提高系统电压至42V

由于电气负载的增加，汽车电气系统成为多电系统，因此MEC需要高可靠、高容错、自动化的电力系统，以将电能高质量地从电源传送至负载。配电电压等级和形式非常重要。高的电压等级（如42V）会降低线束的大小，还能带来其他一些好处^［6、7］。实际上，提高传统汽车中的14V电压是为了应对未来多电汽车中更大的负载要求。估计不久的将来，汽车电气系统的平均负载需求将达到3kW甚至更高。

图4-3给出了未来MEC的双电压电气系统的概念，该系统实际是未来发展为全42V系统的一个过渡系统。未来的MEC电力系统，很可能只有一个单电压总线（42V），该系统能为负载提供混合（交直流）、多电压等级的电能，同时包含智能配电及能量和负载管理。

图4-3 未来MEC的双电压电气系统概念图

在汽车中将电压升至42V，将直接导致线束和线号的降低，如图4-4所示。

图4-4 线束标号分布

对汽车电子器件也有类似的影响，如图4-5所示。电力电子技术的大量应用也是导致汽车中半导体器件增加的重要原因。

图4-5 汽车电子和半导体器件平均价值

线束的电流承载能力随着线号的减小基本是线性降低的，如图4-6所示。

图4-6 线束标称尺寸和载流能力的关系(www.xing528.com)

（容许电流密度A/mm²：ΔT=50℃（PVC），ΔT=50℃（XLPE））

聚氯乙烯（PVC）是载客汽车线束最常用的绝缘材料。耐高温的交联聚乙烯，即XLPE，因为该材料耐潮湿、绝缘蠕变整体性能好，常用于车门内部线束等潮湿场合，这有助于保持环境密封性。线号的选择可以根据线号和直径的几何级数关系进行计算，如下文所述。从图4-4可以看到，无论是14V还是42V系统，20AWG都是最常用的线号。下面以20AWG的电气参数为基准，根据式（4-1）计算汽车配电系统（EDS）中其他线号的特性，其中R₂₀（x，z，T）是已知线号导线的电阻，x是线号，z是导线长度，单位是英尺（ft），T₀是温度，单位是摄氏度（℃）。计算时，所有线号的参考温度是20℃。

例如，传统14V汽车电气系统中，如果电池安装在底部，则一般用7ft（英尺）^[1]2AWG的铜导线，根据式（4-2）可以估算出，当底部温度为70℃时，导线电阻大约1.327mΩ。每一个连接器由于材料和形状的原因大概在0.5mΩ左右，开关触点和继电器触点电阻也与此相近。

为进一步说明线束和连接器电阻对电气系统性能的影响，假设前面讨论的导线包含了8个连接器，1个在发动机搭铁处，2个在电池接线端，2个在起动电动机绕组接线端，2个在起动电机电刷接线端，1个在起动电机机壳搭铁端。在这一完整的电路中，电池内阻是温度、使用年限以及充电状态的函数。可以假设采用新的70Ah铅酸蓄电池，荷电状态为80％，室温，则典型的内阻为7mΩ。为计算能够流入起动电机的最大电流，假设电机绕组电阻在标准环境下和电池内阻相等，但具有和导线相同的温度系数（因为都是铜材料制成），假设电刷的压降为1.1V，这是因为一般直流电机的单个电刷和换向器之间压降是0.55V。因为电池基本是充满的，所以内电势为6×2.1V=12.6V。这样可计算流入起动电机的最大电流（A）为

基于前面假设的情况，并且NC是连接器个数，可以算出最大电流是556A。目前汽车中，起动电机内部行星齿轮速度变比Grg一般是3.6∶1，根据发动机不同，外部小齿轮和环形齿轮的速比Grg一般是14∶1或稍高。实际上，一个起动电机，只要改变飞轮齿圈齿数，可以用于不同的发动机。起动电机转矩常数k_t是0.011N·m/A，则可算出传输至发动机曲轴的转矩（N·m）为

T_crank=N_grN_rgk_tI_starter （4-4）

基于前面的条件和相关假设，可以算出这种带齿轮的永磁起动电机可以给发动机曲轴传送308N·m的转矩。如果再次假设温度是-30℃，这时导线、连接器和起动电机绕组的电阻都随着温度降低而减小，但电池内阻因离子运动减慢以及极化的影响将有所增加，注意到这些之后，可以重新计算流入电机的最大电流。因为导线和绕组都是铜制成的，所以可以假设它们的电阻随温度有相同的变化，连接器的电阻变化可以忽略，电池内阻（Ω）变化可由式（4-5）描述，其中（α=0.0003，β=2）：

R_int（T）=R_int（T₀）×（1＋α（T-T₀）^β） （4-5）

由此，在-30℃时，根据（4-2）式可以算出电流减小到504A，相应的转矩降至280N·m。实际上，电刷的压降也会有所增加，这将进一步减小转矩。一般来说，起动电动机转矩即使在很低的温度下，也能足够可靠地发动引擎。由于温度低时发动机内摩擦力大，所以起动转速也较慢，一般在100r/min或者更低。

另一个和有刷直流起动电动机在低温环境工作有关的问题是，如果设计不当，假设采用新电池，低温下冲击电流比室温下要大，这可能导致陶瓷永磁体的退磁。和起动发电一体机或其他高性能电机常采用稀土永磁材料不同，汽车上的起动电动机和其他直流电动机一般采用7或8号陶瓷永磁体，这种永磁体低温时矫顽力较低，因此低温时会被部分退磁。