汽車高壓直流發電機調壓系統的設計

吳顏飛，畢　鋒，李蔚超

（襄陽航力機電技術發展有限公司，湖北 襄陽　441021）

汽車高壓直流發電機調壓系統的設計

吳顏飛，畢鋒，李蔚超

（襄陽航力機電技術發展有限公司，湖北 襄陽441021）

簡介高壓直流發電機在汽車上的應用及趨勢，講述發電機調壓系統的工作原理。以現有高壓無刷直流發電機配用電壓型控制調壓系統為具體實例，提出PWM電流型控制調壓系統設計方案并進行結果驗證。

汽車高壓直流發電機；發電機調壓系統；PWM電流型控制

1　概述

目前，國內外汽車發電機多采用24V低壓直流發電機。我國汽車主流發電機多采用佩特來24V直流發電機，其工作電流150 A，可滿足一般使用要求。隨著汽車空調及整車電器的發展，汽車系統尤其是大型豪華客車或特種車輛對電源功率的要求越來越高，并且對節能環保性指標要求也越來越重視，傳統24V電壓直流電源系統已逐漸不能滿足要求。如新一代SONATA領翔混合動力、豐田SCION iQEV純電動車、沃爾沃XC90T8等已采用270 V直流電源；宇通客車、安凱客車等新能源車型則已采用500V以上直流電源。2008年，520V高壓直流發電機以大功率、高效率、節能環保等特點首先在武漢公交汽車空調上得到應用，至今已擴展到上海、長沙、鄭州、合肥等地；2012年，開始應用于特種車輛伺服系統、二次電源系統等其它領域。

近來，受限于當前的技術發展水平特別是動力電池的技術瓶頸，純電動汽車一直存在續駛能力不足問題，國內外投向了增程式電動汽車增程器的應用［1］。高壓直流發電機作為增程器應用也將成為發展趨勢并受到廣泛關注。當前，增程式汽車電池組的電壓一般為500～600V，考慮到電池組的充電要求，對增程發電機的輸出電壓精度也提出了更高要求。

TB/T 3063—2002標準中關于DC600V供電電源裝置要求為：輸出額定電壓DC600V，控制精度±5%，電壓允許變化范圍DC520～630V［2］。目前，汽車電驅空調直流電壓多為460～600 V，部分系統中間具有逆變模塊，電壓控制精度一般在±8%范圍內，對于直接應用于增程器尚有不足。

2　發電機調壓系統的工作原理

汽車發電機多采用電勵磁方案，結構簡單、安全、可靠。調壓系統的工作原理：通過采樣發電機輸出電壓Ui（Ui也可為勵磁電壓源）的變化輸出PWM電壓波形，驅動發電機的勵磁開關V導通和截止，以調節勵磁電流If大小，實現發電機輸出電壓Ui的穩定。其勵磁開關V一般采用晶體管調節器，其優點是：開關頻率高，不產生火花，調節精度高，具有質量輕、體積小、壽命長、可靠性高、電波干擾小等優點。工作原理見圖1。

現在大多調壓器采用MOSFET替代三極管使用，這是由于MOSFET具有開關速度快、導通電阻小、輸

圖1　調壓系統工作原理

3　發電機調壓系統控制技術

通常，一個穩定的系統需要對輸出變量采用閉環控制，以便輸入電壓變化或負載電流變化能及時調節，并具有期望的動態響應［4］。調壓系統控制技術主要是PWM信號的輸出控制方式。常用的控制方式有電壓型控制、電流型控制。

電壓型控制僅采用輸出電壓反饋的閉環控制，而系統電流反饋的閉環控制并沒包含在整個控制系統中，其穩壓響應速度較慢，在發電機轉速過大時可能發生振蕩。電壓型控制最顯著的特點就是誤差電壓信號被輸入到PWM比較器，與振蕩器產生的三角波進行比較。電壓誤差信號升高和降低使輸出信號的脈寬增大或減小［5］。

電流型控制的特點是在電壓型控制的基礎上，增加電流誤差信號反饋電路進行閉環控制。其優點是：①動態響應快和穩定性高；②輸出電壓精度高；③具有內在對功率開關電流的控制能力；④良好的并聯運行能力。

目前，隨著電流型控制集成控制器的出現，電流型控制技術已越來越多地應用于實際當中。

4　高壓直流電源調壓系統設計

以某型520V高壓直流電源調壓系統為例，采用電流型控制技術進行設計。由于高、低電壓隔離要求，該調壓系統配用發電機的電樞繞組與勵磁繞組依據變壓器設計原理進行設計。

4.1PWM電壓型控制方式

高壓直流電源原調壓系統采用PWM電壓型控制方式。通過采樣勵磁繞組整流電壓Ui（D+處），經分壓、比較電路后輸出PWM電壓信號，控制勵磁開關MOSFET V的導通和截止，以調節D+、D-間串接的勵磁電流If的大小。圖2為局部原理圖，圖3為產品控制系統近似模型。

圖2　局部原理圖

圖3　產品控制系統近似模型

在有負載的時候，電樞繞組有電流，它的磁勢使電機的磁場發生變化，這種作用稱為電樞反應［6］。圖3中采樣電壓Ui為勵磁繞組輸出整流后的直流電壓，其與發電機輸出電壓U0成一定比例關系（Km/（R+Ls）），并形成電壓型閉環控制。由于轉速變化會造成Ui與U0的比例關系Km發生細小變化。同時，電樞反應具有消減磁通的作用，而且U0和Ui兩端負載特性不一致，這將會加劇比例關系Km的變化，在轉速達到最大時，其Km的變化也將達到最大。表1所示為不同工況不同轉速條件下Km的變化情況。

表1　不同條件下Km的變化情況

顯然，當比例關系Km變化后，必然引起電壓誤差信號變化，即造成了實際采樣電壓Ui信號失真 （不能正確反映輸出電壓U0的變化），影響輸出電壓U0的控制精度。

4.2PWM電流型控制方式

設計上，在原有調壓系統電壓控制環的基礎上增加一個電流控制環，以補償勵磁繞組電壓與電樞繞組電壓比例變化造成的輸出電壓精度降低現象，即采用雙環電流型控制。其特點是在控制系統中引入了一個電流誤差放大器，電流誤差放大器的同向端反映了補償電流的要求，檢測到的電流經電阻變換網絡轉換為電壓信號，送入電流誤差放大器的反向端。該控制方法不僅能改善傳統電壓型控制技術穩壓響應速度慢、穩定性差的缺點，甚至還能減少大信號變化時產生振蕩的弊病，還具有抗噪能力強、不需要斜率補償的特點。圖4為雙環控制系統模型。

圖4　雙環控制系統模型

4.3電路設計

電路設計上，采用T0交流電流互感器采樣電樞繞組隨負載特性變化的交流電流，經變換后通過補償電路的補償電阻R103一端和V03的發射極與圖2中R01的兩端并聯連接。R101、R102可根據負載情況進行分壓參數設計；R103可根據補償需要進行大小調節。電路原理如圖5所示。

圖5　電路原理圖

4.4試驗驗證

圖5中器件選取適當的參數與R01完成接線，分別在空載、負載條件下進行試驗。試驗數據見表2。

表2數據表明：對于高壓直流電源調壓系統采用PWM電流型控制方式設計后，電壓精度在空載和額定負載下的電壓精度都有所提高，全工況下的電壓精度從原來的±7.7%提高到了±5.23%。

5　結束語

表2　試驗數據

該調壓系統結構簡單、經濟、可靠，可解決高壓直流發電機電壓精度過低的問題。產品設計案例可作為增程器的重要組成部分應用于增程式汽車電源系統。

［1］汪斌，劉寧，孔靈，等.增程式電動汽車結構及工作模式淺析［J］.汽車電器，2014（12）：41-42，47.

［2］TB/T 3063—2002，旅客列車DC600V供電系統技術條件［S］.

［3］黃繼昌，郭繼忠，張海貴，等.電子元器件應用手冊［M］.北京：人民郵電出版社，2007.

［4］徐九玲，謝運祥，彭軍.開關電源的新技術與發展前景［J］.電氣時代，2003（6）：53-55.

［5］Marty Brown.Power Supply Cookbook（2nd edition）［M］. Kidlington：Elsevier Science ltd，2001：62.

［6］章名濤.電機學［M］.北京：科技出版社.1964：200-201.

（編輯陳程）

Design of Voltage Regulating System on High Voltage Direct Current Generator

WU Yan-fei，BI Feng，LI Wei-chao
（Xiangyang Hangli Electromechanical Technology Development Co.，Ltd.，Xiangyang 441021，China）

This article introduces application and current trend of high voltage DC generator on automobile，and demonstrates working principals of its voltage regulating system.Based on the example of existing regulating system used on high voltage brushless DC generator，it proposes a design for PWM current-mode regulating system and conducts verification through experiments.

vehicle high voltage direct current generator；generator voltage regulating system；PWM currentmode

U463.631

A

1003-8639（2016）09-0004-03

2015-10-13；

2015-12-05

吳顏飛 （1981-），男，湖北人，助理工程師，主要從事電機控制及逆變電源系統研制工作；畢鋒 （1985-），男，湖北人，助理工程師，主要從事變頻電源及電機控制系統研制工作；李蔚超 （1990-），男，湖北人，助理工程師，主要從事電機控制系統研制工作。入阻抗高、耐壓高及驅動功率小等特點，且有安全工作區寬、過載能力強及熱穩定性好等優點，在功率放大、電機調速、開關電源等領域有著廣泛的應用［3］。