（电力电子与电力传动专业论文）混合动力汽车42v电源系统研究.pdf

江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t m o r et h a n1o oy e a r sh a sp a s s e ds i n c em o t o r sv o l u m e p r o d u c e d d u r i n gt h i s p e r i o d s t r i k i n ge v o l u t i o nh a sb e e na c h i e v e di nv e h i c l ee l e c t r o na n de l e c t r o m o t i o n h o w e v e r , e l e c t r o c a p a c i t ya c c o r d i n g l yi n c r e a s e sq u i c k l y s o m ee x p e r t se s t i m a t e dt h a t e l e c t r o c a p a c i t yd e m a n d sw i l lr e a c h1o k w ja n dc u r r e n tw i l li n c r e a s et h r e et i m e si n 2 0l0 i fc u r r e n ti sn o ti n c r e a s e d t h em o s te f f e c t i v em e t h o di st oi m p r o v ep o w e r s u p p l yv o l t a g ew h i c hm a ya sw e l lb ec o n t r o l l e dw i t h i nd c 6 0 v , s o4 2 vi sj u s ta s o l u t i o n i fp o w e rs u p p l yi s4 2 v ，l e a dd i m e n s i o nw i l lb em i n i s h e dw e i g h tw i l lb e l i g h t e n e d s oc o s tw i l lb er e d u c e d t h e4 2 v l4 vd o u b l ev o l t a g ep l a nh a sb e e na d o p t e di nn e w 4 2 ve l e c t r i c a ls y s t e m t h i sp l a nh a st h es l i g h ti m p a c to nt h ep r e s e n te l e c t r i c a ls y s t e m ，f u r t h e rm o r e ，t h e t r a n s i t i o ni sg e n t l e b a s e do nt h ed o m e s t i ca n df o r e i g nc o r r e l a t e dr e s e a r c h t h i sa r t i c l e h a sc o n d u c t e dt h es y s t e m i cr e s e a r c ho nt h et e c h n o l o g i c a ld e v e l o p m e n to ft h e 4 2 v l4 vd o u b l ev o l t a g ee l e c t r i c a ls y r s t e ma sw e l la st h ep r e s e n ts i t u a t i o n t h em a i n r e s e a r c hc o n t e n t sa r ea sf o l l o w s ： f i r s t t h er e a s o n so fv o l t a g er i s i n go fm o t o rp o w e ra r ea n a l y z e di nt h i sa r t i c l e d o m e s t i ca n do v e r s e a sa c t u a l i t i e sa r ei n t r o d u c e d i n f l u e n c eo fn e w4 2 va u t o m o b i l e e l e c t r i c a l p o w e rs y s t e mo nm o t o ra c c u m u l a t o r si s d i s c u s s e d c h a r a c t e r i s t i c so f v e h i c l e u s e da c c u m u l a t o r sa r er e c o m m e n d e da n dp l a n so fs e v e r a la c c u m u l a t o r sa r e c o m p a r e d b e c a u s e4 2 va n d14 vc o e x i s t v a r i o u sd cc o n v e r t o r se x i s t t h es t r u c t u r e a n dp r i n c i p l eo fd c d cc o n v e r t o r sa r ea n a l y z e di nt h i sa r t i c l ea n dt w od c d c c o n v e r t o rm o d u l es c h e m e sw h i c ha r eh i g hf r e q u e n c yc h o p p e dw a v ea n dd u p l i c a t es o f t s w i t c ha r ed e s i g n e d s e c o n d l y , c h a r a c t e r i s t i c so f4 2 vi n t e g r a t e ds t a r t - u pg e n e r a t o rs y s t e mi n s t a l l a t i o n o ft h em i x e dd r i v i n gm o t o ra r ei n t r o d u c e d a n di t sw o r kp r i n c i p l ea n dc o m p o s i t i o na r e r e c i t e d o n ek i n do fd e s i g ns c h e m eo fis gs y s t e mi sp r o p o s e d o nt h eb a s eo ft h e o r y r e s e a r c h ，t h ee x p e r i m e n tp l a t f o r mi se s t a b l i s h e da n ds t a r t e de x p e r i m e n td e b u go ft h e p e r m a n e n tm a g n e ts y n c h r o n o u sm o t o ra r ec a r r i e do u t ，a n dt h ef e a s i b i l i t yo fi s g s y s t e ma n dh a r d w a v ed r i v i n gw h i c ha r ed e s i g n e di nt h i sa r t i c l ei sv a l i d a t e d f i n a l l y , t h eh i g h e r 仃a n s i e n ts t a t e h i g hp r e s s u r e a n dm o r ei n t e n s e e l e c t r o m a g n e t i ci n t e r f e r ew i l lb ep r o d u c e db yt h er i s i n gv o l t a g e 1 1 1 er e a s o na n d s u p p r e s s i o nm e t h o do ft h e ma r ea n a l y z e db r i e f l yi nt h i sa r t i c l e a tp r e s e n t i ti st h ei n e v i t a b l et r e n dt h a tt h ea u t o m o b i l ee l e c t r i c a lp o w e rs y s t e m h a sd e v e l o p e df r o m14 vt o4 2 v a st h et r a n s i t i o n a ls t a g e t h er e s e a r c ho nt h e 4 2 v 14 vd o u b l ev o l t a g es y s t e mc o u l db e8 1 1i m p o r t a n tc o n t e n to na u t o m o b i l ei n d u s t r y i nr e c e n tt i m e t h e4 2 va u t o m o b i l ep o w e rs y s t e ms t a n d a r di m p l e m e n t a t i o nw i l lb r i n g h u g ei m p a c to nt h ea u t o m o b i l ee l e c t r i ca p p l i a n c e sa n dt h ee l e c t r o n i ce q u i p m e n t s ， s i m u l t a n e o u s l yw i l lb r i n gt h en e wt e c h n o l o g i c a lr e v o l u t i o nt oe n t i r ea u t o m o b i l e i n d u s t r y k e yw o r d ：4 2 ve l e c t r i c a ls y s t e m ，d c d cc o n v e r t o r , i n t e g r a t e ds t a r t - u pg e n e r a t o r , p e r m a n e n tm a g n e ts y n c h r o n o u sm o t o r ( p m s m ) 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部 内容或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密。 学位论文作者签名： 鹚y 率 签字日期叩7 年多月夕同 导师签名： 签字嗍吁6 月7 同 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容以外，本 论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本 文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 _ 彳 ，诌 日 轹 哆 捌 月 者 5 作 年 汜 渤 位 期 学 日 江苏大学硕士学位论文 1 1 前言 第一章绪论 现在的汽车1 4 v 电气系统，其蓄电池的额定电压为1 2 v ，但是实际的系统 电压是1 4 v ，因为1 2 v 蓄电池在浮充状态下表现为1 4 v 的电压。浮充是蓄电池 组的一种供( 放) 电工作方式，系将蓄电池组与电源线路并联连接到负载 电路上，它的电压大体上是恒定的，仅略高于蓄电池组的断路电压，由电 源线路所供的少量电流来补偿蓄电池组局部作用的损耗，以使其能经常保 持在充电满足状态而不致过充电；蓄电池组可随电源线路电压上下波动而 进行充放电。因此，所谓的1 4 v 电气系统，和1 2 v 电气系统只是说法上的不同。 而随着工作条件的不同，现今汽车电气系统的电压可能在6 5 1 6 v 之间变动， 即以不同程度的纹波叠加在平均值上。当发动机运转时，由发电机对蓄电池充电， 使构成蓄电池的6 个额定电压为2 v 的蓄电池单元每个被充电到2 3 v 左右，6 个 蓄电池单元串联其电压之和接近于1 4 v ，故交流发电机在电子电压调节器作用下 输出的直流电压被设定为1 4 v 。这就是导致在蓄电池两端的电压在发动机运转时 要比发动机停止时高些的原因，对汽车电气系统的设计人员来说，实际要处理的 电压是1 4 v 。 1 2 汽车电气系统升压的原因 早期的汽车电气系统比较简单，只有汽油机的点火系统，起动系统以及灯光 信号系统。2 0 世纪4 0 年代末，半导体器件问世以后，电子技术在各方面得到日 益广泛的应用。2 0 世纪6 0 年代初，采用半导体整流元件的交流发电机首次应用 在汽车上，汽车电子技术开始起步。随后，各种汽车电子装置开始取代传统的机 械装置，各种汽车电子控制系统也不断出现，汽车电子技术成为解决汽车工业面 临的许多技术问题的最佳方案，汽车的电气系统也变得日益复杂。发动机电子点 火，电子控制燃油喷射，防抱死制动系统，主动悬架，电子自动变速器，安全气 囊，车用空调等等一系列技术已经成熟，并成功地应用于各种汽车上，使汽车的 性能和质量都有了明显的提高。此外，电子系统相对于机械或液压系统有许多优 江苏大学硕士学位论文 点，现代汽车中大量采用各种电气电子设备束取代传统的机械或液压设备，这就 导致现今大部分汽车电气系统的的负荷大约为1 5 2 k w ，这已经是目前1 4 v 电 气系统所提供的电气负荷的极限。 表1 1 电气部件负荷 序号名称 峰值负荷序号名称峰值负荷 l 电气制动 2 0 0 0 w1 3 电子信息 1 0 0 w 2 电气转向 1 8 0 0 w 1 4 电动空调压缩机 4 0 0 0 w 3 后窗除霜 1 5 0 0 w1 5 挡风玻璃加热 2 5 0 0 w 4 电动散热风扇 8 0 0 w1 6 方向盘加热 1 2 0 w 5 前库椅加热 2 0 0 0 w1 7 a b s 油泵 6 0 0 w 6 主动悬架 1 2 0 0 0 w1 8 动力i 、j 锁 4 0 0 w 7 车灯 6 0 0 w1 9 动力门窗 7 0 0 w 8气泵 4 0 0 w2 0 动力座椅 1 6 0 0 w 9雨刮 3 9 0 w2 1 动力天窗 2 0 0 w 1 0 催化剂加热 3 0 0 0 w2 2 挡风玻璃泵 1 0 0 w 1 1 电动气门 3 2 0 0 w2 3 行李箱开关 2 0 0 w 1 2 发动机冷却水泵 5 0 0 w 随着电气装置的不断增多，对电源功率的需求也逐渐增加( 见表1 1 ) 。另外， 当前普遍使用的燃油发动机汽车存在种种弊病，统计表明在占8 0 以上的道路 条件下，一辆普通轿车仅利用了动力潜能的4 0 ，在市区还会跌至2 5 ，更为 严重的是排放废气污染环境。随着人们对环保问题的f 1 益关注，各国法律对于汽 车排放性能，燃油经济性的要求越来越严格，为了满足这些要求，未来的汽车制 造商必将在汽车上应用更多更复杂的电子设备。根据美国v i s t e o n 公司的统计和 预测，今后几年内，汽车上电气设备的用电功率将达到1 0 k w 。因此在现有汽车 电气系统的基础上提高其负荷容量成为必然选择，但是这种方法受到很多方面的 制约：根据研究表明，现有的爪极式交流发电机要想提高其输出功率，将导致电 机的体积增加和效率降低：1 4 v 电气系统电压下要想提高系统负载功率，将导致 电流增加，这就要求使用截面积更大的电缆和导线，这将占用汽车内宝贵的空间， 增加汽车的重量并降低了汽车的燃油经济性。由于电流不能任意加大，为此，提 高汽车电气系统的电压作为一种解决方案便浮出水面。在4 2 v 车用电源中，电 流强度并非很大，仍可采用较轻的电缆线，因此功率损耗相对较小。 2 江苏大学硕士学位论文 19 9 6 年以后，德国的s c i w o r x ( 原来的s i c a n ) 开始有组织的进行电压变更的讨 论，1 9 9 8 年1 0 月，世界著名汽车及零部件厂商在美国底特律丌会，一致赞同将 4 2 v 下一代汽车标准电源的方案。接着s c i w o r x 和f o r u mb o r d n e t z 开始了对4 2 v 电源标准的讨论。 电压改动是牵一发而动全身的事情，它将涉及整个汽车电气系统的技术改 进，还涉及到汽车配件供应商和配套商的利益问题。目前制造的大量汽车电子部 件不能在4 2 v 电压下使用，例如车灯照明只能在1 4 v 电源下才能达到足够的使 用寿命。而且安全问题同时也被提了出来，绝缘和保险设置的标准都要重新制定。 而只有当大量的部件都适应4 2 v 车用电源的时候，才能大批量生产纯4 2 v 的车 用电源。 1 34 2 v 汽车电气系统对传统汽车业的影响 4 2 v 汽车电源系统标准的实施，将使汽车电器零部件设计和结构发生重大的 变革。某些部件将要进行优化设计，某些部件将被淘汰，同时，还将开发和生产 一些新技术产品。在4 2 v 电气系统自身诸多优点的同时，它还有一些在汽车新 的电气系统设计制造中不得不考虑到的缺点。 1 3 14 2 v 电气系统的概述 ( 1 ) 线束直径大大减小 按照预计的如果达到1 0 k w 的功率，由p = u 1 2 公式，电压值不变，由公式得 到电流强度，而结果必然是要求加粗导线。但是实施了4 2 v 电源系统以后，同 等功率下，电压比原来提高三倍，电流将降低到原来的三倍，线束的直径从理论 上来讲可以减小为原来的6 0 ，降低了用于导线的成本，同时也方便了安装。由 于晶体管电路的智能特点，甚至可以取消原来的保险丝，使连接器更小更轻。 ( 2 ) 约车内空间 采用4 2 v 电源系统以后，随着线束直径的减小，许多电气装置的体积也将 随之减小，从而使得车内有限的空间更好地利用于其它方面。4 2 v 电源系统的出 现和发展，还有利于设计出更小的车载电器装置，这对汽车微型化也是大有裨益。 ( 3 ) 降低电动机和电磁阀的重量 江苏大学硕士学位论文 降低电动机和电磁阀的重量就降低质量而言，4 2 v 电源系统所带来的最大的 益处就是在于电动机和电磁阀方面。有资料显示表明，采用新型的4 2 v 电源标 准，可以使电动机和电磁阀的重量降低2 0 ，进而进一步减轻整车的质量。对于 传统的降低整车质量的方法而言，是具有相当优势的。 ( 4 ) 为车辆的结构改进提供了更大的可能性 采用4 2 v 电源系统为车辆的结构改进提供了更大的可能性。例如，发动机 的一些附件可以直接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；这些部件也可以从发动机中分离出来，减少发动机的部件数量，改善设 计，提高发动机的效率；对于电动制动系统，由电源卣接驱动，可以省去液压或 气压系统，带来更好的驾驶舒适性和更好的燃油经济性。 ( 5 ) 为混合动力汽车的进一步发展提供条件 在混合动力汽车和电动汽车逐步成为汽车发展趋势的前提下，4 2 v 电源的采 用显得更为重要。由于提高了汽车电源系统的容量，可以在发动机怠速的时候切 断发动机源而由电源直接驱动电动机作为汽车动力源。这在城市交通污染r 益严 重的今天，无疑是一个福音。对于4 2 v 电源系统在汽车上的使用，还有许多优 点。比如说提高发动机效率提高能源利用率，减少排放污染等等。随着牟载电压 这一里程碑式的改变，还将为汽车零部件设计者带来更多新的设计思路。 ( 6 ) 采用4 2 v 电源系统为发展混和动力车创造了条件 采用4 2 v 电源后，可以实现在低速行驶时由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， 减少了汽车的排放污染。4 2 v 电源系统的诸多优点，也将随着汽车业的发展在r 后一一呈现出来。 1 3 24 2 v 电气系统的缺点 ( 1 ) 安全问题 这是必须首先提及的问题。汽车电源线两极一相碰就会“啪啪”作响并发出火 花，电压越高越厉害。驾驶员和修理工都知道，不慎将电源f 极线端头搭铁的事 经常会发生。如果电压升至4 2 v ，安全问题的解决就必须提到同程上来。 ( 2 ) 提高电压使电磁兼容性变差 提高电压会对电子器件和人身的电磁干扰性增加，也会降低周边电子设备的 4 江苏大学硕士学位论文 运行能力。由于机动车电子电器组件的电磁辐射不能超过标准规定抗扰性的极限 值，这就增加了达到电磁兼容性标准的成本，设备复杂性和技术难度。 ( 3 ) 对配件供应商影响 除了以上技术性方面的缺陷以外，4 2 v 电压标准在实际的推广中还要受到来 自汽车配件商方面的阻力。由于现在的汽车零部件使用的都是1 4 v 的标准，当 采用4 2 v 电源系统以后，首先要研制4 2 v 的新型蓄电池，此外，汽车上的发电 机起动机，雨刮电机，微型电机，灯泡，仪表，继电器等等都要更新，这些改变 必将损害到配件供应商，配套商的利益，对他们而言必将是个巨大的冲击。 1 44 2 v 电气系统的实现方案 4 2 v 电源完全取代1 4 v 电源还需要走过一个较长的历史过程，因为只有当 所有汽车零部件制造发展到4 2 v 时，这种单电压电源系统才能被引入。由于涉 及的产品技术改造的范围太广，因此反对汽车电源电压升级的声音也不少。尤其 是配件供应商，因为产品改造必然增大他们的成本。如何协调这个利益分配问题， 也是汽车界的难题之一。在新的电气系统中，有两种实施方案：一种是全车4 2 伏单电压方案；另一种是4 2 v 1 4 v 双电压方案。前者会对目前的汽车零配件制 造商造成重大的冲击，后者则冲击较小，过渡平缓。相对来说，4 2 v 1 4 v 双电源 供电系统可以取得良好的社会效益和经济效益，更符合目前社会的需求，因此汽 车业倾向于第二种方案( 图1 1 ) 。 4 2 v 直流总线1 4 v 直流总线 图1 1 电气系统方案 在4 2 v 1 4 v 双电压系统中，高功率负载将由4 2 v ( 平均功率在4 0 0 一1 0 0 0 w 的 装置供电包括三元催化转换加热器、挡风玻璃加热器、电气悬架等) 电源总线供 电，而中低负载将由1 4 v ( 例如照明灯、仪表、发动机电子控制等) 电源总线供电。 这里又出现了两种方案：交流发电机是输出4 2 v 和1 4 v 两种电压分别供给不同负 5 江苏大学硕士学位论文 载，还是只输出4 2 v 单一电压再山d c d c 转换器得- 至1 1 1 4 v 电压。前种方案中， 发电机输出两种电压要求比较复杂的结构和控制，但是不需要额外的d c d c 转换 器；由于目前d c d c 转换器技术比较成熟，目前的实际倾向于后者。在双电压电 气系统中，是由发电机经整流调压后给蓄电池充电。这里又产生了用单电源还是 双电源两种方案。一种方案是在双电源系统中，1 2 v 蓄电池连接在d c d c 转换器 之后，为1 4 v 电气负载储存能量，即使发动机不运转，处于工作状态的1 4 v 负载 也不会消耗存储在4 2 v 蓄电池中用来启动发动机的能量，d c d c 转换器可以做得 比较小，因为1 4 v 电气负载可以由1 2 v 蓄电池来提供峰值输出功率，该方案国外 目前已经实用化。另一种方案在单电池结构中，1 4 v 负载直接连接在d c d c 转换 器的输出总线上，通过功率管理电路而不是另一个蓄电池将1 4 v 负载与4 2 v 蓄电 池隔离是可能的，但是这种方法在减少一个蓄电池的同时也会带来d c d c 转化器 的问题，使用一个集中式d c d c 转换器得到1 4 v 电压，或者由配置在分布式功率 总线结构上多个离散d c d c 转换器得到多个1 4 v r f l _ , 压1 2 】1 3 1 ，目前还没有萨式的实 用化产品。 新的供电系统为实现4 2 v 1 4 v 双电源共存，采用半导体电源和硬件电路设计 相结合，与传统的供电系统有完全的兼容性，既保证大功率负载的j 下常工作，又 可采用较细的电缆为低功率负载供电，大量节约了材料，降低了损耗。因此，研 究4 2 v 1 4 v 双电源汽车已成为国内外汽车行业研究的热点。随着这k 中4 2 v 1 4 v 双 电源汽车技术的不断发展，双电源供电系统的研究显示出越来越重要的地位，受 重视的程度也将不断加强，研究得将更加深入，理论也将不断完善。与此同时， 作为过渡阶段的4 2 v 1 4 v 双电源供电系统，也将逐步推动高压电源在汽车电气系 统上的推广和应用。 1 5 国内外研究现状 早在2 0 世纪9 0 年代，德国便成立了车载电源论坛，成员有大众，奥迪， 宝马，欧宝和保时捷等汽车公司，该机构主要从事4 2 v 电源供电规范的标准化 研究，提出了4 2 v 1 4 v 双电压供电系统的规范草案。另外，福特公司与麻省理 工学院也发起组织了m i t 工业联盟，成员包括通用，戴姆勒一奔驰，宝马，雷 诺，沃尔沃，西门子，博世，摩托罗拉，德尔福等知名汽车商，零部件商及电子 电讯商，该组织主要是研究4 2 v 1 4 v 双电压供电系统对汽车电器与电子设备的 6 江苏大学硕士学位论文 影响及实现方法。为推动这一工作发展，美国汽车工程学会( s a e ) 还专门成立 了双高电压车辆电子系统委员会。目前，4 2 v 电气系统结构已经得到国际汽车 工业界的认可，并已经在一些车辆上被采用，如沃尔沃公司的$ 8 0 和福特公司 的混合动力车e x p l o r e r 。法国雷诺汽车公司在1 9 9 8 年即f 发出4 2 v 供电系统 的微型厢式概念车，该公司宣称要在新标准转换中成为首批批量牛产4 2 v 车型 的汽车制造商。该公司计划2 0 0 7 年推出4 2 v 1 4 v 混合型的车型，并预计在 2 0 1 0 年推出全部应用4 2 v 标准供电系统的车型，预计届时4 2 v 系统所需的零 部件成本已适合商品化。d e l p h i 公司已经走在了4 2 v 供电系统丌发的前列。在 1 9 9 9 年9 月德国法兰克福国际汽车展上展示了4 2 v 和4 2 v 1 2 v 供电系统设 计方案，其中包括4 2 伏a g m 铅酸电池、锂聚合物电池、用于4 2 v 1 4 v 混合 供电系统的d c d c 转换器；以及动力管理系统，该系统可使电池与内燃机联合 提供动力，应用于先进的动力系统和下一代混合动力驱动系统。以上产品为4 2 v 供电系统的应用提供了良好基础1 6 j 。 日本的y a z a k i 北美分公司与善长控制技术的约翰逊公司在新一代4 2 v 汽车 供电系统开发方面达成了合作关系，双方将共同解决4 2 v 供电系统应用过程中 的技术难点。y a z a k i 公司新开发的智能型负载控制中心是可以使4 2 v 供电系统 在汽车中以更高效率的网络式分配方法工作的关键部件，其通过脉宽模式提供有 关电器的4 2 v 电压，同时限制电器与电池之间的通过电流。利用该控制器可使 1 4 v 电池和d c d c 转换器的功率消耗降低5 0 0 w ，相应成本降低4 0 ，而约 翰逊公司的特长是开发出了适应于4 2 v 供电系统的4 2 v 电池。另一大汽车电 子零部件供应商德国西门子汽车分公司也正致力于4 2 v 系统产品的开发工作。 其中飞轮复合式起动发电机系统在2 0 0 1 年成为欧洲汽车的标准设备，该装置可 在发动机全部转速范围内以8 0 以上的高效率发出最高达8 k w 的功率。相比 之下，传统的车用交流发电机最大效率为7 0 。输出功率1 5 k w 且高转速时的 发电效率降低到仅为3 0 。新的起动发电机系统结构紧凑，采用非接触式动力 传输，在设计上是无磨损及免维护的。该产品的一个附加功能是汽车的自动起动 关机系统。例如，汽车在交通红绿灯路口时，该系统可在发动机怠速时关机，而 在下一次油门踏板踏下的0 1 s 内，将发动机拖动到怠速转速并使内燃机恢复正 常点火工作状态，这将有助于同时降低燃料消耗和排放的同时，该系统还可利用 电池提供高达1 5 k w 的辅助动力，可用于汽车超车或起车时加速所需的额外动 江苏大学硕士学位论文 力；该系统还有将汽车制动能量叫收用于发电的功能。该产品的使用将促进汽车 供电标准由1 4 v 向4 2 v 的转化。在开发该产品的同时，西门子公司还在开发 一批适用于4 2 v 供电系统的其它汽车电子产品，并预计在未来5 年内取得实 质性进展。由4 2 v 电源带来的变革非常巨大，我国汽车制造业规模小而数量多， 很难独立面对这一挑战。中国已经加入w t o ，具有优越性能价格比的4 2 v 电 源系统车辆的大量进口，将给我国汽车工业带来一个很大的冲击。但是，这场变 革对我国汽车工业也将是一次难得的跨越式发展机遇。我国政府主管部门和汽车 企业的领导应该高度关注这一未来技术变革，密切跟踪其国际发展动态，规划我 国汽车4 2 v 电源系统的发展，尽早组织行业力量对4 2 v 电源系统进行立项研 究，以缩小我团汽车工业同凼际汽车行业的差距。 1 6 本文所研究的内容 本文将对4 2 v 1 4 v 双电压电气系统的电源、双电压转化器模块化设计、一 体化启动发电机等进行了详尽的介绍，并在他人研究的基础上，对可能产生的 瞬念高压的抑制作进一步的探讨。主要内容包括以下几个方面： 1 混合动力汽车4 2 v 1 4 v 系统常用几种蓄电池特点及d c d c 变换器技术 设计方法及研究 2 混合动力汽车4 2 v 1 4 v 一体化启动发电机系统研究 3 混合动力汽车电源4 2 v 化后产生的瞬念高压、e m i 等及对其抑制 8 江苏大学硕士学位论文 第二章4 2 v 系统蓄电池及d c d c 变换器设计 对于汽车电源的4 2 v 化来讲，蓄电池是关键设备之一。对于蓄电池的特性 要求，和汽车应该具有的功能密切相关。如果单纯为了提高电压，将传统的铅蓄 电池串联就可以，技术上也是容易实现的。如果考虑汽车的功能增加及其大小， 就需要决定合适的蓄电池类型及其组合方式及其技术问题的难易程度。4 2 v 混合 动力汽车用蓄电池，有铅酸蓄电池( 1 e a da c i db a t t e r y ) ，镍氢电池( n i c h e lm e t a l h y d r i d eb a t t e r y , n i m h ) ，锂离子蓄电池( l i t h i u mi o nb a t t e r y , l i i o n ) 等。为了实现 汽车更高的环保性能，动力系统的电气化是比较有效的技术之一，伴随着辅机电 气化的发展，4 2 v 电源系统的汽车的实用化也发展到了一定的阶段。汽车动力系 统h e v ( h y d r i de l e c t r i cv e h i c l e ) 化必学要考虑的技术之一，就是通过d c d c 变换器确保辅助电池的充电和辅机的驱动电源。本章将论述h e v 以及4 2 v 电源 系统所使用的d c d c 变换器的技术现状和存在的问题，4 2 v 电源系统的新型开 关导通方式。 2 1 汽车蓄电池特性 4 2 v 混合动力汽车的主要功能以及蓄电池应该具有的特性如下： ( 1 )发动机初次启动：需要功率较大，必需的发动机冷启动的启动功率， 为了能够在长期放置后仍然可以进行发动机冷启动，需要电池的自放电小。 ( 2 )高电压应用场合：通过电池的组合可以得到较高的电压。 ( 3 ) 怠速停机功能以及怠速停机时的负载运行：保证负载运行时有充足 的电能。 ( 4 ) 怠速停机后发动机的再启动：可以得到发动机启动时所需要的功率。 ( 5 )制动能量回收功能：能够接受较大的回馈电流( 充电特性) 。 ( 6 ) 加速助力功能：输出功率大，加速时能维持大功率输出。 ( 7 )纯电动行驶功能：用蓄电池独立驱动行驶的所需要的功率和容量。 传统汽车必须具有的功能只有( 1 ) ，怠速停机汽车要求具有的功能为( 3 ) 、 ( 4 ) ，混合动力汽车要求具有的功能为( 5 ) 、( 6 ) 、( 7 ) 。汽车功能要求不同，相 应的对蓄电池的特性要求也不同。对于混合动力汽车来讲，目前一般使用1 2 v 9 江苏大学硕士学位论文 和3 6 v 两种蓄电池来发挥各自特性。 2 1 1 目前各种车用蓄电池的性能比较 一般来讲，混合动力汽车( h y b r i de l e c t r i cv e h i c l e ，h e v ) 用各种蓄电池可 以根据具体用途所要求的特性来进行设计。纯电动车由于考虑瞬时发力，因而对 蓄电池的功率密度要求较高，为了达到一定的续驶里程，对蓄电池的能量密度要 求也比较高。混合动力汽车用蓄电池由于注重能量的出入，因此和能量密度相比， 在设计上更加注重蓄电池的功率密度。 以上的涉及的蓄电池中，锂离子电池的能蹙密度和功率密度最高，而铅酸蓄 电池都比较低。镍氢电池的性能介于二者之间。电容器的能量密度很低，但具有 非常高的功率密度。 表2 1 对混合动力汽车用铅酸蓄电池、镍氢电池、锂离子蓄电池以及电容器 的各种特性比较。 表2 1混合动力汽车用蓄电池的参数比较 铅酸镍氢锂离子 能量密度 w h k g 2 5 3 54 0 - 5 04 0 - 7 0 输出功率密度w k g 3 0 0 4 0 05 0 0 1 1 0 0l5 0 0 2 0 0 0 输出功率密度 w k g 2 0 0 - 3 0 01 5 0 - 2 5 03 0 0 - 5 0 0 输入功率密度w k g 1 0 0 2 0 05 0 0 - 9 0 01 0 0 0 1 5 0 0 常温下的功率特性按由大到小的顺序为：锂离子蓄电池= 电容器 镍氢蓄电池 铅酸蓄电池。在低温环境下，镍氢蓄电池和锂离子蓄电池的功率会降低，而铅 酸蓄电池基本上不会变化。电容器在低温环境下也可以保持较高的功率。 一般表示蓄电池放电能力的功率密度，在s o c 比较高时较大，随着s o c 降 低，功率也减小。相反表示蓄电池接受充电能力的功率密度在s o c 较高时比较 小，在s o c 较低时比较大。在混合动力汽车上对蓄电池的放电和充电性能都有 要求，因此需要在蓄电池的s o c 中寻求平衡来对蓄电池进行控制。这种蓄电池 的使用方法，也叫做p s o c ( p a r t i a ls t a t eo f c h a r g e ) 用法。 ( 1 ) 铅酸蓄电池 铅酸蓄电池在1 0 0 多年以前就已经发明，由于其优越的成本性能的各种不断 l o 江苏大学硕士学位论文 的改进，从而确保了目前在蓄电池市场中的主导地位。其用途也遍及汽车、寿命 周期服务、通信等所有领域。 汽车用铅酸蓄电池，主要用于发动机启动( s t a r t i n g ) 、给负载供电( l i g h t i n g ) 、 点火( i g n i t i o n ) ，因此也叫做s l i 电池，其中1 2 v 液式( f l o o d e dt y p e ) 为主流。 在通信等方面，不使用液体电解液的v r l a 蓄电池( v a l v er e g u l a t e dl e a d a c i db a t t e r y ，控制阀式铅酸电池) 为主流。 铝酸蓄电池的再生利用途径和处理方法已经完全建立。现在汽车用铅选电池 的再生利用率几乎为1 0 0 ，回收的蓄电池还可以再度利用来生产铅酸蓄电池。 ( 2 ) 镍氢蓄电池 镍氢蓄电池在j 下极使用和镍镉电池相同的镍氧化物，负极使用可以将活性物 质氢通过电化学方式吸藏和放出的氢吸藏合金，电解液使用高浓度的氢氧化钾水 溶液。氢吸藏合会是通过热、压力和电压可以将氧吸藏和放出的合金，正在研究 在能量的储藏和运输等方面的各种应用。镍氢蓄电池也利用了通过合金的电位变 化，将氢吸藏或放出的功能。 1 9 9 0 年后半年初步实现了镍氧蓄电池的民用，此后为了在电动汽车和混合 动力汽车方面推广应用，功率特性、回馈接收性和寿命特性等基本特性方面的改 进和技术丌发在不断取得进展，1 9 9 7 年初步实现电动车用镍氢电池的实用化， 1 9 9 7 年1 3 月实现了混合动力汽车用镍氢电池的实用化。 ( 3 ) 锂离子蓄电池 1 9 8 0 年被发现的钻酸锂作为正极活性物质，具有很好的性能。1 9 9 0 年代以 前，正极采用钴酸锂，负极采用可以吸藏锂离子的碳材料的钻系锂离子蓄电池开 始实用化。当时主要用于移动电话、个人电脑、摄像机和m d 播放器等家电产品， 现在也将其用在了p e v 和h e v 方面，发挥了很好的性能。但是，作为第一代锂 离子蓄电池的钴酸锂系蓄电池，由于其原料钴价格很高，出现了使用廉价锰的锰 酸锂系的第二代锂离子蓄电池。锰酸锂系锂离子蓄电池的开发主要是p e v 和 h e v 等用途的大功率蓄电池。锂离子蓄电池不像铅酸蓄电池和镍氢电池那样使 用水溶液系电解液，而是使用有机电解液。充电时正极的锂变为离子在电解液中 移动，并被负极的碳素吸藏，放电时发生相反的反应。由于重量比较轻，所以锂 离子蓄电池能量密度和功率密度都非常高。目前为止，还没有在4 2 v 系统中应 用的例子。 江苏大学硕士学位论文 2 1 2 蓄电池今后使用的技术问题 铅酸蓄电池的成本最低，锂离子蓄电池和电容器的价格比较高。镍氢蓄电池 居于两者之间。成本虽然会随着原材料费用、产量等的变化而变化，但为了能够 在汽车上广泛使用，降低任何一种蓄电池的成本是今后比较的大技术问题。 在考虑成本的时候，不只是蓄电池本身，还有蓄电池控制装置、冷却装置等 系统也必须考虑在内。任何一种蓄电池系统都是通过对多个最小单元进行组合提 高电压而使用的，因此使用时蓄电池单元之间会产生容量偏差。为了消除这种偏 差，系统必须具有和电池特性相对应的解决办法。例如，铅酸蓄电池采用均等充 电方法，锂离子电池需要考虑每个电池单元的均衡。这样就应该考虑电源系统成 本的增加和包含电池更换在内的总体成本。 4 2 v 汽车和混合动力汽车普及的过程中，再生循环问题是不可避免的。铅酸 蓄电池很早就应用于车辆，因此完全建立了再生循环路径和处理方法。而消费用 镍氢蓄电池和锂离子电池的回收率至今还不高。但是，对于混合动力汽车，由于 流通路径是确定的，因此应该是比较容易实现回收利用的。目前将镍氢蓄电池的 镍回收用于不锈钢生产，但还没有将其活化再度用在电池中。对于锂离子蓄电池， 可以回收高价的钴，但问题仍然很多。从回收电池中对原料进行再生，技术问题 基本上已经解决，如果能达到商业化的规模，应该是可以朝着积极的方向发展的。 2 2 汽车d c d c 变换器的结构 汽车1 4 v 辅助电源用蓄电池的负极和车体连接，因此负极的配线利用了底 盘。汽车车体相对大地的电位处于浮动状态，而人体的电位基本上和大地是相同 的。因此，车体相对大地的电位，必须在安全电压6 0 v 以下。 从车辆的驱动电源( 主蓄电池) 向辅助蓄电池充电的d c d c 变换器，根据 主蓄电池的电压分为隔离型和非隔离型。一般在主蓄电池电池电压超过6 0 v 时 采用隔离型，6 0 v 以下采用非隔离型。 2 2 1 隔离型d c d c 变换器 由于h e v 的主电路电压可能都在1 0 0 v 以上，因此d c d c 变换器可采用隔 离型。由于采用变压器的电气隔离是最简单的方法，因此将直流通过逆变器变换 江苏大学硕士学位论文 为高频交流，采用逆变器隔离，然后通过整流在变换为直流是一种通用的方法。 典型的隔离d c d c 变换器的电路结构及其特征如表2 2 所示。这里所示的两种 电路虽然都具有各自的优缺点，都已经实用化。 表2 2 隔离型d c d c 变换器比较 电路方式双管正激 。 全桥 。 l 变压i - 圣垦变 压嚣 ： _ j 一书态t一 斩渡器 靳波嚣 一书卜_ t r y 、+ r 、卜- 圣岛 一 弧 态 上 电路结构 二 zi2 _ 卜 ； j l 蒜 t 匕r j 2 “2 开关器件数 24 一次侧- 二极管 2 ( 小功率) o 数量 二次侧一：极管 22 数量 缓冲电路数 46 器件驱动数目 l2 变压器二次侧单绕组二次侧双绕组 控制容易 要防j 卜变压器饱和 2 2 2 非隔离d c d c 变换器 4 2 v 电源系统的1 4 v 电源系统充电时，由于主蓄电池电压在6 0 v 以下，所 以采用非隔离型d c d c 变换器。一般采用叫做斩波器的d c d c 变换器。 2 2 3 双向电流工作的d c d c 变换器 d c d c 变换器的主要功能就是从主蓄电池向辅助电池充电，电能从主蓄电 池流向辅助蓄电池。表2 1 所示的d c d c 变换器的电能流向为单方向的。 一方面，当主蓄电池处于放电结束的状态是，需要利用辅助蓄电池的电能最 小限度将发动机启动，为了提高混合动力汽车的可靠性，也会对系统提出这样的 要求。这时，需要通过d c d c 变换器具有反过来从辅助蓄电池向主蓄电池充电 江苏大学硕士学位论文 的功能。图2 1 是为采用双管正激电路实现电流双向流动的电路例子。从辅助电 源向主电源充电时，通过半导体功率开关s 3 和s 4 进行升压斩波，半导体开关 s l 和s 2 只起二极管的作用。 s i 图2 1 双向电流双管正激d c d c 变换器 2 3d c 1 ) c 变换器的技术现状 因为是车载装置，因此和其它装置一样，需要小型、轻量、高效率、低价格， 高可靠性以及低噪声