宝马车电子控制基础知识(四)

◆文/山东 刘春晖

(4)发电机

每辆车都有自己的发电站——发电机。发电机的任务是发动机运转时为用电器提供电能同时为蓄电池充电。

宝马车辆使用发电机的历史已超过70年，最早的发电机用于为照明装置供电。发电机(图52)将机械能转换为电能。发电机由内燃机通过多楔带驱动。发电机以固定方式安装。

①发电机原理

如图53所示，发电机工作原理与电机工作原理相反。发电机的功能也以电磁感应为基础。通过磁铁的转动，促使转子线圈回路内的电子移动。此时产生电压和电流流动。每转动180°，所产生的电压就改变一次方向(极性)。这样就产生了交流电压(图54)。车内用电器、蓄电池和点火系需要直流电压。因此必须将所产生的交流电压转换为直流电压。交流发电机的部件结构如图55所示。

②交流发电机的结构和工作原理

交流发电机的电路结构示意图如图56所示，定子内有三个以“星形”方式连接的线圈。线圈的起始点分别标有字母U、V、W，星形交叉点以字母N标出。线圈接头与整流器电路连接。发电机转子(电磁铁)转动时，每个定子线圈内都产生交流电压。

交流电流在转子绕组内产生强度和方向连续变化的磁场。这三个磁场的共同作用形成一个旋转磁场。线圈在定子内的这种布置使所产生的三个交流电压彼此错开120°(图57)。然后由九个二极管组成的电路将交流电压整流形成直流电压(图58)。

这个直流电压还取决于发动机转速。即怠速运转时电压较低，满负荷时电压较高。因此安装一个调节器以使电压保持恒定。调节器不断将车载网络电压与发电机电压进行比较。

通过改变励磁电流强度调节发电机电压。只要发电机电压保持在14V，则不再改变励磁电流强度。车载网络电压降低时，转子内的励磁电流升高且电压上升。但是，为使转子转动内燃机也必然消耗更多的功率。发电机电压超过车载网络电压时，则中断励磁电流。

③智能化发电机调节功能

在新款宝马车辆内使用了智能化发电机调节功能IGR。在滑行模式下IGR利用以前未利用的动能来驱动发电机。因此无需消耗发动机动力和燃油即可产生电流并提供给车载网络。此时不能使蓄电池保持电量充满状态，而是必须确保蓄电池电量在规定限值以内。电量充满的蓄电池无法吸收能量。因此由IGR来防止达到这种充电状态。为了实现IGR功能，车辆蓄电池的负极接线柱上需要安装一个智能型传感器且发电机上需要带有一个通信接口。发电机的电路符号如图59所示，常见发电机电路如图60所示。

(5)交流电动机

电机中还有一个重要类别是交流电动，一般在工业上应用比较广泛，宝马除了有部分油泵采用交流电机之外，目前在车上应用较少。但是随着混合动力车型的推广，交流电机在车辆上也得到越来越多的应用。以宝马使用的交流电机为例进行简要的说明。

在混合动力的车上使用的交流电机，既可作为交流发电机使用，也可作为交流电动机使用。图61突出显示电动机的主动变速器剖面图。如图62所示，电动机/发电机的内部主要是由定子和转子组成的，应用的是电磁感应原理(图63)。

①定子

定子即定子绕组或电枢绕组，由三组绕组组成，连接方式跟常规车用交流发电机一致。

②转子

转子有两种形式，一种是线圈即励磁绕组，线圈通入直流电流，产生转子磁场，其有效励磁磁通与静止的电枢绕组相交链。还有一种是永磁式的，即宝马目前使用的形式。

作为发电机使用时，驱动系统带动转子转动，磁场切割定子线圈，每一组定子线圈内都会生成交流电动势，三组线圈会产生三相交流电，工作原理和常规的交流发电机相同。

作为电动机使用时，控制系统将直流电源经过逆变电路变成三相交流电，并通过三相电缆加载在定子线圈上，每一组定子线圈上都会产生一个交替变换的磁场，就可以在起动机/发电机内产生一个旋转的磁场，该旋转磁场与定子的磁场交互作用，就可以推动定子按预设的方向进行转动，于是电机就变成了起电动机，驱动动力传动系统运行。

在作为电动机转动时，系统需要知道转子的位置和角度，以确定转子的旋转方向(比如E72)，通过控制三相绕组交流电通电的顺序控制转子的转动方向。通过控制三相绕组内电流的大小控制旋转磁场的大小，即控制电动机的转速。

2.继电器

简而言之，继电器是一个远程控制开关。继电器是使用历史最长的电工学元件。尽管如此在现代车辆上仍广泛应用。继电器主要用于利用控制电路内较低的功率控制功率较高的电路。利用一个控制电路同时控制多个负荷电路，从电气角度将控制电路与待切换的电路分开。

如图64所示，机械式继电器通常依据电磁铁工作原理工作。线圈内的电流产生通过铁磁芯的磁流。电枢也由铁磁材料制成且受磁力吸引。因此使电气触点闭合，电流在负荷电路中流动。

如图65所示以灯泡电路为例对继电器的工作原理加以说明。如果线圈未受控制电流的激励作用(开关2未闭合)，常开触点断开且白炽灯泡不亮起。控制电流接通(开关2闭合)时激励线圈。从而形成一个吸引电枢的磁场并使工作触点闭合。因此负荷电路接通，白炽灯泡亮起。

工作时通过控制电流使负荷电路闭合的继电器称为常开继电器。工作时通过控制电流使负荷电路断开的继电器称为常闭继电器。还有一种将两种继电器类型结合在一起的切换继电器，即工作时使一侧工作触点断开，另一侧工作触点闭合。为能够区分插头线脚上的连接点，继电器盖罩上带有针脚说明(图66)。

3.压电式喷射器

与常规发动机相比较，HPI缸内直喷式发动机有着显著的优点，但是对于燃油系统却有着较高的要求。宝马采用的缸内直喷的系统使用了两种喷油器，一种使用电磁阀式(N55，N73)高压喷射阀，结构在很大程度上与传统的喷射阀相似(图67)。如图68所示，还有一种是压电式喷射器(N43，N53，N54，N63，N74使用)，其安装位置如图69所示。

对于缸内直喷的喷油器，必须要精确控制喷束导方向，确保喷入的燃油锥束保持稳定，即使燃烧室内受压力和温度的影响。

压电喷射器可产生最高200bar(1bar=100kPa)的喷射压力并使喷嘴针以极快的速度打开。这样可摆脱受气门开启时间限制的工作循环而向燃烧室内喷射燃油。

压电喷射器与火花塞一起集成在进气门与排气门中间的汽缸盖内。安装在此处可避免喷入的燃油沾湿汽缸壁或活塞顶。通过汽体在燃烧室内的移动以及稳定的燃油锥束可均匀形成均匀的燃油空气混合气。气体移动一方面受进气通道几何形状的影响，另一方面也受活塞顶形状的影响。喷入燃烧室内的燃油通过增压空气形成涡旋，直至点火时刻前在整个压缩室内形成均匀的混合气。

(1)压电喷射器的结构

如图70所示，压电喷射器主要由向外打开式喷嘴针、压电元件和热补偿器三个总成组成。压电元件通电后膨胀使喷嘴针向外伸出阀座。为了能够承受相应阀门开启升程的不同运行温度，喷射器装有一个热补偿元件。

向外开启式喷嘴针如图71所示，喷嘴针从其锥形针阀座内向外压出。因此形成一个环状间隙。加压后的燃油经过该环状间隙形成空心锥束，其喷射角度与燃烧室内的背压无关。

如图72所示，喷射过程中压电喷射器的喷射锥束(1)可能会扩大(2)。由于发动机内部会形成炭烟，因此这种现象在一定程度内是允许出现的且很常见。但是，如果喷射角度扩大后喷射到火花塞上，则会导致火花塞损坏。

(2)压电元件

喷射器内不再通过电磁线圈，而是通过一个压电元件使喷嘴针移动。如图73所示，压电元件是一个电气机械式转换器，由一种陶瓷材料制成，可将电能直接转化为机械能(作用力/行程)。压电式打火机是大家熟悉的一种压电应用形式：向一个压电晶体施加压力产生电压，直至产生火花并点燃气体。采用压电式执行机构时施加电压使晶体膨胀。

为了达到较大的行程，压电元件可以采用多层结构。执行机构模块由机械串联、电气并联的多个压电陶瓷材料层组成。压电晶体的偏移程度取决于所施加的电压，最多可达到晶体的最大偏移量；电压越高行程越大。

(全文完)