新型车载电源系统的发展概况及研究

 引言

    随着汽车工业的迅猛发展，人们对汽车的安全性、环保性、经济性、舒适性等性能追求也日益增高。从而促使车载电器和电子装置迅速增加，例如采用电磁或电动执行器取代液压传动和气压传动执行器已成为一种趋势，这使车载电源提供的电功率越来越大，更新车载电源系统已是大势所趋。车载电源系统主要由蓄电池、发电机及电压调节器等组成，蓄电池和发电机并联于汽车电路之中，发电机是主要电源，蓄电池是辅助电源。要提高车载电源的电功率，自然就要从蓄电池和发电机两方面着手。为此，本文就车载电源系统做出以下探索。

    1 传统车载电源系统的存在问题

    目前豪华轿车用电一般1～3KW功率，而到2010年高级轿车的使用功率将达到10KW以上，如仍采用12V低压电源供电系统，会使电源承受巨大的压力。为保证车载电器正常工作，必然要增加线束的截面积，这必使汽车成本增加和不利于设备优化。为此世界各国正在研究42V或48V电源系统，从理论上讲，电压提高3倍，电流会减小65％，同时线束截面积也大为减少。但电压升级又带来新的问题，就是要研制新型蓄电池和发电机，并且汽车上相应的电器设备和电子装置也应升级，这显然对于目前的车载电源系统和电器设备产生极大冲击，尤其以我国国情短期是很难推广实施的。

    蓄电池的更新升级涉及许多问题，譬如体积、可靠性、成本等多种难题，本文不作累述。车载发电机包括励磁发电机和永磁发电机，而传统励磁发电机一般采用硅整流交流发电机，也不可能靠加大发电机的体积来增加功率。目前的硅整流交流发电机是由蓄电池或自激提供的励磁电流给励磁线圈而进行发电的，但其效率不高（每产生1W电能需要消耗2W发动机功率），且怠速时输出特征只是满负荷时输出的1/4、低速发电性不好、可靠性差、工艺复杂、寿命短、故障率高等缺点。

    2 目前车载发电机的发展概况

    2.1 传统车载励磁发电机的改进概况

    1）改有电刷的励磁电路为无电刷电路，减少了电刷和电刷环，避免炭刷的与电刷环的摩擦和接触不良。目前交流发电机上应用较广泛，它提高工作效率，但增加了磁场气隙、漏磁大，材料利用率低、成本高；

    2）改传统的六管整流电路为九管、八管和十一管整流电路，提高输出功率；

    3）双“Y ”绕组二整流桥串并联转换可以提高输出功率；

    4）改传统的机械触点式调节器为晶体管或集成电路调节器；

    但这些措施并没有解决效率低，低速发电性不好、可靠性差、工艺复杂、寿命短、故障率高等缺点。

  2.2 目前车载永磁发电机的发展概况

    近年来，随着永磁材料的发展，车用永磁发电机以其结构简单、比功率高、低速特性好等优点，越来越受到业界的广泛关注。因此，具有高效率、高性价比和高稳定性的永磁发电机将具有较高的理论研究价值和广阔的应用推广前景。所以车用永磁发电机，以其先进的结构和优异的性能，决定了该产品的生命力和市场竞争力，必将取代硅整流发电机，提高了汽车电器系统的整体水平，促进我国汽车工业的技术进步。但目前关键解决问题是：

    1）车用永磁发电机输出电压的的控制：车用发电机由于使用中的转速和负载变化范围都很大，而且还与蓄电池并联工作，因此，对其输出端电压的稳定性有很高的要求。永磁发电机的整流恒压是面向主电路的控制，必然面临直接控制大电流的问题，这对电子元器件提出了更高的要求。所以永磁发电机对电压的控制是关键问题，也是目前研制永磁发电机的重点问题。永磁发电机虽然不需外界能量即可维持其磁场，但也造成从外部调节、控制其磁场极为困难，这使永磁发电机的应用范围受到了限制。永磁发电机的电压调节方法很多，目前典型的电压调节方法主要有：（1）并联式、串连式电子调节器；（2）控硅桥式半控整流稳压方案；（3）调节电枢绕组；（4）调节有效磁场；（5）混合励磁。

    目前我国研究永磁发电机的调节电路普遍是采用单相或三相半控桥式整流稳压电路，也有采用PWM控制式整流稳压电路，还有机械调节式的整流稳压电路。相比来说采用的单片机控制的三相全控桥式整流稳压电路，成本更低，可以同时控制两种或以上电压而且效果更好，具有较好的实用价值。

    目前被普遍看好的方案之一是采用三相半控桥式整流电路，在已有的整流稳压电路中，对三相半控整流桥的控制多采用电压比较控制方式。该方式虽可实现稳压，但其稳压性能对负载、转速等运行工况及有关参数依赖较大，运行工况及有关参数的变化会影响其稳压精度，并会导致输出电压的振荡，甚至失控。

    2）车用永磁发电机结构设计及永磁材料的选择：如果设计或使用不当永磁发电机在过高(钕铁硼永磁)或过低(铁氧体永磁)温度时在冲击电流产生的电枢反应作用下或在剧烈的机械振动时有可能产生不可逆退磁(或叫失磁)，使电机性能降低，甚至无法使用而既要研究开发适合于电机制造厂使用的检查永磁材料热稳定性的方法和装置，又要分析各种不同结构形式的抗去磁能力，以使在设计和制造时，保证永磁式发电机不失磁。

    3 新电源系统的研究思路

    3.1 新电源系统的电压升级问题

    因为汽车的用电器有很多类型，不同电器设备对电源有不同要求，有的可以采用14V，有的采用42V或其它多种电压。这种情况下，可以考虑双电路或多电压供电系统，目前的存在问题是：需要配置12V和高压蓄电池组，因而增加了车辆的承载，占用更大的空间及增加造价；还有DC/DC变换器产生的电磁干扰；高电压瞬态现象及抑制控制方法；双电压电器系统在车辆运行时的功率流向及分配问题等等；尤其是高压工作时安全问题，安全保险设置是头号的问题，绝缘和保险设置的标准要重新制定。

    鉴于以上问题，我认为可以采用另一种双电源或多电源供电方案：即蓄电池仍采用传统的12V电源，而在发电机的电枢绕组采用14V和42V两种或以上独立的电枢绕组，从而可以同时获得两种及以上输出电压。12V蓄电池主要在启动时用于启动机、点火系统及一些传统用电设备使用，发电机的14V供传统用电器并及时给12V蓄电池补充充电，而42V供一些大功率或一些新型用电器使用。采用此电源系统方案更有利于汽车产业的平稳发展。

    3.2 新电源系统的电压控制问题
    发电机的电压调节电路，由14V和42V两套电压调节装置实现整流稳压。为了简化控制线路及良好的控制效果，这两套电压调节装置是由单片机统一调配晶闸管控制的三相全控桥式整流电路。采用单片机控制多电压同时控制的可控硅桥式半控整流稳压方案：每一个电压采用一组独立的三相全控桥式整流稳压电路，可控硅的触发电路由单片机不同的I/O端口根据基准电路、采样检测电路、比较电路和保护电路来控制。由于单片机需要5V直流电源供电或直接由蓄电池经变压后提供，所以还要在电枢绕组另抽出一组5V绕组，并经整流稳压输出。
    4 结束语
    通过研究研制出一种能在500r/m~10000r/m范围内及负载变化情况下，输出14V和42V两种恒定直流电压的车用永磁发电机，满足汽车不同用电设的使用需要。

< 3.2 新电源系统的电压控制问题

    发电机的电压调节电路，由14V和42V两套电压调节装置实现整流稳压。为了简化控制线路及良好的控制效果，这两套电压调节装置是由单片机统一调配晶闸管控制的三相全控桥式整流电路。采用单片机控制多电压同时控制的可控硅桥式半控整流稳压方案：每一个电压采用一组独立的三相全控桥式整流稳压电路，可控硅的触发电路由单片机不同的I/O端口根据基准电路、采样检测电路、比较电路和保护电路来控制。由于单片机需要5V直流电源供电或直接由蓄电池经变压后提供，所以还要在电枢绕组另抽出一组5V绕组，并经整流稳压输出。

    4 结束语

    通过研究研制出一种能在500r/m~10000r/m范围内及负载变化情况下，输出14V和42V两种恒定直流电压的车用永磁发电机，满足汽车不同用电设的使用需要。<