新型車載電源系統的探索

引言

隨著汽車工業的迅猛發展，人們對汽車的安全性、環保性、經濟性、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行器取代液壓傳動和氣壓傳動執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，更新車載電源系統已是大勢所趨。車載電源系統主要由蓄電池、發電機及電壓調節器等組成，蓄電池和發電機并聯于汽車電路之中，發電機是主要電源，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電機兩方面著手。為此，本文就車載電源系統做出以下探索。

1 傳統車載電源系統的存在問題

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到10KW以上，如仍采用12V低壓電源供電系統，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備優化。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電機，并且汽車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載電源系統和電器設備產生極大沖擊，尤其以我國國情短期是很難推廣實施的。

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。車載發電機包括勵磁發電機和永磁發電機，而傳統勵磁發電機一般采用硅整流交流發電機，也不可能靠加大發電機的體積來增加功率。目前的硅整流交流發電機是由蓄電池或自激提供的勵磁電流給勵磁線圈而進行發電的，但其效率不高（每產生1W電能需要消耗2W發動機功率），且怠速時輸出特征只是滿負荷時輸出的1/4、低速發電性不好、可靠性差、工藝復雜、壽命短、故障率高等缺點。

2 目前車載發電機的發展概況

2.1 傳統車載勵磁發電機的改進概況

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，避免炭刷的與電刷環的摩擦和接觸不良。目前交流發電機上應用較廣泛，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轉換可以提高輸出功率；

4）改傳統的機械觸點式調節器為晶體管或集成電路調節器；

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

2.2 目前車載永磁發電機的發展概況

近年來，隨著永磁材料的發展，車用永磁發電機以其結構簡單、比功率高、低速特性好等優點，越來越受到業界的廣泛關注。因此，具有高效率、高性價比和高穩定性的永磁發電機將具有較高的理論研究價值和廣闊的應用推廣前景。

所以車用永磁發電機，以其先進的結構和優異的性能，決定了該產品的生命力和市場競爭力，必將取代硅整流發電機，提高了汽車電器系統的整體水平，促進我國汽車工業的技術進步。但目前關鍵解決問題是：

1）車用永磁發電機輸出電壓的的控制：車用發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工作，因此，對其輸出端電壓的穩定性有很高的要求。永磁發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題，這對電子元器件提出了更高的要求。所以永磁發電機對電壓的控制是關鍵問題，也是目前研制永磁發電機的重點問題。永磁發電機雖然不需外界能量即可維持其磁場，但也造成從外部調節、控制其磁場極為困難，這使永磁發電機的應用范圍受到了限制。永磁發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；（5）混合勵磁。

目前我國研究永磁發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。相比來說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，可以同時控制兩種或以上電壓而且效果更好，具有較好的實用價值。

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。該方式雖可實現穩壓，但其穩壓性能對負載、轉速等運行工況及有關參數依賴較大，運行工況及有關參數的變化會影響其穩壓精度，并會導致輸出電壓的振蕩，甚至失控。

2）車用永磁發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電機在過高(釹鐵硼永磁)或過低(鐵氧體永磁)溫度時在沖擊電流產生的電樞反應作用下或在劇烈的機械振動時有可能產生不可逆退磁(或叫失磁)，使電機性能降低，甚至無法使用而既要研究開發適合于電機制造廠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，保證永磁式發電機不失磁。

3 新電源系統的研究思路

3.1 新電源系統的電壓升級問題

因為汽車的用電器有很多類型，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變換器產生的電磁干擾；高電壓瞬態現象及抑制控制方法；雙電壓電器系統在車輛運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，安全保險設置是頭號的問題，絕緣和保險設置的標準要重新制定。

鑒于以上問題，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、點火系統及一些傳統用電設備使用，發電機的14V供傳統用電器并及時給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產業的平穩發展。

3.2 新電源系統的電壓控制問題

發電機的電壓調節電路，由14V和42V兩套電壓調節裝置實現整流穩壓。為了簡化控制線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控制的可控硅橋式半控整流穩壓方案：每一個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控制。由于單片機需要5V直流電源供電或直接由蓄電池經變壓后提供，所以還要在電樞繞組另抽出一組5V繞組，并經整流穩壓輸出。

4 結束語

通過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用永磁發電機，滿足汽車不同用電設的使用需要。