能量转 化 效率 和扭矩 , 是永磁 材料 昂贵 , 但 其造 价很 高 , 且永 久  并
磁铁在 高温 或短路 的状 态下 的去 磁也 是在应 用 中存 在 的问题 .  

2 感应 电机. 的优点 是结构 简单 , ) 它 维护 简便 , 控制 技术成 熟 . 缺点 是体 积大 , 恒功 率调 速范 围窄 , 而  且 起动 电流 大 , 逆变器 功率 元件 要求 较高. 对   3 开关 磁阻 电机. ) 它也 能提供 较 高的效率 和扭 矩 , 且结 构 简单 , 间耦 合 小 , 有 优 越 的高 速性 能 , 相 具   但 其驱 动 电路 特殊 、 成本 高 , 还会 产生很 高 的噪声 和震 动.   最终 的电机选 择将依 赖 于功 率等级 、 电机 及 驱动 电路 的成 本 、 电机 与发 动机 的耦合 方式 以及 系统 性 
能 的全 面考虑 .  

集成 式起 动机/ 电机 系统 (ne rtdsatratrao , S 也是 4 V 电源 系 统研 究 中的 一个  发 itgae tre/ l n t r I A) e 2

热 点 , 一技术 可实 现发 动机 的起 一停控 制 以及通 过制 动能量 再生来 进 一步 提高 车辆 的燃 油经济 性  . 这   目前 德 国的 B C 公 司 已经开 发 出一 种 曲轴 一起 动机 一发 电机综 合 系统 ( r ewei — tre— e — OS H Kub l l nS atrG n  e eao e , KS , 同时起 到起 动 机 、 电机 和飞 轮 的作 用 . 系统 具 有 较 高 的 电功 率 ( rtrn 即 G) 可 发 该 额定 电压 为 
4 V 的发 电机 功率 可达 1 k ) 能 够满足 一些 大功率 装置 对 电力 的需要. 2 4W ,  
3 2 用 电设备  .

实施 4 V汽 车 电气 系统新标 准 , 会 使 汽 车 电器零 部 件 设 计 和结 构 发生 重 大 的变 革. 2 将 一些 零 部 件 

将需要 进行 优化 设计 , 一些 零部件 将 会被淘 汰 , 比如 现在 的连接 器 、 断路 器 和继 电器 在 4 V 系统 下未 必  2
可 以取 得 最佳性 能. 因此 , 制造 商必 须重新 评估 设备 与 高 电压 系统 的 匹配 性 , 时还 必 须 对产 品 的性 能  同
进行全 面 检测.  

对 于汽车上 大量 的 电控装置 ,2 电源 系统 主要影 响 的是其 执行 机构 ( 4V 如微 型 电机 、 电磁 阀等 )在 新  .
的 电源 系统 下 , 必须 对 电控装 置的执行机构进行 改进设计 , 其额定 电压为 4 V, 功率降 到 1 以下. 使 2 而 W  
3 3 配 电系统  . 

图 2所示 为 4 V 汽车 电源 系统 的结 构简 图. 2  

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山 东 理 工 大 学 学 报( 然 科 学 版) 自  

动 力 总线 

圈 2 4 V 单 电 压 电 源 系 统 结构    2

在 4V 电源系 统 中 , 2 采用 的是 单线 多 路 传 输 的 总线 结 构  . 这 种 配 电 网络 中 , 个 计 算机 、 制  ]在 各 控
器 是通过 数据 总线 来 连接 的 , 条数据 线上 传递 的信息 可 以被多 个 系统共 享 , 一 而各个 负 载都 由远程控 制  模 块来控 制 . 因此 , 线束 中导 线 的数量 和长 度都 大 为减 少. 另外 ,2 电源系统 中还 设有 一个 能量 管理 中  4V 心 , 主要功 能是 调 节各负 载 的 占空 因数 以降低 峰值 功 率 , 外 它 还负 责 蓄 电池 的管 理 、 载管 理 以及  其 另 负
起 动机 / 电机 系统 的管理 等. 发  

4 结 束 语 
汽车 电源技 术 由传统 的 1 V 标 准 向 4 V 转 化 已是汽 车工 业发 展 的必然 趋 势. 文 主要 介绍 了汽车  4 2 本 4 V电源 系统 的发展 情况 , 结 了其研 究现状 及 成果 , 探讨 了用 于 汽车 4 V 电源 系统 的结 构方 案. 2 总 并 2  
参 考文献 :  
[ 3Mie  M, ma i R jrt nm    1  l r   E d  lJ A, aaah a A V,e 1 urn tts n uu e rn s nmoeeet c a o r ytmsA] rc 9h t .C re t au  dftr  e d    r lcr   rp we  se [ .P o.4 t  a s a t i ic s
I E .Ve i lrtc nlg  o frn eC] EE hc a eh oo ycnee c[ .Ho so ,T I E   rs,9 9 ( ) 62 . u utn X:E E P es1 9 ,4 :1—0  

E ]MulrS Pa  2 l   , fbX.C nieain  lme t ga ul otg o r ewok A .I E —AE nen t n lo frneo   a so— e o s rt smpe ni    a v l ep we  t r[ ] E E S .Itr ai a cneec nt np r  d o i n d   a n o   r
rt neet nc[ ] ai  lcr isC .Ne   ok: oi yo  tmoieE gn es 9 8 ( ) 4 —2 o o w Y r S c t f e Auo t   n ier,1 9 ,2 : 15 . v  

[ ]DetnD S 3 no    .Vaibesi ce uecnrl o  tgae  tre  eeao q ip dh bi e i e[ .S sin tS   uue r l hf sh d l o to fri ertdsatrgn rtre up e  y r vhc s A] es sa  AE F tr  a t     n d l o
Trnp rainTeh oo yC neec [ .Ne Yok oit fAuo tv  n ier,2 0 ,1 ) 94 . a sott   c n lg  o frn eC] o w  r :S ceyo  tmoieE gn es 0 1 ( 1 :3—4   [ ]德 国 B C 公 司 . OS 4 OS H B CH 汽 车 工 程 手 册 [ . 柏 良译 . 京 : 京 理 工 大 学 出版 社 ,0 4 M] 顾 北 北 20.  


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