新型車載電源系統(tǒng)的發(fā)展概況及研究

引言

隨著汽車工業(yè)的迅猛發(fā)展，人們對汽車的安全性、環(huán)保性、經(jīng)濟(jì)性、舒適性等性能追求也日益增高。從而促使車載電器和電子裝置迅速增加，例如采用電磁或電動執(zhí)行器取代液壓傳動和氣壓傳動執(zhí)行器已成為一種趨勢，這使車載電源提供的電功率越來越大，更新車載電源系統(tǒng)已是大勢所趨。車載電源系統(tǒng)主要由蓄電池、發(fā)電機(jī)及電壓調(diào)節(jié)器等組成，蓄電池和發(fā)電機(jī)并聯(lián)于汽車電路之中，發(fā)電機(jī)是主要電源，蓄電池是輔助電源。要提高車載電源的電功率，自然就要從蓄電池和發(fā)電機(jī)兩方面著手。為此，本文就車載電源系統(tǒng)做出以下探索。

1 傳統(tǒng)車載電源系統(tǒng)的存在問題

目前豪華轎車用電一般1～3KW功率，而到2010年高級轎車的使用功率將達(dá)到10KW以上，如仍采用12V低壓電源供電系統(tǒng)，會使電源承受巨大的壓力。為保證車載電器正常工作，必然要增加線束的截面積，這必使汽車成本增加和不利于設(shè)備優(yōu)化。為此世界各國正在研究42V或48V電源系統(tǒng)，從理論上講，電壓提高3倍，電流會減小65％，同時線束截面積也大為減少。但電壓升級又帶來新的問題，就是要研制新型蓄電池和發(fā)電機(jī)，并且汽車上相應(yīng)的電器設(shè)備和電子裝置也應(yīng)升級，這顯然對于目前的車載電源系統(tǒng)和電器設(shè)備產(chǎn)生極大沖擊，尤其以我國國情短期是很難推廣實(shí)施的。

蓄電池的更新升級涉及許多問題，譬如體積、可靠性、成本等多種難題，本文不作累述。車載發(fā)電機(jī)包括勵磁發(fā)電機(jī)和永磁發(fā)電機(jī)，而傳統(tǒng)勵磁發(fā)電機(jī)一般采用硅整流交流發(fā)電機(jī)，也不可能靠加大發(fā)電機(jī)的體積來增加功率。目前的硅整流交流發(fā)電機(jī)是由蓄電池或自激提供的勵磁電流給勵磁線圈而進(jìn)行發(fā)電的，但其效率不高（每產(chǎn)生1W電能需要消耗2W發(fā)動機(jī)功率），且怠速時輸出特征只是滿負(fù)荷時輸出的1/4、低速發(fā)電性不好、可靠性差、工藝復(fù)雜、壽命短、故障率高等缺點(diǎn)。

2 目前車載發(fā)電機(jī)的發(fā)展概況

2.1 傳統(tǒng)車載勵磁發(fā)電機(jī)的改進(jìn)概況

1）改有電刷的勵磁電路為無電刷電路，減少了電刷和電刷環(huán)，避免炭刷的與電刷環(huán)的摩擦和接觸不良。目前交流發(fā)電機(jī)上應(yīng)用較廣泛，它提高工作效率，但增加了磁場氣隙、漏磁大，材料利用率低、成本高；

2）改傳統(tǒng)的六管整流電路為九管、八管和十一管整流電路，提高輸出功率；

3）雙“Y ”繞組二整流橋串并聯(lián)轉(zhuǎn)換可以提高輸出功率；

4）改傳統(tǒng)的機(jī)械觸點(diǎn)式調(diào)節(jié)器為晶體管或集成電路調(diào)節(jié)器；

但這些措施并沒有解決效率低，低速發(fā)電性不好、可靠性差、工藝復(fù)雜、壽命短、故障率高等缺點(diǎn)。

2.2 目前車載永磁發(fā)電機(jī)的發(fā)展概況

近年來，隨著永磁材料的發(fā)展，車用永磁發(fā)電機(jī)以其結(jié)構(gòu)簡單、比功率高、低速特性好等優(yōu)點(diǎn)，越來越受到業(yè)界的廣泛關(guān)注。因此，具有高效率、高性價比和高穩(wěn)定性的永磁發(fā)電機(jī)將具有較高的理論研究價值和廣闊的應(yīng)用推廣前景。所以車用永磁發(fā)電機(jī)，以其先進(jìn)的結(jié)構(gòu)和優(yōu)異的性能，決定了該產(chǎn)品的生命力和市場競爭力，必將取代硅整流發(fā)電機(jī)，提高了汽車電器系統(tǒng)的整體水平，促進(jìn)我國汽車工業(yè)的技術(shù)進(jìn)步。但目前關(guān)鍵解決問題是：

1）車用永磁發(fā)電機(jī)輸出電壓的的控制：車用發(fā)電機(jī)由于使用中的轉(zhuǎn)速和負(fù)載變化范圍都很大，而且還與蓄電池并聯(lián)工作，因此，對其輸出端電壓的穩(wěn)定性有很高的要求。永磁發(fā)電機(jī)的整流恒壓是面向主電路的控制，必然面臨直接控制大電流的問題，這對電子元器件提出了更高的要求。所以永磁發(fā)電機(jī)對電壓的控制是關(guān)鍵問題，也是目前研制永磁發(fā)電機(jī)的重點(diǎn)問題。永磁發(fā)電機(jī)雖然不需外界能量即可維持其磁場，但也造成從外部調(diào)節(jié)、控制其磁場極為困難，這使永磁發(fā)電機(jī)的應(yīng)用范圍受到了限制。永磁發(fā)電機(jī)的電壓調(diào)節(jié)方法很多，目前典型的電壓調(diào)節(jié)方法主要有：（1）并聯(lián)式、串連式電子調(diào)節(jié)器；（2）控硅橋式半控整流穩(wěn)壓方案；（3）調(diào)節(jié)電樞繞組；（4）調(diào)節(jié)有效磁場；（5）混合勵磁。

目前我國研究永磁發(fā)電機(jī)的調(diào)節(jié)電路普遍是采用單相或三相半控橋式整流穩(wěn)壓電路，也有采用PWM控制式整流穩(wěn)壓電路，還有機(jī)械調(diào)節(jié)式的整流穩(wěn)壓電路。相比來說采用的單片機(jī)控制的三相全控橋式整流穩(wěn)壓電路，成本更低，可以同時控制兩種或以上電壓而且效果更好，具有較好的實(shí)用價值。

目前被普遍看好的方案之一是采用三相半控橋式整流電路，在已有的整流穩(wěn)壓電路中，對三相半控整流橋的控制多采用電壓比較控制方式。該方式雖可實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓，但其穩(wěn)壓性能對負(fù)載、轉(zhuǎn)速等運(yùn)行工況及有關(guān)參數(shù)依賴較大，運(yùn)行工況及有關(guān)參數(shù)的變化會影響其穩(wěn)壓精度，并會導(dǎo)致輸出電壓的振蕩，甚至失控。

2）車用永磁發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及永磁材料的選擇：如果設(shè)計(jì)或使用不當(dāng)永磁發(fā)電機(jī)在過高(釹鐵硼永磁)或過低(鐵氧體永磁)溫度時在沖擊電流產(chǎn)生的電樞反應(yīng)作用下或在劇烈的機(jī)械振動時有可能產(chǎn)生不可逆退磁(或叫失磁)，使電機(jī)性能降低，甚至無法使用而既要研究開發(fā)適合于電機(jī)制造廠使用的檢查永磁材料熱穩(wěn)定性的方法和裝置，又要分析各種不同結(jié)構(gòu)形式的抗去磁能力，以使在設(shè)計(jì)和制造時，保證永磁式發(fā)電機(jī)不失磁。

3 新電源系統(tǒng)的研究思路

3.1 新電源系統(tǒng)的電壓升級問題

因?yàn)槠嚨挠秒娖饔泻芏囝愋?，不同電器設(shè)備對電源有不同要求，有的可以采用14V，有的采用42V或其它多種電壓。這種情況下，可以考慮雙電路或多電壓供電系統(tǒng)，目前的存在問題是：需要配置12V和高壓蓄電池組，因而增加了車輛的承載，占用更大的空間及增加造價；還有DC/DC變換器產(chǎn)生的電磁干擾；高電壓瞬態(tài)現(xiàn)象及抑制控制方法；雙電壓電器系統(tǒng)在車輛運(yùn)行時的功率流向及分配問題等等；尤其是高壓工作時安全問題，安全保險設(shè)置是頭號的問題，絕緣和保險設(shè)置的標(biāo)準(zhǔn)要重新制定。

鑒于以上問題，我認(rèn)為可以采用另一種雙電源或多電源供電方案：即蓄電池仍采用傳統(tǒng)的12V電源，而在發(fā)電機(jī)的電樞繞組采用14V和42V兩種或以上獨(dú)立的電樞繞組，從而可以同時獲得兩種及以上輸出電壓。12V蓄電池主要在啟動時用于啟動機(jī)、點(diǎn)火系統(tǒng)及一些傳統(tǒng)用電設(shè)備使用，發(fā)電機(jī)的14V供傳統(tǒng)用電器并及時給12V蓄電池補(bǔ)充充電，而42V供一些大功率或一些新型用電器使用。采用此電源系統(tǒng)方案更有利于汽車產(chǎn)業(yè)的平穩(wěn)發(fā)展。

3.2 新電源系統(tǒng)的電壓控制問題
發(fā)電機(jī)的電壓調(diào)節(jié)電路，由14V和42V兩套電壓調(diào)節(jié)裝置實(shí)現(xiàn)整流穩(wěn)壓。為了簡化控制線路及良好的控制效果，這兩套電壓調(diào)節(jié)裝置是由單片機(jī)統(tǒng)一調(diào)配晶閘管控制的三相全控橋式整流電路。采用單片機(jī)控制多電壓同時控制的可控硅橋式半控整流穩(wěn)壓方案：每一個電壓采用一組獨(dú)立的三相全控橋式整流穩(wěn)壓電路，可控硅的觸發(fā)電路由單片機(jī)不同的I/O端口根據(jù)基準(zhǔn)電路、采樣檢測電路、比較電路和保護(hù)電路來控制。由于單片機(jī)需要5V直流電源供電或直接由蓄電池經(jīng)變壓后提供，所以還要在電樞繞組另抽出一組5V繞組，并經(jīng)整流穩(wěn)壓輸出。
4 結(jié)束語
通過研究研制出一種能在500r/m~10000r/m范圍內(nèi)及負(fù)載變化情況下，輸出14V和42V兩種恒定直流電壓的車用永磁發(fā)電機(jī)，滿足汽車不同用電設(shè)的使用需要。

3.2 新電源系統(tǒng)的電壓控制問題

發(fā)電機(jī)的電壓調(diào)節(jié)電路，由14V和42V兩套電壓調(diào)節(jié)裝置實(shí)現(xiàn)整流穩(wěn)壓。為了簡化控制線路及良好的控制效果，這兩套電壓調(diào)節(jié)裝置是由單片機(jī)統(tǒng)一調(diào)配晶閘管控制的三相全控橋式整流電路。采用單片機(jī)控制多電壓同時控制的可控硅橋式半控整流穩(wěn)壓方案：每一個電壓采用一組獨(dú)立的三相全控橋式整流穩(wěn)壓電路，可控硅的觸發(fā)電路由單片機(jī)不同的I/O端口根據(jù)基準(zhǔn)電路、采樣檢測電路、比較電路和保護(hù)電路來控制。由于單片機(jī)需要5V直流電源供電或直接由蓄電池經(jīng)變壓后提供，所以還要在電樞繞組另抽出一組5V繞組，并經(jīng)整流穩(wěn)壓輸出。

4 結(jié)束語

通過研究研制出一種能在500r/m~10000r/m范圍內(nèi)及負(fù)載變化情況下，輸出14V和42V兩種恒定直流電壓的車用永磁發(fā)電機(jī)，滿足汽車不同用電設(shè)的使用需要。