汽車發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)展與設(shè)計(jì)思路的演變

周泉

汽車交流發(fā)電機(jī)將從發(fā)動(dòng)機(jī)處獲得的動(dòng)力變換成電能，供給蓄電池充電與電負(fù)荷用能量，因此，提高發(fā)電效率，降低發(fā)動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)力矩，就可以減少燃油的消耗。在市場(chǎng)激烈競(jìng)爭(zhēng)與環(huán)保法規(guī)逐年加嚴(yán)的形勢(shì)下，近些年來，出于節(jié)能的想法，交流發(fā)電機(jī)以及汽車附件開展電動(dòng)化，發(fā)電機(jī)的輸出電流進(jìn)一步增加，如何提高發(fā)電機(jī)的效率也出現(xiàn)了一些難點(diǎn)。

1 提高交流發(fā)電機(jī)的效率

1.1 定子繞組采用扁銅線

提高交流發(fā)電機(jī)效率的一項(xiàng)上策是降低定子繞組的電阻，由此減少銅損。傳統(tǒng)交流發(fā)電機(jī)采用的是將多根圓漆包線一次嵌入到電樞槽的工藝，因而無法提高槽內(nèi)漆包線的槽滿率。與此相比，將扁銅線整齊嵌入到電樞槽中可使槽滿率獲得飛躍地提高，而且降低了定子繞組的電阻。如圖1所示。

1.2 采用卷圓式定子鐵心總成

影響汽車交流發(fā)電機(jī)效率的最大因素是定子繞組總成的銅損。以S公司為例，老產(chǎn)品6G系列發(fā)電機(jī)的銅損約占總損耗的67%。要想降低定子繞組總成的銅損，最有效的方法是盡可能有效利用定子繞組的占地，即增大繞組的截面積。也就是說，最有效的方法是提高定子繞組總成的槽滿率 （∑銅線截面積／定子繞組的占地）。以上面提到的6G系列發(fā)電機(jī)為例，只對(duì)嵌入定子槽內(nèi)的銅線部分加以整形，就開發(fā)出了槽滿率得到提高的8G系列發(fā)電機(jī)。但是，在生產(chǎn)過程中，需要從軸向?qū)⒗@組嵌入到鐵心中，所以、槽滿率的提高是有一定限度的。如圖2所示。

為此，融合了8G系列發(fā)電機(jī)采用的整形技術(shù)與所開發(fā)的卷圓式定子繞組制造技術(shù)，又開發(fā)出了9 G系列發(fā)電機(jī)。生產(chǎn)這種定子繞組總成時(shí)，與以前首先制造成環(huán)狀定子鐵心不同的是：先制成條狀的定子鐵心，再將另外制造的條狀繞組整形后，從鐵心槽的開口方向嵌入到鐵心中，如圖2所示。采用這種工藝，大大地提高了定子繞組的槽滿率，如圖3所示，同時(shí)，由于降低了線圈的端部高度，成功地降低了定子繞組的內(nèi)阻。

1.3 運(yùn)用熱流體技術(shù)解析交流發(fā)電機(jī)

近幾年來，由于采用再生制動(dòng)技術(shù)，進(jìn)一步要求交流發(fā)電機(jī)增大輸出，伴隨而來的是提高交流發(fā)電機(jī)的散熱能力。而另一方面，因發(fā)動(dòng)機(jī)減小體積，其噪聲降低，過去被發(fā)動(dòng)機(jī)聲音遮蓋的交流發(fā)電機(jī)噪聲變得明顯起來。因此，與傳統(tǒng)的汽車交流發(fā)電機(jī)相比，對(duì)其提出了較高的降低噪聲要求。

為了滿足這種社會(huì)需求，生產(chǎn)廠家開發(fā)出了新的GX系列發(fā)電機(jī)。這種發(fā)電機(jī)采用了軸流式冷卻結(jié)構(gòu)，將冷卻空氣的進(jìn)風(fēng)口、風(fēng)扇的進(jìn)風(fēng)口布置成一條直線，減少冷卻氣流的流動(dòng)阻力，使冷卻空氣的風(fēng)量約提高了10%。同時(shí)，利用擴(kuò)大散熱面積開發(fā)出較高傳導(dǎo)特性的散熱片，使發(fā)電機(jī)具有了較高的冷卻性能。此外，利用流體模擬法開發(fā)了噪聲源特定技術(shù)，通過排除噪聲源及采取措施，使風(fēng)扇噪聲下降了2dB。GX系列交流發(fā)電機(jī)的外觀如圖4所示。

1.4 其他措施

關(guān)于定子鐵心材料，選用了板厚減薄的材料，從加工性能與電磁特性2個(gè)方面選用含Si量合適的冷軋板，以減少鐵損。

要想節(jié)約燃油，比較有效的手段是輕量化與減少占地，對(duì)汽車交流發(fā)電機(jī)來說，就是不增大體積的前提下，增加發(fā)電機(jī)的輸出功率。交流發(fā)電機(jī)的輸出功率受到限制的主要原因是發(fā)電時(shí)的發(fā)熱引起部件的溫度升高，因此，降低發(fā)熱量與提高散熱能力是提高輸出功率的有效途徑。

1）在汽車交流發(fā)電機(jī)上，發(fā)熱最厲害的是定子繞組。內(nèi)扇式發(fā)電機(jī)上的冷卻風(fēng)扇設(shè)置在爪極的兩側(cè)，恰恰與定子繞組相對(duì)，即便如此，因線圈端部的重疊形成了通風(fēng)的阻力，對(duì)降溫形成了阻礙，對(duì)此，在改用了無重疊的嵌線方式之后，線圈端部呈網(wǎng)狀，確保了端部線圈之間的氣隙，由此可以降低定子繞組的發(fā)熱并改善通風(fēng)性能，如圖5所示。此外，隨著定子繞組電阻的減少，其自身的發(fā)熱也大幅度地下降，即提高了散熱性能。

2）改進(jìn)整流器散熱片的結(jié)構(gòu)，提高冷卻性能。如圖6所示。

2 交流發(fā)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

2.1 交流發(fā)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)皮帶

汽車零部件 （例如空調(diào)、交流發(fā)電機(jī)等）的輸出功率在增大，而另一方面為了節(jié)省燃油，則迫切地希望提高動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)的效率，要求車輛的小型化與輕量化，并確保安全即實(shí)現(xiàn)緊湊化。為了適應(yīng)用戶的這些需求，廠家開發(fā)出了可以減少皮帶寬度（皮帶齒數(shù)）、可承受較高負(fù)荷的汽車零部件用驅(qū)動(dòng)皮帶，如圖7所示。由于這種驅(qū)動(dòng)皮帶采用了高強(qiáng)度橡膠與高強(qiáng)度芯線，單位皮帶寬度 （皮帶每齒）的傳動(dòng)能力約提高30%。與舊型皮帶具有同等的壽命，但寬度僅為其2／3。概括來看，新型皮帶具有下列特點(diǎn)。

1）可以實(shí)現(xiàn)皮帶驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的緊湊化。以往需要7齒皮帶驅(qū)動(dòng)的改用新型皮帶后，僅用5齒就可以了，減少了約7mm的占地。

2）實(shí)現(xiàn)了皮帶驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的輕量化。每輛汽車約可以減輕500～1200g。

2.2 交流發(fā)電機(jī)的皮帶輪

對(duì)比較省油的柴油機(jī)來說，因?yàn)閴嚎s比很高，發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩變動(dòng)比較大，在這種柴油機(jī)用的交流發(fā)電機(jī)上裝用內(nèi)裝離合器的皮帶輪，可以降低皮帶張力的變化，提高皮帶的壽命，防止皮帶打滑的噪聲。

對(duì)汽油機(jī)來說，為了降低油耗，采用直噴化、降低怠速轉(zhuǎn)速等措施，皮帶張力的變化趨于嚴(yán)重，這可通過內(nèi)裝離合器的皮帶輪得到改善。內(nèi)裝離合器的皮帶輪結(jié)構(gòu)如圖8所示。

3 發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路的演變

3.1 傳統(tǒng)思路

國內(nèi)出版的很多汽車電氣類書籍在介紹到蓄電池與發(fā)電機(jī)的功能時(shí)，大多的內(nèi)容為：①起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)，由蓄電池對(duì)起動(dòng)系統(tǒng)和點(diǎn)火系統(tǒng)供電；②發(fā)動(dòng)機(jī)低速運(yùn)轉(zhuǎn)、發(fā)電機(jī)電壓低于蓄電池電壓時(shí)，由蓄電池對(duì)用電設(shè)備供電；③發(fā)動(dòng)機(jī)中高速運(yùn)轉(zhuǎn)、發(fā)電機(jī)電壓高于蓄電池電壓時(shí)，由蓄電池將發(fā)電機(jī)的剩余電能儲(chǔ)存起來；④當(dāng)發(fā)電機(jī)過載時(shí)，蓄電池協(xié)助發(fā)電機(jī)供電；⑤蓄電池可以吸收瞬時(shí)過電壓。直至40多年以前，這樣的論述還是有說服力的。

3.2 1980年代起的思路

但從20世紀(jì)60年代起，新型發(fā)電機(jī)即交流發(fā)電機(jī)的出現(xiàn)，情況則發(fā)生了變化。由于交流發(fā)電機(jī)逐步取代了直流發(fā)電機(jī)，20世紀(jì)80年代起，汽車生產(chǎn)大廠對(duì)部件廠家提出了新的要求，德國的博世公司提出了實(shí)現(xiàn)汽車電系的最佳配合，日本的汽車電氣廠家紛紛提出要開發(fā)小型、高輸出功率的發(fā)電機(jī)，兩者之間只是說法不同，但可以歸納出一些共同點(diǎn)。

1）對(duì)汽車來說，竭力采用容量較小的蓄電池。目標(biāo)是只要滿足起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)，對(duì)起動(dòng)系統(tǒng)和點(diǎn)火系統(tǒng)供電即可。

2）采用輸出功率足夠的交流發(fā)電機(jī)，車輛一旦起動(dòng)之后，車輛的所有供電完全由交流發(fā)電機(jī)承擔(dān)。

3.3 21世紀(jì)初的思路

進(jìn)入21世紀(jì)以來，車輛發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路又發(fā)生了較大的變化。在國外汽車樣本的技術(shù)規(guī)格中，可以看到這樣的欄目說明：在降低油耗的措施一欄注明為 “充電控制”。從2014年起，這類車型逐漸增多。

3.3.1 充電控制的含義

從整個(gè)汽車行業(yè)來看，對(duì)充電控制這一項(xiàng)目已進(jìn)行了多年的研究，有的稱為充電控制，也有的稱為充放電控制，但并沒有大的差別。充電控制系統(tǒng)可以說是廣義的能量再生系統(tǒng)，通過對(duì)交流發(fā)電機(jī)輸出電壓的控制，實(shí)現(xiàn)節(jié)省燃油，而且不必要增加硬件，不作設(shè)計(jì)更改。

沒有裝用充電控制系統(tǒng)的車輛上，只要在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的期間，交流發(fā)電機(jī)就毫不休止地發(fā)電、充電。根據(jù)這種充電方式的工作原理，即便蓄電池已經(jīng)達(dá)到滿充電，仍然對(duì)其充電。而且，多余的電力沒有儲(chǔ)存到蓄電池中，無處可去的電能被浪費(fèi)了。松下公司用動(dòng)畫來宣傳充電控制的優(yōu)點(diǎn)，談到這一點(diǎn)時(shí)，就用硬給幼兒喂食物作為形象的比喻，如圖9所示。

交流發(fā)電機(jī)毫不間歇地運(yùn)轉(zhuǎn)、發(fā)電，意味著一直有較大的負(fù)荷加在發(fā)動(dòng)機(jī)上。這一較大的負(fù)荷一直加在發(fā)動(dòng)機(jī)上，造成發(fā)動(dòng)機(jī)無法發(fā)揮出本來的功能，增加了油耗，出于這種思路而形成了充電控制系統(tǒng)。設(shè)蓄電池滿充電時(shí)的充電量為100%，那么在蓄電池充到大約60%～80%之間的一定量時(shí)，ECU就對(duì)交流發(fā)電機(jī)發(fā)出停止發(fā)電的指示。

從停止發(fā)電時(shí)起，蓄電池從充電轉(zhuǎn)換為放電，因?yàn)檫€沒有達(dá)到滿充電，所以沒有剩余的電量。進(jìn)而，停止發(fā)電就意味著：減輕了加在發(fā)動(dòng)機(jī)上的負(fù)荷，在節(jié)省燃油的狀態(tài)下行駛，即降低了油耗。

蓄電池的充電量低于60%的話，與上述情況相反，ECU對(duì)交流發(fā)電機(jī)發(fā)出發(fā)電的指示，重新對(duì)蓄電池充電，如圖10所示。

采用如上所述的重復(fù)充、放電的工作方式，從而節(jié)省燃油的系統(tǒng)，稱為充電控制系統(tǒng)。

3.3.2 充電控制車輛采用的蓄電池

通過采用充電控制系統(tǒng)控制對(duì)蓄電池的充電，可以實(shí)現(xiàn)節(jié)油狀態(tài)行駛，但加在蓄電池上的負(fù)擔(dān)卻增大了。新型汽車上裝用了較多的ECU類耗電部件，更加加重了蓄電池的負(fù)擔(dān)，再加上充電控制系統(tǒng)重復(fù)于ON／OFF方式的充電，所以就變成了通用蓄電池?zé)o法承受的狀況。

苛刻的狀況將降低蓄電池的性能，縮短其壽命，也有可能影響周圍的部件并增加它們的負(fù)荷。因此，對(duì)充電控制車輛，應(yīng)采用短時(shí)間內(nèi)充電效率高且可以充電的高標(biāo)準(zhǔn)蓄電池。當(dāng)然，充電控制車輛用蓄電池的價(jià)格要比通用蓄電池的高。正因如此，如果在充電控制車輛上隨便裝用了其他蓄電池，車輛本來具有的性能就不能發(fā)揮出來。

3.3.3 充電控制系統(tǒng)的工作原理

作為一項(xiàng)降低汽車油耗的技術(shù)，充電控制系統(tǒng)引起了各相關(guān)部門的重視。簡(jiǎn)單來說，充電控制系統(tǒng)就是控制交流發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，由此減輕加在發(fā)動(dòng)機(jī)上的負(fù)荷。其工作原理為：在車輛加速時(shí)，充電控制系統(tǒng)降低交流發(fā)電機(jī)的發(fā)電電壓；反之，在車輛減速時(shí)，充電控制系統(tǒng)提高交流發(fā)電機(jī)的發(fā)電電壓。而在怠速 （感到充電不足）時(shí)以及以一定速度行車 （有可能過充電）時(shí)，則向交流發(fā)電機(jī)指示適當(dāng)?shù)陌l(fā)電電壓，對(duì)發(fā)電電壓加以調(diào)整。由此，降低為交流發(fā)電機(jī)發(fā)電用的發(fā)動(dòng)機(jī)的負(fù)荷，節(jié)省燃油。其工作原理如圖11所示。

從圖11中可以看到，充電控制系統(tǒng)設(shè)有電流傳感器，電流傳感器的作用是檢測(cè)蓄電池的充放電電流，將所得結(jié)果傳遞到發(fā)動(dòng)機(jī)ECU。根據(jù)這些數(shù)據(jù)，ECU把握蓄電池當(dāng)前的剩余容量，再加以充電。

另一個(gè)為溫度傳感器，液溫的過低或過高都會(huì)促進(jìn)蓄電池的老化，或者導(dǎo)致蓄電池過充電。此外，蓄電池的充電接受性也會(huì)發(fā)生變化，所以，檢測(cè)蓄電池液溫，將所得結(jié)果傳遞到發(fā)動(dòng)機(jī)ECU，由此考慮液溫后實(shí)施充放電控制。

從上面的說明中可以看出：日常維修中，要知道辨別裝有充電控制系統(tǒng)的車輛，僅從外觀上很難區(qū)別是否為充電控制車輛。這里介紹兩點(diǎn)：一是裝有充電控制系統(tǒng)的車輛上，一般都貼有尾氣低排放或油耗符合XX標(biāo)準(zhǔn)車的標(biāo)志；二是觀察蓄電池端子的附近是否裝有傳感器，裝有傳感器的車輛一般為充電控制車輛。圖12為裝有電流傳感器的例子。

4 關(guān)于汽車交流發(fā)電機(jī)的充放電控制

所謂發(fā)電就是將某種能量轉(zhuǎn)換成電能。汽車上通常是利用消耗燃油后得到的旋轉(zhuǎn)能量，使交流發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn)進(jìn)行發(fā)電。目前已經(jīng)形成了將車輛具有的動(dòng)能轉(zhuǎn)換成電能的再生發(fā)電技術(shù)，為了更有效地進(jìn)行這種再生發(fā)電，則開始運(yùn)用交流發(fā)電機(jī)的充放電控制。

由再生發(fā)電所獲得的電力，是把本來已經(jīng)放棄的熱能經(jīng)回收后得來的。如果能夠更多地儲(chǔ)存這樣獲得的電力，就可以通過抑制燃油發(fā)電而節(jié)省了燃油的消耗。為了有效地進(jìn)行這種再生充電與休止發(fā)電，就要求交流發(fā)電機(jī)應(yīng)具有下述功能。

4.1 可在寬范圍上控制發(fā)電電壓

要想更多地利用再生所獲得的電力，就需要將這些電力有效地儲(chǔ)存起來。比較有效的方法是提高再生發(fā)電狀態(tài)時(shí)刻交流發(fā)電機(jī)的發(fā)電電壓，由此可以增大向蓄電池充電的電流，結(jié)果可以增加所儲(chǔ)存的電力。反之，在發(fā)電電壓低于蓄電池電壓的場(chǎng)合下，交流發(fā)電機(jī)實(shí)質(zhì)上處于休止?fàn)顟B(tài)，不消耗發(fā)電所需要的燃油。

但另一方面，為了增加充電電流而提高充電電壓的話，整個(gè)車輛的電源電壓就會(huì)升高，這就需要考慮燈具的亮度及電機(jī)類的轉(zhuǎn)速等工作狀態(tài)的變化對(duì)設(shè)備帶來的影響。此外，還要考慮到相關(guān)法規(guī)對(duì)燈具所加電壓的規(guī)定。充電電流的增加實(shí)際上就是交流發(fā)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩發(fā)生變化，因此需要控制電壓，以保證再生發(fā)電時(shí)的減速?zèng)]有顯著變化以及沒有超過必要的減速。

4.2 電壓的無級(jí)控制

以前就用過對(duì)發(fā)電電壓分檔的方法，與提高發(fā)電效率及拓寬控制電壓的范圍相應(yīng)，電壓的無級(jí)控制效果變得更加顯著。隨著前述利用電壓的變化來抑制動(dòng)作的變化量成為現(xiàn)實(shí)，將可以利用控制充電電流的方法來抑制無用途的發(fā)電。

4.3 大容量與高效率

如上所述，隨著汽車消耗電力的增加，交流發(fā)電機(jī)的輸出功率將會(huì)進(jìn)一步增加。尤其是近年來，怠速起停技術(shù)應(yīng)用范圍的擴(kuò)大，充、放電控制應(yīng)用范圍的擴(kuò)大，蓄電池的充放電電流將大幅度地提高，對(duì)交流發(fā)電機(jī)增大輸出功率的要求會(huì)更加迫切。

［1］周泉.采用扁銅線定子繞組的交流發(fā)電機(jī)［J］.汽車電器，2003（2）：60-62.

［2］周泉.交流發(fā)電機(jī)鐵心的新材料［J］.汽車電器，2003（4）：59-60.

［3］周泉.塑料皮帶輪與帶單向器的皮帶輪［J］.汽車電器，2003（5）：58-61.