汽车发电系统的发展与设计思路的演变

2014-03-01周泉

汽车电器 2014年4期

周泉

汽车交流发电机将从发动机处获得的动力变换成电能，供给蓄电池充电与电负荷用能量，因此，提高发电效率，降低发动机的驱动力矩，就可以减少燃油的消耗。在市场激烈竞争与环保法规逐年加严的形势下，近些年来，出于节能的想法，交流发电机以及汽车附件开展电动化，发电机的输出电流进一步增加，如何提高发电机的效率也出现了一些难点。

1 提高交流发电机的效率

1.1 定子绕组采用扁铜线

提高交流发电机效率的一项上策是降低定子绕组的电阻，由此减少铜损。传统交流发电机采用的是将多根圆漆包线一次嵌入到电枢槽的工艺，因而无法提高槽内漆包线的槽满率。与此相比，将扁铜线整齐嵌入到电枢槽中可使槽满率获得飞跃地提高，而且降低了定子绕组的电阻。如图1所示。

1.2 采用卷圆式定子铁心总成

影响汽车交流发电机效率的最大因素是定子绕组总成的铜损。以S公司为例，老产品6G系列发电机的铜损约占总损耗的67%。要想降低定子绕组总成的铜损，最有效的方法是尽可能有效利用定子绕组的占地，即增大绕组的截面积。也就是说，最有效的方法是提高定子绕组总成的槽满率（∑铜线截面积／定子绕组的占地）。以上面提到的6G系列发电机为例，只对嵌入定子槽内的铜线部分加以整形，就开发出了槽满率得到提高的8G系列发电机。但是，在生产过程中，需要从轴向将绕组嵌入到铁心中，所以、槽满率的提高是有一定限度的。如图2所示。

为此，融合了8G系列发电机采用的整形技术与所开发的卷圆式定子绕组制造技术，又开发出了9 G系列发电机。生产这种定子绕组总成时，与以前首先制造成环状定子铁心不同的是：先制成条状的定子铁心，再将另外制造的条状绕组整形后，从铁心槽的开口方向嵌入到铁心中，如图2所示。采用这种工艺，大大地提高了定子绕组的槽满率，如图3所示，同时，由于降低了线圈的端部高度，成功地降低了定子绕组的内阻。

1.3 运用热流体技术解析交流发电机

近几年来，由于采用再生制动技术，进一步要求交流发电机增大输出，伴随而来的是提高交流发电机的散热能力。而另一方面，因发动机减小体积，其噪声降低，过去被发动机声音遮盖的交流发电机噪声变得明显起来。因此，与传统的汽车交流发电机相比，对其提出了较高的降低噪声要求。

为了满足这种社会需求，生产厂家开发出了新的GX系列发电机。这种发电机采用了轴流式冷却结构，将冷却空气的进风口、风扇的进风口布置成一条直线，减少冷却气流的流动阻力，使冷却空气的风量约提高了10%。同时，利用扩大散热面积开发出较高传导特性的散热片，使发电机具有了较高的冷却性能。此外，利用流体模拟法开发了噪声源特定技术，通过排除噪声源及采取措施，使风扇噪声下降了2dB。GX系列交流发电机的外观如图4所示。

1.4 其他措施

关于定子铁心材料，选用了板厚减薄的材料，从加工性能与电磁特性2个方面选用含Si量合适的冷轧板，以减少铁损。

要想节约燃油，比较有效的手段是轻量化与减少占地，对汽车交流发电机来说，就是不增大体积的前提下，增加发电机的输出功率。交流发电机的输出功率受到限制的主要原因是发电时的发热引起部件的温度升高，因此，降低发热量与提高散热能力是提高输出功率的有效途径。

1）在汽车交流发电机上，发热最厉害的是定子绕组。内扇式发电机上的冷却风扇设置在爪极的两侧，恰恰与定子绕组相对，即便如此，因线圈端部的重叠形成了通风的阻力，对降温形成了阻碍，对此，在改用了无重叠的嵌线方式之后，线圈端部呈网状，确保了端部线圈之间的气隙，由此可以降低定子绕组的发热并改善通风性能，如图5所示。此外，随着定子绕组电阻的减少，其自身的发热也大幅度地下降，即提高了散热性能。

2）改进整流器散热片的结构，提高冷却性能。如图6所示。

2 交流发电机的驱动系统

2.1 交流发电机的驱动皮带

汽车零部件（例如空调、交流发电机等）的输出功率在增大，而另一方面为了节省燃油，则迫切地希望提高动力传动系统的效率，要求车辆的小型化与轻量化，并确保安全即实现紧凑化。为了适应用户的这些需求，厂家开发出了可以减少皮带宽度（皮带齿数）、可承受较高负荷的汽车零部件用驱动皮带，如图7所示。由于这种驱动皮带采用了高强度橡胶与高强度芯线，单位皮带宽度（皮带每齿）的传动能力约提高30%。与旧型皮带具有同等的寿命，但宽度仅为其2／3。概括来看，新型皮带具有下列特点。

1）可以实现皮带驱动系统的紧凑化。以往需要7齿皮带驱动的改用新型皮带后，仅用5齿就可以了，减少了约7mm的占地。

2）实现了皮带驱动系统的轻量化。每辆汽车约可以减轻500～1200g。

2.2 交流发电机的皮带轮

对比较省油的柴油机来说，因为压缩比很高，发动机的转矩变动比较大，在这种柴油机用的交流发电机上装用内装离合器的皮带轮，可以降低皮带张力的变化，提高皮带的寿命，防止皮带打滑的噪声。

对汽油机来说，为了降低油耗，采用直喷化、降低怠速转速等措施，皮带张力的变化趋于严重，这可通过内装离合器的皮带轮得到改善。内装离合器的皮带轮结构如图8所示。

3 发电系统设计思路的演变

3.1 传统思路

国内出版的很多汽车电气类书籍在介绍到蓄电池与发电机的功能时，大多的内容为：①起动发动机时，由蓄电池对起动系统和点火系统供电；②发动机低速运转、发电机电压低于蓄电池电压时，由蓄电池对用电设备供电；③发动机中高速运转、发电机电压高于蓄电池电压时，由蓄电池将发电机的剩余电能储存起来；④当发电机过载时，蓄电池协助发电机供电；⑤蓄电池可以吸收瞬时过电压。直至40多年以前，这样的论述还是有说服力的。

3.2 1980年代起的思路

但从20世纪60年代起，新型发电机即交流发电机的出现，情况则发生了变化。由于交流发电机逐步取代了直流发电机，20世纪80年代起，汽车生产大厂对部件厂家提出了新的要求，德国的博世公司提出了实现汽车电系的最佳配合，日本的汽车电气厂家纷纷提出要开发小型、高输出功率的发电机，两者之间只是说法不同，但可以归纳出一些共同点。

1）对汽车来说，竭力采用容量较小的蓄电池。目标是只要满足起动发动机时，对起动系统和点火系统供电即可。

2）采用输出功率足够的交流发电机，车辆一旦起动之后，车辆的所有供电完全由交流发电机承担。

3.3 21世纪初的思路

进入21世纪以来，车辆发电系统的设计思路又发生了较大的变化。在国外汽车样本的技术规格中，可以看到这样的栏目说明：在降低油耗的措施一栏注明为 “充电控制”。从2014年起，这类车型逐渐增多。

3.3.1 充电控制的含义

从整个汽车行业来看，对充电控制这一项目已进行了多年的研究，有的称为充电控制，也有的称为充放电控制，但并没有大的差别。充电控制系统可以说是广义的能量再生系统，通过对交流发电机输出电压的控制，实现节省燃油，而且不必要增加硬件，不作设计更改。

没有装用充电控制系统的车辆上，只要在发动机运转的期间，交流发电机就毫不休止地发电、充电。根据这种充电方式的工作原理，即便蓄电池已经达到满充电，仍然对其充电。而且，多余的电力没有储存到蓄电池中，无处可去的电能被浪费了。松下公司用动画来宣传充电控制的优点，谈到这一点时，就用硬给幼儿喂食物作为形象的比喻，如图9所示。

交流发电机毫不间歇地运转、发电，意味着一直有较大的负荷加在发动机上。这一较大的负荷一直加在发动机上，造成发动机无法发挥出本来的功能，增加了油耗，出于这种思路而形成了充电控制系统。设蓄电池满充电时的充电量为100%，那么在蓄电池充到大约60%～80%之间的一定量时，ECU就对交流发电机发出停止发电的指示。

从停止发电时起，蓄电池从充电转换为放电，因为还没有达到满充电，所以没有剩余的电量。进而，停止发电就意味着：减轻了加在发动机上的负荷，在节省燃油的状态下行驶，即降低了油耗。

蓄电池的充电量低于60%的话，与上述情况相反，ECU对交流发电机发出发电的指示，重新对蓄电池充电，如图10所示。

采用如上所述的重复充、放电的工作方式，从而节省燃油的系统，称为充电控制系统。

3.3.2 充电控制车辆采用的蓄电池

通过采用充电控制系统控制对蓄电池的充电，可以实现节油状态行驶，但加在蓄电池上的负担却增大了。新型汽车上装用了较多的ECU类耗电部件，更加加重了蓄电池的负担，再加上充电控制系统重复于ON／OFF方式的充电，所以就变成了通用蓄电池无法承受的状况。

苛刻的状况将降低蓄电池的性能，缩短其寿命，也有可能影响周围的部件并增加它们的负荷。因此，对充电控制车辆，应采用短时间内充电效率高且可以充电的高标准蓄电池。当然，充电控制车辆用蓄电池的价格要比通用蓄电池的高。正因如此，如果在充电控制车辆上随便装用了其他蓄电池，车辆本来具有的性能就不能发挥出来。

3.3.3 充电控制系统的工作原理

作为一项降低汽车油耗的技术，充电控制系统引起了各相关部门的重视。简单来说，充电控制系统就是控制交流发电机的转速，由此减轻加在发动机上的负荷。其工作原理为：在车辆加速时，充电控制系统降低交流发电机的发电电压；反之，在车辆减速时，充电控制系统提高交流发电机的发电电压。而在怠速（感到充电不足）时以及以一定速度行车（有可能过充电）时，则向交流发电机指示适当的发电电压，对发电电压加以调整。由此，降低为交流发电机发电用的发动机的负荷，节省燃油。其工作原理如图11所示。

从图11中可以看到，充电控制系统设有电流传感器，电流传感器的作用是检测蓄电池的充放电电流，将所得结果传递到发动机ECU。根据这些数据，ECU把握蓄电池当前的剩余容量，再加以充电。

另一个为温度传感器，液温的过低或过高都会促进蓄电池的老化，或者导致蓄电池过充电。此外，蓄电池的充电接受性也会发生变化，所以，检测蓄电池液温，将所得结果传递到发动机ECU，由此考虑液温后实施充放电控制。

从上面的说明中可以看出：日常维修中，要知道辨别装有充电控制系统的车辆，仅从外观上很难区别是否为充电控制车辆。这里介绍两点：一是装有充电控制系统的车辆上，一般都贴有尾气低排放或油耗符合XX标准车的标志；二是观察蓄电池端子的附近是否装有传感器，装有传感器的车辆一般为充电控制车辆。图12为装有电流传感器的例子。

4 关于汽车交流发电机的充放电控制

所谓发电就是将某种能量转换成电能。汽车上通常是利用消耗燃油后得到的旋转能量，使交流发电机旋转进行发电。目前已经形成了将车辆具有的动能转换成电能的再生发电技术，为了更有效地进行这种再生发电，则开始运用交流发电机的充放电控制。

由再生发电所获得的电力，是把本来已经放弃的热能经回收后得来的。如果能够更多地储存这样获得的电力，就可以通过抑制燃油发电而节省了燃油的消耗。为了有效地进行这种再生充电与休止发电，就要求交流发电机应具有下述功能。

4.1 可在宽范围上控制发电电压

要想更多地利用再生所获得的电力，就需要将这些电力有效地储存起来。比较有效的方法是提高再生发电状态时刻交流发电机的发电电压，由此可以增大向蓄电池充电的电流，结果可以增加所储存的电力。反之，在发电电压低于蓄电池电压的场合下，交流发电机实质上处于休止状态，不消耗发电所需要的燃油。

但另一方面，为了增加充电电流而提高充电电压的话，整个车辆的电源电压就会升高，这就需要考虑灯具的亮度及电机类的转速等工作状态的变化对设备带来的影响。此外，还要考虑到相关法规对灯具所加电压的规定。充电电流的增加实际上就是交流发电机的驱动转矩发生变化，因此需要控制电压，以保证再生发电时的减速没有显著变化以及没有超过必要的减速。