В автомобилях 42 -вольтовая электрическая система была стандартом электропитания, предложенным в конце 1990-х годов. Она была предназначена для облегчения использования все более мощных электроприводных аксессуаров в автомобилях и более легких жгутов проводов . Электродвигатели предлагалось использовать для усилителей рулевого управления или других систем, обеспечивая более компактные установки и устраняя вес приводных ремней или больших проводов для сильноточных нагрузок.
Предложенный новый стандарт был ровно в три раза выше напряжения существующих «12-вольтовых» систем. Более высокое напряжение было выбрано, чтобы обеспечить большую мощность для проводки и устройств, с одной стороны, и не превышать предел в 50 вольт, используемый в качестве ориентира для опасности поражения электрическим током . Европейский автопроизводитель Daimler-Benz предложил название бренда 42 В для преобразования.
Хотя многие производители предсказывали переход на 36-вольтовые ( литий-ионный аккумулятор ) / 42-вольтовые (зарядное напряжение) электрические системы, переход на «42 В» не произошел к началу 21-го века, и планы были в основном заброшены к 2009 году. [1] Доступность более эффективных двигателей, новых методов электропроводки и цифрового управления, а также акцент на гибридных транспортных системах , которые используют высоковольтные стартеры/генераторы, в значительной степени устранили межотраслевой толчок 2000-х годов к повышению основных автомобильных напряжений. [1] Приложения, которые когда-то считались требующими более высоких напряжений, такие как электроусилитель руля, впоследствии были достигнуты с помощью 12-вольтовых систем. [1] В конце 2000-х годов 42-вольтовые электрические компоненты использовались только в нескольких автомобильных приложениях, поскольку лампы накаливания хорошо работают при 12 вольтах, а переключение 42-вольтовой цепи сложнее. [1] [2]
В 2010-х годах стали популярны 48-вольтовые электрические системы .
SAE обсуждала вопрос об увеличении стандартного напряжения в автомобилях еще в 1988 году. [ 3]
В 1994 году по инициативе Daimler-Benz в Лаборатории электромагнитных и электронных систем Массачусетского технологического института (MIT/LEES) в Кембридже , штат Массачусетс , США, был проведен первый «Семинар по передовым архитектурам для автомобильных электрических распределительных систем» с целью определения архитектуры будущей автомобильной электрической системы. С самого начала участниками этого семинара были поставщики, а также автомобильные компании Daimler-Benz , Ford и General Motors .
В сентябре 1995 года в Массачусетском технологическом институте было проведено сравнение различных архитектур электрических систем с использованием инструмента «MAESTrO», а в декабре 1995 года в «Выводах» этого исследования был определен будущий уровень напряжения около 40 В.
В начале 1996 года был создан «Консорциум по передовым автомобильным электрическим и электронным системам». На последовавшем за этим семинаре в марте 1996 года было подтверждено будущее номинальное напряжение 42 В.
В августе 1996 года IEEE Spectrum [4] опубликовал статью «Автомобильные электрические системы около 2005 года».
По случаю конференции Convergence в октябре 1996 года в Детройте профессор Джон Г. Кассакян (MIT) выступил с докладом на тему «Будущее автомобильных электрических систем» в рамках «Семинара IEEE по автомобильной силовой электронике».
24 марта 1997 года компания Daimler-Benz представила Массачусетскому технологическому институту «Проект спецификации двухвольтной системы электропитания транспортного средства 42 В/14 В».
В то же время, что и в США, в 1994 году, снова по инициативе Daimler-Benz , бывшая SICAN GmbH провела свой первый " Forum Bordnetz " (Форум по электрическим системам транспортных средств) в Ганновере для немецких автомобильных компаний. Здесь также поставщики были приглашены к участию на самом раннем этапе, вместе со всеми европейскими производителями транспортных средств.
15 февраля 1996 года был согласован вступительный документ « Bordnetzarchitektur im Jahr 2005 » (Архитектура автомобильных электрических систем на 2005 год), а 4 июня 1996 года BMW представила « Tabelle heutiger und zukünftiger Verbraucher im Kfz » (Таблица текущие и будущие нагрузки в автомобиле) и « 42V/14V-Bordnetz » (42V/14V PowerNet).
13 сентября 1996 года на 7-й Международной технической конференции по автомобильной электронике в Баден-Бадене значительный интерес вызвал доклад « Neue Bordnetz- Architektur und Konsequenzen » (Новая архитектура автомобильной электрической системы и ее последствия), представленный доктором Ричардом Д. Таборсом (MIT).
6 марта 1997 года компания BMW представила в Ганновере « Spezifikationsentwurf für das Zwei-Spannungsbordnetz 42V/14V » (проект спецификации автомобильной электроэнергетической системы с двойным напряжением 42/14 В).
Решающий импульс работе компании SICAN GmbH придало сотрудничество между BMW и Daimler-Benz , о чем свидетельствует их совместное определение европейского «списка нагрузки 2005 года» и совместно разработанный «Проект спецификации двухвольтной системы электропитания транспортного средства 42 В/14 В».
Volvo использовала 42 В для некоторых своих мягких гибридов. [5] [6]
Расширение применения гибридных транспортных средств в 2010-х годах привело к использованию 48-вольтовых систем в умеренно гибридных транспортных средствах, которые добавляют электрическое усиление к типичному движению двигателя внутреннего сгорания (ДВС) и способствуют некоторой рекуперации во время торможения для экономии топлива. [7]
В 2011 году несколько немецких автопроизводителей договорились о бортовой сети электропитания 48 В поверх существующей сети 12 В и представили «Combo plug» — обычную вилку питания для зарядки электромобилей постоянным током. [8] По состоянию на 2018 год эта 48-вольтовая электрическая система применялась в серийных автомобилях, таких как внедорожники Porsche и Bentley , в то время как Volvo и Audi планировали использовать стандарт 48 В в автомобилях 2019 года. [9] [ требуется обновление ]
В марте 2023 года Tesla Inc. начала производство Cybertruck с 48-вольтовой архитектурой [10] , первого серийного автомобиля, использующего 48 вольт в качестве системного напряжения для всей низковольтной системы. Они указали, что их автомобиль следующего поколения также будет использовать 48-вольтовую низковольтную электрическую систему. [11]
Шестиэлементные свинцово-кислотные аккумуляторы вырабатывают около 12,6 вольт при разряде, а соответствующие им автомобильные генераторы рассчитаны на выработку от 13,5 до 14,5 вольт при зарядке. [1] 42 вольта — это приблизительное значение выходной мощности системы зарядки нового стандарта. [2] Нынешняя номинально 12-вольтовая автомобильная электрическая система обычно работает при напряжении около 13,8 вольт, поэтому 14 В является описательным. В литературе по 42-вольтовым электрическим системам часто упоминаются системы, работающие от 6-элементной свинцово-кислотной батареи, как номинально 14 вольт. В зависимости от условий эксплуатации напряжение электрической системы транспортного средства сегодня может варьироваться от 6,5 до 16 В, с различной степенью пульсации, наложенной на это значение.
После обширной подготовительной работы, результатом которой стал «Список нагрузок в автомобиле 2005 года», различные архитектуры автомобильных электрических систем были сравнены с помощью инструмента «MAESTrO» ( 12 В, 12 В/24 В постоянного тока, 12 В/48 В постоянного тока и 12 В/60 В переменного тока ) на семинаре в сентябре 1995 года в Массачусетском технологическом институте (MIT/LEES). Вывод этого исследования состоял в том, что максимально возможное постоянное напряжение было наилучшей альтернативой.
Ограничивающим фактором для постоянного напряжения является предел защиты от поражения электрическим током в 60 В, который не должен превышаться даже при колебаниях напряжения, вызванных экстремальными условиями. Этот предел исключает возможность использования автомобильной электросистемы с номинальным напряжением аккумулятора 48 В, поскольку при низких температурах зарядное напряжение аккумулятора может достигать 60 В. Кроме того, на цену, вес и объем аккумуляторов влияет количество ячеек, которое, следовательно, должно быть сведено к минимуму.
Новые технологии аккумуляторов для автомобильных приложений не были бы доступны по приемлемым ценам для 42 В/14 В PowerNet. Свинцово-кислотные аккумуляторы недороги и имеют очень «податливую» зарядно-разрядную характеристику. Поэтому свинцово-кислотные аккумуляторы использовались бы оптимизированными для энергии и срока службы при более низком напряжении и оптимизированными для мощности при более высоком напряжении.
Другим важным критерием новой архитектуры было то, что она должна была обеспечивать постепенное преобразование нагрузок в систему с более высоким напряжением по мере необходимости.
В системе 42 В/14 В ветвь 14 В должна быть освобождена от более мощных нагрузок и работать в гораздо более узких пределах.
Силовая электроника становится все более важной в автомобильной сфере и станет решающим фактором в цене будущих автомобилей. Поэтому этот критерий был особенно важен при выборе наиболее подходящего более высокого уровня напряжения. Несмотря на значительную тенденцию к росту силовой электроники в автомобильных приложениях, ее доля на рынке будет снижаться, поскольку темпы роста в других сегментах рынка еще выше. По этой причине конкретная технология производства для автомобильного использования немыслима. [ необходима цитата ]
В ходе интенсивных дискуссий с основными производителями полупроводников было установлено, что выгодным является напряжение около 40 В. Многие аргументы обобщены в статье " Intelligente Leistungshalbleiter für zukünftige Kfz-Bordnetze " [12] ("Интеллектуальные силовые полупроводники для будущих автомобильных электрических систем" [13] ), представленной бывшей компанией Siemens Semiconductors (теперь Infineon ) на 17-й конференции " Elektronik im Kraftfahrzeug " (Автомобильная электроника) 3/4 июня 1997 года в Мюнхене.
Другие аргументы в пользу более высокого напряжения включали уменьшение веса в системе проводки, улучшение стабильности и уменьшение падения напряжения . При трехкратном увеличении напряжения толстые проводники могут быть уменьшены до трети поперечного сечения, и в то же время относительное падение напряжения также может быть уменьшено до трети. Для того же поперечного сечения относительное падение напряжения теперь не превышает одной девятой. Уровень напряжения, полученный в результате этих аргументов, был настолько близок к трехкратному текущему напряжению, что 42 В стали автоматическим выбором для второго уровня напряжения.