汽车发电机效率优化方向研究

易远程，郑 妍，黄 兴

（1.上汽大众有限公司，上海 201800；2.锦州汉拿电机有限公司，辽宁 锦州 121000）

最近工信部发布《乘用车燃料消耗量限值》和《乘用车燃料消耗量评价方法和指标》征求意见稿，与老版最大的区别是，将测试循环由现行的NEDC（全新欧洲测试循环）改成了WLTC（全球轻型车统一测试循环）。WLTC工况特点是车速波动大，怠速工况少，而且没有特别的规律性，涵盖更广的速度区间，测试周期更长，这样使得传统燃油车油耗恶化明显。同时，汽车电器设备增加，发电机的功率越来越大，使得发电机的因素在油耗计算中影响因子比重增加，因此对发电机效率进行优化成为降低汽车油耗和排放的重要措施。本文通过对发电机的深度分析，提出对发电机定子绕线、风扇、高效二极管等方面的优化，提升发电机的效率，从而达到节油效果。

1 发电机效率优化措施

当前市场上主流的发电机采用的是爪极式发电机，主流选用的输出都在120～150A之间，效率一般为65%～70%左右，发电机效率提升还有一定空间。以下将从整流桥、定子绕线及散热进行优化以提升发电机效率。

1.1 整流桥上使用高效二极管替代普通二极管

发电机发出的交流电都是通过整流桥转化为直流电给其他用电器。三相交流发电机整流桥主要由6只齐纳二极管组成的全波整流，如图1所示。

图1 三相发电机原理图

由于二极管存在着正向压降的特性，导致在功率转换中出现自身损耗。一般普通二极管正向压降VF为1.1～1.2V之间。Actron新开发了一款高效二极管，正向导通电压VF为0.56V，几乎是传统二级管的50%。且二极管的形状与普通二极管一致，在发电机的整流桥可直接替换传统二极管无需对整流板进行更改，如图2所示。普通二极管与高效二极管参数对比见表1。

图2 Actron MLL50

表1 普通二极管与高效二极管参数对比

在装有普通二极管的三相发电机上直接换装高效二极管，根据VDA效率计算，高效二极管将发电机的效率提升了约6%左右。

VDA效率计算方法如下：

式中：ηGen——发电机平均效率；ηGi——各转速下的效率；wi——各转速下的加权；Pmech——消耗的机械功率；Pel——发电机输出功率。

从曲线 （图3）可以得到，应用高效二极管的发电机不仅仅效率提高，而且在低转速下的输出也增大。高效二极管效率与普通二极管效率测试数据见表2。

图3 应用高效二极管的发电机输出曲线

表2 高效二极管效率与普通二极管效率测试数据表

1.2 定子绕线工艺改进

关于发电机定子绕组，不同的绕线方式会对发电机的输出性能以及效率产生影响。发电机定子绕组以圆线定子为例，其主要有两种形式，一种称之为 “波绕”，另一种称之为“叠绕”。叠绕的主要形式如图4所示，其铜线走势为每一个铁心槽内的铜线首、尾两端走线方向一致。在固定的机械角度小，重复缠绕，形成框式结构。以三相定子为例，通过叠绕形成的定子绕组，单相绕组端部过粗，在定子两端，三相绕组相互堆叠，这造成定子两端铜线整形工艺困难，虽然此种绕线模式可以适当节省单相的端部铜线，但是如果要解决整形困难的问题，铁心外部铜线高度需要适当增加，以满足整形需求的空间。并且此种绕线形式，相与相之间的连接线跨度较长，这种将铜线增长的方式极大增加了铜线电阻，在形成感应电流的过程中，增大了电流流经的无效形成，导致发电机性能受限，效率低下。但是此种绕线方式适合人工生产，因此在部分机械化生产程度较低的厂家比较普遍使用。

图4 叠绕示意图

波绕的主要形式如图5所示，其铜线走势为每一个铁心槽内的铜线首、尾部对称分开，各向相反方向延伸，按照单相绕组中的单根铜线来看，均是以波浪形状在铁心槽内向前延伸。这种绕线形式可以解决整形困难问题，使得铁心外部铜线更为均匀地分布，提高散热的同时，可以大大降低定子外部铜线高度，即减少无用铜线的使用，也可一定程度上提升产品的输出性能及效率。

图5 波绕示意图

随着国内工业进程的发展，定子绕线自动化设备日益增多，波绕以其优异的性能逐步替代叠绕方式，并且两种绕线方式明显的优缺点使得目前的大部分发电机均采用波绕的形式制作定子。表3为定子波绕与叠绕效率测试数据表。

表3 定子波绕与叠绕效率测试数据表

1.3 提升发电机的整机散热水平

发电机作为能量转化的媒介，在机械能转化为电能的过程中存在很多种损耗模式，其中热损耗就占有很大一部分比重。随着发电机的输出越来越大，导致发电机的发热量也随着增大。同时，发电机输出会随环境温度增高而降低，所以增加有效的散热也是提高发电机效率的一种方法。23℃和80℃发电机输出曲线对比见图6。

图6 23℃和80℃发电机输出曲线对比

发电机的主要发热源包括定子、调节器、整流二极管，在发电机工作时，其定子内部温度可达220℃。

由于现有发电机基本为内置双风扇结构，因此其主要的散热途径均是通过内部风扇实现。发电机散热风路如图7所示。

发电机的散热效果由风扇所形成的的风量、热源的散热面积、端盖散热口的面积 （通过风量的大小）决定。举例说明，如果在风扇风量、热源散热面积一定的情况下，那么对端盖进行微调整，即增大其瞬时通过风量的能力 （风扇形成总风量>散热孔通过总风量），对定子及发电机整体的温度均存在较大影响。如图8所示，将端盖散热孔增大。

图7 发电机散热风路

图8 端盖优化及风量模拟计算

更改后，端盖散热孔的出风量曾加了0.00022kg／s。风量增加后的定子温度场分析如图9所示。

图9 定子温度场模态分布

由于端盖散热风量的增加，定子平均温度下降了2.5℃。发电机在热态工作时自身热量的降低，可以大大减少铜损，从而提升能量转化过程中的电机效率。优化散热效率测试数据见表4。

表4 优化散热效率测试数据表

2 结束语

本文通过应用高效二极管，改变绕线方式及提升散热水平等方案提升发电机的效率，并进行相关的对比试验。对比数据表明，高效二极管的应用可将效率提升5%左右，绕线和散热水平的优化对效率提升也有不错的效果。这3种方案只需要在原发电机的平台进行优化，就可明显提升发电机效率，具有很好经济性。