淺析新一代汽車充電系統的變化特點(上)

◆文/江蘇　楊忠頗　高惠民

本文以新一代豐田乘用車的充電系統為例，對新型車用發電機的結構、輸出電壓智能調節以及蓄電池充電控制策略方面的主要變化進行闡述分析，旨在為技術人員提供充電系統維修與診斷的技術參考。

一、新型車用發電機的主要結構特征

1.采用扁銅線兩組雙層定子繞組

汽車交流發電機是一種爪極軸向自并勵磁式三相同步發電機。三相交流電勢經過橋式整流后輸出，與蓄電池并聯供給用電負載。發電機的輸出電流I、效率η、溫升△t可分別用下列的簡化公式來表示：

式中：E—感 應 電 動 勢 ；U—端 電 壓 ；Z—同步阻抗；r—定子繞組的電阻；ω—角速度；L—電感；P出—輸出功率；P入—輸入功率；P損—損耗功率；R—熱阻；Q—發熱量；t—周圍溫度。

根據上述公式分析得知，影響發電機輸出電流的主要因素是定子的阻抗，尤其是在頻率較低的轉速區域。為了提高發電機的輸出效率必須減少其損耗，發電機的各種損耗列于表1。

表1　發電機的各種損耗

從表1中可以看出，要想降低發電機輸出效率的損耗，也恰是要降低占比例較大的銅損耗，因此，比較有效的辦法是增大定子繞組導線的截面積，縮短繞組的長度，達到減小繞組電阻的目的。車用發電機的定子繞組，結構上一般選用繞組系數較好的整距繞組，并采用與爪極極距相等的π節距嵌線(每個線圈的兩個有效邊應相隔180°電角度)。因為是三相繞組，各相的相位差為2π/3電角度，所以各相繞組必然要重疊π/3。而傳統的車用發電機嵌線方法又是將很多線圈依次從內圓側嵌入鐵心中，先插入的線圈與后插入的線圈會有重疊。結果，槽內就會出現死區，如圖1(b)中所示，傳統發電機繞組的重疊區，阻礙了繞組導線截面積的增加。此外，為了避免重疊部分導線之間產生接觸應力，需要保證線圈端部具有足夠的長度，整個繞組的變長造成定子繞組電阻的增加，所有這些原因降低了導線在定子鐵心槽內的槽滿率 (槽滿率=定子鐵心槽內導線的總截面積/定子鐵心槽的截面積)。

新型車用發電機的設計考慮到要提高槽的利用率，采用扁銅線繞制的雙層兩組三相定子繞組，如豐田皇冠轎車的發電機采用了16極、96槽扁銅線繞制的雙層兩組三相定子繞組，繞組結構如圖1(a)所示。其嵌線規則是每個定子鐵心槽內有上下兩個線圈邊，每個線圈的一個邊放在某一個槽的上層，另一個邊放在相隔跨距6個槽的下層，并且分別將兩組三相繞組以偏移30°電角度的相位差嵌線。這樣能使繞組產生反作用磁動勢的6 次諧波相互抵消， 以達到降低電磁噪聲的目的，圖2為兩組三相繞組偏移30°電角度相位差的示意圖。

線圈端部彼此之間沒有干涉，可以縮短繞組端部的長度，消除繞組在鐵心槽內的死區。將繞組的圓導線改為扁銅線，增加了繞組導線的截面積，減小了繞組的電阻，提高了槽滿率。由于采用了無重疊嵌線方式，線圈端部呈網狀，因此，改善了定子繞組的通風性能，降低了發電機的發熱量。雙層繞組的組裝工藝是先將各定子繞組用扁銅線經扭頭后做成U字型線圈(圖3)，將每套U字型線圈迭放整理后，從鐵芯的軸向插入槽中，然后進行繞組整形，再把各個U字型線圈的端部壓彎焊接，形成定子繞組。為提高導線的絕緣性能， 最后還要進行導線表面的絕緣處理。

采用扁銅線兩組雙層定子繞組的新型車用發電機已在豐田乘用車上普遍使用。它與傳統型發電機相比，在外徑、全長等項目上都明顯縮短，質量也得到了減輕(雙層繞組的電樞用銅量比單層繞組少10%，槽滿率達到70%以上)。由于定子繞組電阻的減小，發電時的銅損大幅度降低，散熱性能得到改善，因而使發電機在怠速工況下的輸出功率提高了近50%，總體效率提高了10%，電磁噪聲減少了10dB。

2.采用內置單向離合器發電機驅動皮帶輪

發動機曲軸皮帶輪通過皮帶傳動實現車用發電機的運轉。一般發電機的轉速是發動機轉速的2.5～3倍。發動機燃燒時產生的循環波動，即使微小的循環波動變化，都能引起驅動發電機運轉皮帶的瞬間抖動、打滑以及噪聲的產生。長時間的運行不僅會導致傳動皮帶的疲勞，甚至還會降低發電機與拖動附件帶輪的使用壽命。為了解決這一問題，新型車用發電機上采用了內置單向離合器的驅動皮帶輪，單向離合器發電機驅動皮帶輪的結構如圖4所示。

在皮帶輪外環和內環之間的圓周邊方向上安裝有支撐滑塊和彈簧，使之具有單向離合器的超越功能。此功能可以吸收發動機循環波動的脈沖力矩，避免發電機轉子中的勵磁線圈因受到正反向沖擊而造成損傷，同時也降低了傳動皮帶上的負荷，延長傳動皮帶的使用壽命。帶有單向離合器皮帶輪轉速與發電機軸轉速差如圖5所示。

二、新型車用發電機輸出電壓調節

1.發電機電子調節器變化特點

伴隨著新型車用發電機制造技術的革新與電子技術的運用，作為發電機電量輸出管理器件的電子調節器(IC調節器)最主要的功能突出在整個工作溫度范圍內(一般為-40～90℃)，通過交流發電機輸出電壓的采樣，經內部邏輯電路的智能判斷結果來控制轉子繞組的勵磁電流，從而調節勵磁磁場強度，來控制發電機的電量輸出，保證向蓄電池合理地充電和整車電器的可靠用電。近幾年來，隨著車載網絡技術的應用，IC調節器發生了本質變化，發電機輸出電壓控制集成在了車輛本地互聯網絡中( LIN)，通過發動機ECU的控制，為發電機提供增強型智能控制功能。圖6所示為豐田新一代卡羅拉充電系統圖，IC調節器內部結構示意圖如圖7所示。

IC調節器的B+A端子提供控制電路的反饋電壓；PH端子采集發電機的相電壓，并與預存在數字核心內的比較電壓對比，當兩電壓差有效時，在相處理器內部產生脈沖信號，反映發電機的當前相頻率；IC調節器通過場效應管(MOSFET)的高側EXC端子提供電流給發電機勵磁線圈；IC調節器內部續流二極管，能防止勵磁電流斷開時電壓過高，仍能讓電流連續；IC調節器通過LIN協議接口UBS端子，使發動機ECU可以控制發電機目標電壓(目標電壓值根據車型而定，一般在10.6～16V)、LRC(負載響應控制)控制時間、LRC禁止頻率和勵磁限流。發動機ECU還能通過LIN診斷到發電機溫度、勵磁電流占空比、故障等信息，ECU根據這些信息，管理用電器的使用策略或者調整發動機的轉速以適應整車電負荷的要求。當發動機處于低轉速范圍時，車輛突發電氣負荷增加，傳統的發電機調節器會迅速增加發電機勵磁電流而導致發動機突發扭矩變化，引起發動機速率振蕩和振動。智能IC調節器具有LRC功能，其作用就是在負載響應控制區間內，逐步增加發電機勵磁電流占空比控制時間，使電負荷電流由發電機和蓄電池共同提供，從而減輕發動機的扭矩，節省燃油消耗。一旦實現了LRC 禁用頻率(＞切入頻率的2倍)，IC調節器退出LRC控制，發電機將提供更加快速的輸出響應，LRC作用如圖8所示。

2.LIN工作模式

LIN模式的標準工作狀態如圖9所示。

(1)當點火開關處于“ON”位置時，發動機ECU通過LIN總線發送控制信號，喚醒IC調節器進入LIN模式。IC調節器診斷到發動機ECU命令有效時(發電機目標電壓≠10.6V，且系統無錯誤信息)，進入預勵磁狀態，此時若B+A的電壓低于目標電壓，IC調節器輸出一定占空比的勵磁電流(預勵磁占空比由發電機制造商根據發電機參數設定預勵磁占空比，如新一代卡羅拉的預勵磁占空比為16.4%)。預勵磁的目的一方面是在發電機開始它勵時減少蓄電池的能量消耗，滿足發動機能夠平順、輕松地啟動，同時又能保證提供給發電機最小的它勵電流，使發動機在啟動后迅速發電所需的勵磁能量。

(2)發動機啟動后在發電機的每個勵磁調節周期內(勵磁調節周期＝發電機頻率/2的倒數)，IC調節器通過PH端子采集到相電壓低于8V，會輸出100%占空比的調節勵磁電流。如果通過8個周期的反復調節，還不能出現8V相電壓，IC調節器會認為系統出現故障，勵磁電流回到預勵磁時的占空比，減小發電機負載，同時通過LIN總線把故障診斷信息傳輸給發動機ECU，點亮充電指示燈。(未完待續)