新型車(chē)載電源系統的探索

引言

隨著(zhù)汽車(chē)工業(yè)的迅猛發(fā)展，人們對汽車(chē)的安全性、環(huán)保性、經(jīng)濟性、舒適性等性能追求也日益增高。從而促使車(chē)載電器和電子裝置迅速增加，例如采用電磁或電動(dòng)執行器取代液壓傳動(dòng)和氣壓傳動(dòng)執行器已成為一種趨勢，這使車(chē)載電源提供的電功率越來(lái)越大，更新車(chē)載電源系統已是大勢所趨。車(chē)載電源系統主要由蓄電池、發(fā)電機及電壓調節器等組成，蓄電池和發(fā)電機并聯(lián)于汽車(chē)電路之中，發(fā)電機是主要電源，蓄電池是輔助電源。要提高車(chē)載電源的電功率，自然就要從蓄電池和發(fā)電機兩方面著(zhù)手。為此，本文就車(chē)載電源系統做出以下探索。

1 傳統車(chē)載電源系統的存在問(wèn)題

目前豪華轎車(chē)用電一般1～3KW功率，而到2010年高級轎車(chē)的使用功率將達到10KW以上，如仍采用12V低壓電源供電系統，會(huì )使電源承受巨大的壓力。為保證車(chē)載電器正常工作，必然要增加線(xiàn)束的截面積，這必使汽車(chē)成本增加和不利于設備優(yōu)化。為此世界各國正在研究42V或48V電源系統，從理論上講，電壓提高3倍，電流會(huì )減小65％，同時(shí)線(xiàn)束截面積也大為減少。但電壓升級又帶來(lái)新的問(wèn)題，就是要研制新型蓄電池和發(fā)電機，并且汽車(chē)上相應的電器設備和電子裝置也應升級，這顯然對于目前的車(chē)載電源系統和電器設備產(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(wèn)題，譬如體積、可靠性、成本等多種難題，本文不作累述。車(chē)載發(fā)電機包括勵磁發(fā)電機和永磁發(fā)電機，而傳統勵磁發(fā)電機一般采用硅整流交流發(fā)電機，也不可能靠加大發(fā)電機的體積來(lái)增加功率。目前的硅整流交流發(fā)電機是由蓄電池或自激提供的勵磁電流給勵磁線(xiàn)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(dòng)機功率），且怠速時(shí)輸出特征只是滿(mǎn)負荷時(shí)輸出的1/4、低速發(fā)電性不好、可靠性差、工藝復雜、壽命短、故障率高等缺點(diǎn)。

2 目前車(chē)載發(fā)電機的發(fā)展概況

2.1 傳統車(chē)載勵磁發(fā)電機的改進(jìn)概況

1）改有電刷的勵磁電路為無(wú)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)電機上應用較廣泛，它提高工作效率，但增加了磁場(chǎng)氣隙、漏磁大，材料利用率低、成本高；

2）改傳統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)轉換可以提高輸出功率；

4）改傳統的機械觸點(diǎn)式調節器為晶體管或集成電路調節器；

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

2.2 目前車(chē)載永磁發(fā)電機的發(fā)展概況

近年來(lái)，隨著(zhù)永磁材料的發(fā)展，車(chē)用永磁發(fā)電機以其結構簡(jiǎn)單、比功率高、低速特性好等優(yōu)點(diǎn)，越來(lái)越受到業(yè)界的廣泛關(guān)注。因此，具有高效率、高性?xún)r(jià)比和高穩定性的永磁發(fā)電機將具有較高的理論研究?jì)r(jià)值和廣闊的應用推廣前景。所以車(chē)用永磁發(fā)電機，以其先進(jìn)的結構和優(yōu)異的性能，決定了該產(chǎn)品的生命力和市場(chǎng)競爭力，必將取代硅整流發(fā)電機，提高了汽車(chē)電器系統的整體水平，促進(jìn)我國汽車(chē)工業(yè)的技術(shù)進(jìn)步。但目前關(guān)鍵解決問(wèn)題是：

1）車(chē)用永磁發(fā)電機輸出電壓的的控制：車(chē)用發(fā)電機由于使用中的轉速和負載變化范圍都很大，而且還與蓄電池并聯(lián)工作，因此，對其輸出端電壓的穩定性有很高的要求。永磁發(fā)電機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(wèn)題，這對電子元器件提出了更高的要求。所以永磁發(fā)電機對電壓的控制是關(guān)鍵問(wèn)題，也是目前研制永磁發(fā)電機的重點(diǎn)問(wèn)題。永磁發(fā)電機雖然不需外界能量即可維持其磁場(chǎng)，但也造成從外部調節、控制其磁場(chǎng)極為困難，這使永磁發(fā)電機的應用范圍受到了限制。永磁發(fā)電機的電壓調節方法很多，目前典型的電壓調節方法主要有：（1）并聯(lián)式、串連式電子調節器；（2）控硅橋式半控整流穩壓方案；（3）調節電樞繞組；（4）調節有效磁場(chǎng)；（5）混合勵磁。

目前我國研究永磁發(fā)電機的調節電路普遍是采用單相或三相半控橋式整流穩壓電路，也有采用PWM控制式整流穩壓電路，還有機械調節式的整流穩壓電路。相比來(lái)說(shuō)采用的單片機控制的三相全控橋式整流穩壓電路，成本更低，可以同時(shí)控制兩種或以上電壓而且效果更好，具有較好的實(shí)用價(jià)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)現穩壓，但其穩壓性能對負載、轉速等運行工況及有關(guān)參數依賴(lài)較大，運行工況及有關(guān)參數的變化會(huì )影響其穩壓精度，并會(huì )導致輸出電壓的振蕩，甚至失控。

2）車(chē)用永磁發(fā)電機結構設計及永磁材料的選擇：如果設計或使用不當永磁發(fā)電機在過(guò)高(釹鐵硼永磁)或過(guò)低(鐵氧體永磁)溫度時(shí)在沖擊電流產(chǎn)生的電樞反應作用下或在劇烈的機械振動(dòng)時(shí)有可能產(chǎn)生不可逆退磁(或叫失磁)，使電機性能降低，甚至無(wú)法使用而既要研究開(kāi)發(fā)適合于電機制造廠(chǎng)使用的檢查永磁材料熱穩定性的方法和裝置，又要分析各種不同結構形式的抗去磁能力，以使在設計和制造時(shí)，保證永磁式發(fā)電機不失磁。

3 新電源系統的研究思路

3.1 新電源系統的電壓升級問(wèn)題

因為汽車(chē)的用電器有很多類(lèi)型，不同電器設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，目前的存在問(wèn)題是：需要配置12V和高壓蓄電池組，因而增加了車(chē)輛的承載，占用更大的空間及增加造價(jià)；還有DC/DC變換器產(chǎn)生的電磁干擾；高電壓瞬態(tài)現象及抑制控制方法；雙電壓電器系統在車(chē)輛運行時(shí)的功率流向及分配問(wèn)題等等；尤其是高壓工作時(shí)安全問(wèn)題，安全保險設置是頭號的問(wèn)題，絕緣和保險設置的標準要重新制定。

鑒于以上問(wèn)題，我認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的12V電源，而在發(fā)電機的電樞繞組采用14V和42V兩種或以上獨立的電樞繞組，從而可以同時(shí)獲得兩種及以上輸出電壓。12V蓄電池主要在啟動(dòng)時(shí)用于啟動(dòng)機、點(diǎn)火系統及一些傳統用電設備使用，發(fā)電機的14V供傳統用電器并及時(shí)給12V蓄電池補充充電，而42V供一些大功率或一些新型用電器使用。采用此電源系統方案更有利于汽車(chē)產(chǎn)業(yè)的平穩發(fā)展。

3.2 新電源系統的電壓控制問(wèn)題

發(fā)電機的電壓調節電路，由14V和42V兩套電壓調節裝置實(shí)現整流穩壓。為了簡(jiǎn)化控制線(xiàn)路及良好的控制效果，這兩套電壓調節裝置是由單片機統一調配晶閘管控制的三相全控橋式整流電路。采用單片機控制多電壓同時(shí)控制的可控硅橋式半控整流穩壓方案：每一個(gè)電壓采用一組獨立的三相全控橋式整流穩壓電路，可控硅的觸發(fā)電路由單片機不同的I/O端口根據基準電路、采樣檢測電路、比較電路和保護電路來(lái)控制。由于單片機需要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)整流穩壓輸出。

4 結束語(yǔ)

通過(guò)研究研制出一種能在500r/m~10000r/m范圍內及負載變化情況下，輸出14V和42V兩種恒定直流電壓的車(chē)用永磁發(fā)電機，滿(mǎn)足汽車(chē)不同用電設的使用需要。