汽车高压直流发电机调压系统的设计
2016-10-14吴颜飞李蔚超
吴颜飞，毕 锋，李蔚超
（襄阳航力机电技术发展有限公司，湖北 襄阳 441021）
汽车高压直流发电机调压系统的设计
吴颜飞，毕锋，李蔚超
（襄阳航力机电技术发展有限公司，湖北 襄阳441021）
简介高压直流发电机在汽车上的应用及趋势，讲述发电机调压系统的工作原理。以现有高压无刷直流发电机配用电压型控制调压系统为具体实例，提出PWM电流型控制调压系统设计方案并进行结果验证。
汽车高压直流发电机；发电机调压系统；PWM电流型控制
1 概述
目前，国内外汽车发电机多采用24V低压直流发电机。我国汽车主流发电机多采用佩特来24V直流发电机，其工作电流150 A，可满足一般使用要求。随着汽车空调及整车电器的发展，汽车系统尤其是大型豪华客车或特种车辆对电源功率的要求越来越高，并且对节能环保性指标要求也越来越重视，传统24V电压直流电源系统已逐渐不能满足要求。如新一代SONATA领翔混合动力、丰田SCION iQEV纯电动车、沃尔沃XC90T8等已采用270 V直流电源；宇通客车、安凯客车等新能源车型则已采用500V以上直流电源。2008年，520V高压直流发电机以大功率、高效率、节能环保等特点首先在武汉公交汽车空调上得到应用，至今已扩展到上海、长沙、郑州、合肥等地；2012年，开始应用于特种车辆伺服系统、二次电源系统等其它领域。
近来，受限于当前的技术发展水平特别是动力电池的技术瓶颈，纯电动汽车一直存在续驶能力不足问题，国内外投向了增程式电动汽车增程器的应用［1］。高压直流发电机作为增程器应用也将成为发展趋势并受到广泛关注。当前，增程式汽车电池组的电压一般为500～600V，考虑到电池组的充电要求，对增程发电机的输出电压精度也提出了更高要求。
TB/T 3063—2002标准中关于DC600V供电电源装置要求为：输出额定电压DC600V，控制精度±5%，电压允许变化范围DC520～630V［2］。目前，汽车电驱空调直流电压多为460～600 V，部分系统中间具有逆变模块，电压控制精度一般在±8%范围内，对于直接应用于增程器尚有不足。
2 发电机调压系统的工作原理
汽车发电机多采用电励磁方案，结构简单、安全、可靠。调压系统的工作原理：通过采样发电机输出电压Ui（Ui也可为励磁电压源）的变化输出PWM电压波形，驱动发电机的励磁开关V导通和截止，以调节励磁电流If大小，实现发电机输出电压Ui的稳定。其励磁开关V一般采用晶体管调节器，其优点是：开关频率高，不产生火花，调节精度高，具有质量轻、体积小、寿命长、可靠性高、电波干扰小等优点。工作原理见图1。
现在大多调压器采用MOSFET替代三极管使用，这是由于MOSFET具有开关速度快、导通电阻小、输
图1 调压系统工作原理
3 发电机调压系统控制技术
通常，一个稳定的系统需要对输出变量采用闭环控制，以便输入电压变化或负载电流变化能及时调节，并具有期望的动态响应［4］。调压系统控制技术主要是PWM信号的输出控制方式。常用的控制方式有电压型控制、电流型控制。
电压型控制仅采用输出电压反馈的闭环控制，而系统电流反馈的闭环控制并没包含在整个控制系统中，其稳压响应速度较慢，在发电机转速过大时可能发生振荡。电压型控制最显著的特点就是误差电压信号被输入到PWM比较器，与振荡器产生的三角波进行比较。电压误差信号升高和降低使输出信号的脉宽增大或减小［5］。
电流型控制的特点是在电压型控制的基础上，增加电流误差信号反馈电路进行闭环控制。其优点是：①动态响应快和稳定性高；②输出电压精度高；③具有内在对功率开关电流的控制能力；④良好的并联运行能力。
目前，随着电流型控制集成控制器的出现，电流型控制技术已越来越多地应用于实际当中。
4 高压直流电源调压系统设计
以某型520V高压直流电源调压系统为例，采用电流型控制技术进行设计。由于高、低电压隔离要求，该调压系统配用发电机的电枢绕组与励磁绕组依据变压器设计原理进行设计。
4.1PWM电压型控制方式
高压直流电源原调压系统采用PWM电压型控制方式。通过采样励磁绕组整流电压Ui（D+处），经分压、比较电路后输出PWM电压信号，控制励磁开关MOSFET V的导通和截止，以调节D+、D-间串接的励磁电流If的大小。图2为局部原理图，图3为产品控制系统近似模型。
图2 局部原理图
图3 产品控制系统近似模型
在有负载的时候，电枢绕组有电流，它的磁势使电机的磁场发生变化，这种作用称为电枢反应［6］。图3中采样电压Ui为励磁绕组输出整流后的直流电压，其与发电机输出电压U0成一定比例关系（Km/（R+Ls）），并形成电压型闭环控制。由于转速变化会造成Ui与U0的比例关系Km发生细小变化。同时，电枢反应具有消减磁通的作用，而且U0和Ui两端负载特性不一致，这将会加剧比例关系Km的变化，在转速达到最大时，其Km的变化也将达到最大。表1所示为不同工况不同转速条件下Km的变化情况。
表1 不同条件下Km的变化情况
显然，当比例关系Km变化后，必然引起电压误差信号变化，即造成了实际采样电压Ui信号失真 （不能正确反映输出电压U0的变化），影响输出电压U0的控制精度。
4.2PWM电流型控制方式
设计上，在原有调压系统电压控制环的基础上增加一个电流控制环，以补偿励磁绕组电压与电枢绕组电压比例变化造成的输出电压精度降低现象，即采用双环电流型控制。其特点是在控制系统中引入了一个电流误差放大器，电流误差放大器的同向端反映了补偿电流的要求，检测到的电流经电阻变换网络转换为电压信号，送入电流误差放大器的反向端。该控制方法不仅能改善传统电压型控制技术稳压响应速度慢、稳定性差的缺点，甚至还能减少大信号变化时产生振荡的弊病，还具有抗噪能力强、不需要斜率补偿的特点。图4为双环控制系统模型。
图4 双环控制系统模型
4.3电路设计
电路设计上，采用T0交流电流互感器采样电枢绕组随负载特性变化的交流电流，经变换后通过补偿电路的补偿电阻R103一端和V03的发射极与图2中R01的两端并联连接。R101、R102可根据负载情况进行分压参数设计；R103可根据补偿需要进行大小调节。电路原理如图5所示。
图5 电路原理图
4.4试验验证
图5中器件选取适当的参数与R01完成接线，分别在空载、负载条件下进行试验。试验数据见表2。
表2数据表明：对于高压直流电源调压系统采用PWM电流型控制方式设计后，电压精度在空载和额定负载下的电压精度都有所提高，全工况下的电压精度从原来的±7.7%提高到了±5.23%。
5 结束语
表2 试验数据
该调压系统结构简单、经济、可靠，可解决高压直流发电机电压精度过低的问题。产品设计案例可作为增程器的重要组成部分应用于增程式汽车电源系统。
［1］汪斌，刘宁，孔灵，等.增程式电动汽车结构及工作模式浅析［J］.汽车电器，2014（12）：41-42，47.
［2］TB/T 3063—2002，旅客列车DC600V供电系统技术条件［S］.
［3］黄继昌，郭继忠，张海贵，等.电子元器件应用手册［M］.北京：人民邮电出版社，2007.
［4］徐九玲，谢运祥，彭军.开关电源的新技术与发展前景［J］.电气时代，2003（6）：53-55.
［5］Marty Brown.Power Supply Cookbook（2nd edition）［M］. Kidlington：Elsevier Science ltd，2001：62.
［6］章名涛.电机学［M］.北京：科技出版社.1964：200-201.
（编辑陈程）
Design of Voltage Regulating System on High Voltage Direct Current Generator
WU Yan-fei，BI Feng，LI Wei-chao
（Xiangyang Hangli Electromechanical Technology Development Co.，Ltd.，Xiangyang 441021，China）
This article introduces application and current trend of high voltage DC generator on automobile，and demonstrates working principals of its voltage regulating system.Based on the example of existing regulating system used on high voltage brushless DC generator，it proposes a design for PWM current-mode regulating system and conducts verification through experiments.
vehicle high voltage direct current generator；generator voltage regulating system；PWM currentmode
U463.631
A
1003-8639（2016）09-0004-03
2015-10-13；
2015-12-05
吴颜飞 （1981-），男，湖北人，助理工程师，主要从事电机控制及逆变电源系统研制工作；毕锋 （1985-），男，湖北人，助理工程师，主要从事变频电源及电机控制系统研制工作；李蔚超 （1990-），男，湖北人，助理工程师，主要从事电机控制系统研制工作。入阻抗高、耐压高及驱动功率小等特点，且有安全工作区宽、过载能力强及热稳定性好等优点，在功率放大、电机调速、开关电源等领域有着广泛的应用［3］。
