汽车电压调节器的现状与发展
2019-03-20
(天津城市建设管理职业技术学院，天津 300134)
引言
汽车的电子系统具有高度综合性和集成性，现代汽车电子已经发展为以计算机为核心、集成电路为基础、传感器为桥梁的新型格局。汽车越来越智能化，车载音响、车载电视、GPS、安全电子技术、自动空调技术等的应用对汽车供电系统的可靠性提出了更高的要求。这就要求汽车不但要有稳定的整流器、高效的发电机，还需要有高性能的电压调节器。
电压调节器的作用就是当汽车发动机转速变化和负载发生变化时，能自动控制发电机输出电压稳定在规定范围内。现代汽车上不断出现新的电子设备，电压调节器的功能也随之不断发展。
一、电压调节器的发展过程
随着科技的进步和集成电路技术的发展，电压调节器的发展大致经历了以下阶段 。
(一)触点式调节器
触点式调节器通过电磁振动工作，转子绕组的励磁电流由电磁铁控制，以控制触头的断开和闭合，从而实现对发电机电压的调节。由于结构复杂，触点式调节器质量和体积大，长期使用触点容易烧蚀，寿命短，并且开闭动作缓慢，可靠性不高，对无线电干扰大，现已被淘汰。
(二)分立元件式调节器
分立元件调节器，也称为晶体管电子调节器,由分立的电子元件组成。它将所有电子元件直接焊接到印刷电路板上，并将电路板固定在用硅橡胶封装的铁盒或铝盒中。调节器通过晶体管的开关特性控制发电机的励磁电流，以保持发电机输出电压恒定。与触点式调节器相比，精度更高，体积小，成本更低，而且没有无线电干扰。但是此类电子调节器受专业焊接技术影响较大，电子器件自身稳定性对其性能的限制也比较大，产品一致性差、耐反压能力差、抗冲击性差，在汽车用电设备较少且功率要求不高的状况下可以使用。
现在大多数低端载货车和农用车都使用分立元件电压调节器来降低成本，图1为低端卡车使用的分立元件电压调节器原理图。
图1 分立元件电压调节器原理图
(三)集成电路调节器
集成电路电压调节器现在广泛用于汽车，其组成和工作原理类似于分立元件电压调节器。不同的是，它将所有电路元件都集成在同一个半导体衬底上，形成独立的、不可分离的电子电路。电压调节器实现了小型化，可以形成整体式交流发电机安装在汽车发电机内部，既简化了外部布线又减小了汽车充电系统的体积。
(四)混合集成电路电压调节器
随着汽车工业的发展，混合集成电路调节器应运而生，它满足了市场对电压调节器可靠性和多功能性的需求。目前市场上的大多数汽车(如捷达，夏利，桑塔纳，卡罗拉等)都使用混合集成电路电压调节器。它不仅可以确保发电机输出电压在各种恶劣环境下的稳定性，还可以检测汽车发电机、指示灯以及集成电路本身。可以设定预激磁频率、切入转速等，以满足不同类型发电机的需要；同时，集成电路还带有短路，过流和过温保护等功能。
图2 夏利汽车采用的集成电路电压调节器电路图
图2显示了夏利汽车使用的电压调节器的电路图。当VT1周期开启与关闭时，发电机转子电路循环开启与关闭，发电机的输出电压被控制在设定范围。同时电路中还增加了自诊断、电压保护等功能。当发电机由于转子绕组的开路等不发电时，调节器引脚P端子的电压信号为零，控制VT2始终接通，充电指示灯亮起，提醒驾驶员汽车充电系统故障，实现了自诊断。当引脚IG和蓄电池的接线有断线故障时， IG端子无法检测到发电机输出电压信号，为了防止发电机输出电压失控，调节器可以根据P端子的电压信号控制VT1导通与关断。因此，发电机的输出电压能控制在13.6至16.3V的范围内。
图3 丰田卡罗拉汽车集成电路电压调节器原理图
近年来，日本丰田卡罗拉和其他车辆广泛使用如图所示的电压调节器。此种调节器采用发电机电压检测来调节电压，许多功能与图2所示的基本相同，同时增加了M端子和C端子，实现了在增加车辆动力的同时降低燃料消耗的功能，调节器更加智能化。M端子将晶体管T1的占空比传送到ECU，ECU可以根据该信号调节发动机速度等。C端子的功能是根据发动机运行状态将发电机调节电压转换为高或低电平。当发动机加速时，ECU内的三极管导通，C端子输出低电平，发电机输出低电压，这样减少了发电机的发电量，提高了车辆的加速性能；当汽车正常运行时，ECU内部的三极管断开，C端子输出高电平，发电机输出高电压，发电机正常发电。
二、电压调节器的稳压方式
目前市场上常用的混合集成电路调节器，主要通过以下几种方式来实现稳压。
(一)调节发电机励磁电流
该调节方法主要控制发电机的励磁电路接通或断开或改变励磁电流的大小，以控制发电机输出电压。当发电机的输出电压Uo 采用调节励磁电流控制的电压调节器对发电机转速的快速变化处理有延时，当发电机从无到有的建立中必然出现超调，同时励磁电流的开关变化容易造成最终输出电压的小幅变化，从而降低输出电压的精确程度。 LDO线性稳压器的结构和原理相对简单，如图4所示。Vamp将电压源形成的参考电压与输出采样电路形成的反馈电压进行比较，输出信号用于控制与发电机串联连接的调整管，从而保证输出电压稳定。这种调压方式具有成本低、噪音低、静态功耗小等优点，近年来国内的电压调节器一般采用这种方式，通过不断改变参考电压源，比较电路和保护电路等参数来改善电路性能。但是LDO线性稳压器效率较低，通常只有40%～50%，当输出电压越低，其效率越低，不适用于低电压高效率的系统。 图4 LDO线性稳压器实现方式 随着混合动力汽车的出现，采用传统稳压方式，发电机的输出电压及功率不能满足汽车使用电压的需求。因此，出现了将DC/DC转换器作为电压调节的电子调节器。DC/DC转换器将DC输入电压转换为更小或者更大的DC输出电压。这种电子调节器的转换效率高、可以输出大电流、静态电流小，但是DC/DC转换器结构比较复杂，高频开关管噪声比较严重，造价高。2017年由Sergio Saponara等人设计实现的电子调节器采用DC/DC转换器结构，将直流2.5～60V的输入电压转换为1～48V的输出电压，转换效率达85%。图5为具有外部元件的集成DC/DC控制器电路图。 图5 具有外部元件的集成DC/DC控制器电路图 如何高效精准地控制发电机的励磁电流将会影响调节器的稳压性能。随着全控型器件(GTO、MOSFET、IGBT等)的产生，PWM(脉宽调制)控制方法逐渐应用于发电机的励磁控制中。国外已经推出了相应的电压调节器，并且成功应用于实车系统中。通用的林荫大道轿车，发动机控制模块通过调节占空比发送PWM信号，以调节发电机励磁电流；丰田的雷克萨斯轿车，发电机励磁电流频率调节范围更宽。 励磁控制器由传统的集成电路硬件励磁控制向以单片机、DSP、PLC等为基础，应用现代控制策略建立仿真模型的数字控制器发展。电压调节器向更加智能化的方向发展，既可以保证用电设备的正常工作，还可以提高燃料的利用率并降低车辆成本。现在主要集中在研究如何产生适合的PWM波形，对发电机励磁通断进行控制。根据控制理论的发展，激磁控制方法经历了以下阶段。 PID控制是发电机给定量与反馈量之间偏差的比例积分微分控制。PID控制现在应用比较广泛，但是PID控制无法有效解决调节精度和稳定性之间的矛盾，在控制非线性、参数结构不确定的复杂过程时并不理想。 线性最优控制采用二次型性能指标，设计了发电机线性最优控制系统。然而这种控制方式需要系统完全可控，平衡时系统存在最优解，参数确定，扰动只能为脉冲等条件限制，很难普遍应用。 实际系统通常是一个非线性系统，它真实地反映了系统及其运行条件。仿真结果表明，非线性励磁控制可以有效提高系统的稳定性，对系统参数，结构和运行方式的变化具有很强的适应性。然而，非线性励磁控制仅适用于放射非线性系统的理想状态，并且采用该方式时要求参数必须确定。 自适应励磁控制系统可以自动跟踪受控对象结构，参数等的动态变化，不断修改控制器参数或调整控制策略，实现最优控制。研究表明，自适应励磁控制的控制效果优于其他固定参数控制，但是需要在线学习，对各种工况进行调节，并用估计参数替代实际参数，算法复杂，计算量大。 目前研究比较多的如：模糊控制、神经网络控制、专家系统控制以及基于遗传算法的控制等。它们不依赖于受控对象的精确数学模型，而是依赖于智能广义模型，将控制理论和人们的知识、经验和直觉推理相结合。它是一种可以处理非线性、不确定参数结构和复杂任务的数学模型。智能控制具有很多优点，但是目前仍处于仿真实验阶段，是未来发展的方向。 汽车随着负载和转速变化，运行状况不断发生变化，采用单一固定参数的PID励磁控制无法满足汽车发电机动态精准调整电压的要求。文献中提出了一种采用简单自适应励磁控制与PID控制相结合的方法进行汽车PWM励磁控制，实验结果表明，当发电机突然启动，发电机在正常运行后改变发电机转速，PWM励磁控制的发电机可以平稳地建立电压并具有良好的电压稳定性。 全球汽车电压调节器的供应链主要被欧美等国家控制，国内企业整体规模较小，以中低端产品为主。经过多年的发展，国产电压调节器可以保证基本的电压调节功能，同时满足市场对多功能的需求，增加了过流，过热保护，发电机转子断开显示和电子调节器外部控制。但是由于电路复杂，国内制造商还难以实现软启动、固定频率等功能。 近几年国内汽车需求量的急剧上升，汽车的能耗和排放越来越受到重视。这对国内汽车电压调节器制造商提出了更高的要求，国内对智能控制技术不断研究，文件中提出的智能控制策略，智能化改造了传统发电机。实际的车辆测试证明可以实现制动能量回收，并且燃料消耗减少了3.7%。在未来，随着电子器件和控制理论的进一步发展，智能电子调节器能根据发电机的工作模式决定发电机电压值，以改善汽车发电系统，达到节能的效果。(二)LDO线性稳压器
(三)DC/DC转换器
三、电压调节器的励磁控制
(一)PID励磁控制
(二)线性最优励磁控制
(三)非线性励磁控制
(四)自适应励磁控制
(五)智能励磁控制
四、结语
