車用交流發(fā)電機概述

蘭 鎮(zhèn)，徐曉玲

（上海法雷奧汽車電器系統(tǒng)有限公司，上海 201201）

發(fā)電機是整車不可分割的組成部分，它在正常工作時，對車內(nèi)的用電設(shè)備供電，并向蓄電池充電，以補充蓄電池在使用中消耗的電能。汽車發(fā)電機集高技術(shù)、高難度于一身，是保證汽車迅速可靠起動和正常運行至關(guān)重要的產(chǎn)品，是體現(xiàn)汽車技術(shù)的標(biāo)志之一［1］。汽車技術(shù)的發(fā)展日新月異，在節(jié)能降噪、減排等方面的要求越來越高，同時新能源技術(shù)迅猛發(fā)展，純電動、油電混動、BSG等技術(shù)層出不窮。這對發(fā)電機的發(fā)展既是機會又是挑戰(zhàn)，想在競爭的浪潮中立于不敗之地，需要的是不斷地創(chuàng)新和適應(yīng)市場的靈活策略。

1 緒論

發(fā)電機是發(fā)動機前端驅(qū)動系統(tǒng)的一部分，通過轉(zhuǎn)子軸和皮帶輪形成輪系中的一個轉(zhuǎn)動節(jié)點，與曲軸、空調(diào)壓縮機、水泵等相連 （圖1），將發(fā)動機的動能轉(zhuǎn)化為電能，給整車電氣負(fù)載提供電流，并給蓄電池充電。

追溯到上世紀(jì)90年代開始上海汽車電器總廠與法國共同投資成立的“上海法雷奧”汽車電器系統(tǒng)有限公司，開始制造具有當(dāng)時領(lǐng)先水平的雙風(fēng)扇發(fā)電機，使中國的汽車發(fā)電機與世界水平處在同一起跑線上。直至現(xiàn)在，上海法雷奧仍然是中國發(fā)電機技術(shù)和市場的領(lǐng)跑者。

隨著整車技術(shù)日新月異的發(fā)展，對發(fā)電機的要求也日益增高：首先對于傳統(tǒng)的發(fā)電機，整車要求更大電量、更智能的控制策略和更可靠的品質(zhì)；其次在電動化的大趨勢下，必須緊跟其步伐，開發(fā)適配于微混、中混甚至純電動車的電機，搶占電動車市場的發(fā)電機份額。

圖1 發(fā)電機在輪系中示意圖

2 整車對發(fā)電機的關(guān)注點

2.1 法雷奧發(fā)電機的簡單分類

法雷奧的發(fā)電機基于結(jié)構(gòu)的不斷進(jìn)化和技術(shù)的進(jìn)步在以下幾個方面不斷改進(jìn)和發(fā)展。

發(fā)電機的類型：早期的JFZ、SG系列電機，體積大、效率低。發(fā)展到中堅力量TG、FGN系列電機，其中TG電機采用了灌膠技術(shù)，將定子和前端蓋粘合，起到減振降噪作用，應(yīng)用廣泛；FGN電機是代表法雷奧成熟技術(shù)實力的六相電機，其定子設(shè)計為72槽 （圖2），整流電路由正負(fù)各6只二極管組成，大大提高了電機的發(fā)電量和整流效率。與此同時由于六相電機的相位抵消作用，使得FGN的電機噪音遠(yuǎn)優(yōu)于三相電機，達(dá)到國內(nèi)的領(lǐng)先水平，同時效率達(dá)到70%以上，發(fā)電范圍、適用的車型更廣，深受整車廠歡迎。

法雷奧并沒有滿足于現(xiàn)有的成熟產(chǎn)品，在電機的廣度和深度上也不斷擴充：EG電機是近幾年開發(fā)的高智能電機，采用了獨特的Mosfet集成電路板整流，歷史性地將傳統(tǒng)電機的效率提高到80%以上，使上海法雷奧在國際發(fā)電機領(lǐng)域進(jìn)入一流水準(zhǔn)行列。

圖2 FGN定子繞嵌線 （72槽）

上海法雷奧在引進(jìn)國外先進(jìn)技術(shù)的同時，也在努力打破法國的技術(shù)壟斷。 NRG11、NRG12兩個平臺是具有代表性的具有自主產(chǎn)權(quán)的電機平臺。其低成本、小體積的特點更適合國內(nèi)市場，滿足了其排放要求、降低油耗和舒適化駕駛等環(huán)保要求。這是發(fā)電機國產(chǎn)化的重要的嘗試，為平臺本身的開發(fā)，以及平臺向外拓展提供了堅實的基礎(chǔ)和強勁的動力。

2.2 整車關(guān)注點介紹

發(fā)電機制造商作為整車的一級供應(yīng)商，一切產(chǎn)品和服務(wù)都要以整車為中心，各種技術(shù)創(chuàng)新必須以整車需求為基礎(chǔ)。結(jié)合電機在整車上的應(yīng)用和積累客戶的反饋經(jīng)驗，總結(jié)了下面幾條客戶關(guān)注的要素并加以介紹。

2.2.1 噪音

噪音問題放在首位，說明噪音在整車中的重要地位，它是乘用車駕駛員的最直觀的感受［2］。耳朵對于頻率十分敏感，不同相數(shù)的電機在對應(yīng)階次的噪音是我們研究的對象。發(fā)電機噪音由電磁噪音、風(fēng)噪和機械噪音組成，主要是前兩種合成而來。

電磁噪音是發(fā)電機感應(yīng)磁場的旋轉(zhuǎn)，定子漆包線切割磁感線等動作產(chǎn)生的電磁類噪音，是一類比較復(fù)雜的噪音，形成示意如圖3所示。磁極的形狀、厚度，轉(zhuǎn)子軸的剛度、平衡度，定子的壓裝工藝等均能對其產(chǎn)生影響。

風(fēng)噪是空氣流動產(chǎn)生的噪音，轉(zhuǎn)子和風(fēng)葉的轉(zhuǎn)動配合發(fā)電機殼體和罩蓋上的散熱窗口，使得發(fā)電機在工作的時候內(nèi)外產(chǎn)生空氣流動形成噪音，形成示意如圖4所示。影響它的直接因素有風(fēng)葉、散熱窗口的數(shù)量和形狀，間接因素有轉(zhuǎn)子極爪形狀、定子繞嵌線工藝等。

除了上述所提，發(fā)電機噪音還包括一些機械噪音，比如軸承轉(zhuǎn)動、碳刷與軸的摩擦產(chǎn)生的噪音等，在風(fēng)噪和電磁噪音背景下機械噪音經(jīng)常被忽略處理。所以，確定好階次后，風(fēng)噪與電磁噪音組成了發(fā)電機的整體噪音，如圖5所示。

圖3 電磁噪音形成示意

圖4 風(fēng)噪形成示意

圖5 噪音合成示意

2.2.2 尺寸和質(zhì)量

隨著緊湊化和輕量化的發(fā)展，整車發(fā)動機艙的布置越來越緊湊，驅(qū)使發(fā)電機朝小型化，輕質(zhì)化發(fā)展。設(shè)計和工藝是電機能否實現(xiàn)“瘦身”的關(guān)鍵因素，小型化實質(zhì)上是提高發(fā)電機的單位發(fā)電密度，比如改善定子繞嵌線工藝、采用扁銅線增加槽滿率、增加轉(zhuǎn)子磁條、提高勵磁密度等，然后通過設(shè)計的標(biāo)準(zhǔn)化來確保同平臺尺寸的一致性。

上海法雷奧的發(fā)電機一直朝著更小更優(yōu)的方向發(fā)展，較早風(fēng)葉外置的JFZ，體形較大的SG平臺電機，主要是從滿足整車用電量的角度考慮設(shè)計。第3代TG電機，通過改進(jìn)繞嵌線工藝，提高槽滿率，并在轉(zhuǎn)子上加以改進(jìn)，能夠在與SG平臺相比尺寸變化不大的情況下大大提高發(fā)電量。到第4代FGN電機，進(jìn)行了大量的設(shè)計改進(jìn)和創(chuàng)新，例如增加轉(zhuǎn)子永磁體，增大了發(fā)電磁場 （圖6）；定子從36槽升級為72槽，使得單位發(fā)電量大大增加；整流電路采用了正負(fù)各6只二極管，提升了交轉(zhuǎn)直的效率。

通過以上3個因素，F(xiàn)GN電機將質(zhì)量和尺寸大大減少。在與TG平臺電機同樣大小和質(zhì)量的前提下，發(fā)電量輸出增加了30～50A，在國內(nèi)處于領(lǐng)先地位。EG平臺電機通過其極高的轉(zhuǎn)換效率，使得電機在尺寸適量增加的基礎(chǔ)上發(fā)電量提升到200A以上，得到了很多高端車型的好評。

2.2.3 性能和效率

圖6 “磁條”轉(zhuǎn)子

性能和效率是發(fā)電機開發(fā)中最基礎(chǔ)的要求之一，隨著發(fā)電機技術(shù)的發(fā)展，大多數(shù)發(fā)電機生產(chǎn)商已經(jīng)基本可以滿足大多數(shù)整車的用電需求，故性能和效率已經(jīng)不是整車廠優(yōu)先考慮的因素，從側(cè)面也反映了國內(nèi)發(fā)電機技術(shù)的成熟發(fā)展。

法雷奧的各個平臺的發(fā)電機構(gòu)成了從90A到250A發(fā)電范圍的產(chǎn)品網(wǎng)，發(fā)電效率也在不斷提升，這與電氣技術(shù)的發(fā)展是密不可分的。比如整流電路的不斷進(jìn)化，從普通二極管到雪崩二極管，不但可以提高電流轉(zhuǎn)換效率，又能避免反向高電壓沖擊。EG平臺的Mosfet整流板采用了低損耗二極管將整流電路的壓降降低，與普通二極管壓降對比如圖7所示：將整個發(fā)電機的整流效率提升到80%以上。

圖7 Mosfet與普通二極管壓降對比

以上列舉的幾個要素為常見的整車關(guān)鍵需求，除此之外，對于發(fā)電機的控制策略、溫升表現(xiàn)、振動狀況、帶輪的選擇等也是整車匹配發(fā)電機時需要考慮的重要問題，將一款合適的發(fā)電機匹配到相應(yīng)的整車上是一個系統(tǒng)性的工作［3］。

3 從傳統(tǒng)車到混合動力車

整車技術(shù)日新月異的發(fā)展對發(fā)電機提出了新要求：

隨著國家減少燃油排放的政策推進(jìn)，輕混、中混、電動汽車成為熱點，發(fā)電機也扮演起了不一樣的角色。純電動車大多采用高壓驅(qū)動電機提供動力，已經(jīng)蠶食了傳統(tǒng)發(fā)電機的一部分市場份額，所以必須在輕中混領(lǐng)域，抓住市場先機。

3.1 BSG領(lǐng)導(dǎo)者

在混和動力汽車的發(fā)展過程中，更大的功率要求和電能效率的要求使得我們向高電壓的方向發(fā)展。但電壓越高，成本越高 （圖8），48V系統(tǒng)是一種降低成本方法的優(yōu)化設(shè)計，是目前中低壓混動起發(fā)電機優(yōu)秀的解決方案。

圖8 動力總成成本隨電壓變化示意圖

BSG為48V混動車型應(yīng)用的皮帶傳動起發(fā)電一體機，工作過程中能夠提供持續(xù)功率3～15kW、平均功率8kW的輸出，通過回收制動能量，提供扭矩助力等方式達(dá)到節(jié)油減排的效果。基于不同的發(fā)動機和車輛，能源存儲大小，不同的減速比，燃油經(jīng)濟性可以達(dá)到13%～15%。

出于成本、集成和安全方面考慮，中國市場正快速推進(jìn)48V BSG混動系統(tǒng)，據(jù)預(yù)測在2022年，48V的BSG將占到73%的輕度混合動力e-machines的應(yīng)用市場，將有超過 400萬輛汽車配備48V混合動力技術(shù)。基于10多年的14V BSG（包括集成和分離逆變器）生產(chǎn)經(jīng)驗和超過120萬的車輛匹配經(jīng)驗，法雷奧正成為一個48V混動系統(tǒng)BSG領(lǐng)導(dǎo)者。

BSG之后非皮帶傳動混動方案將被用來進(jìn)一步加強混動功能并降低油耗，而且法雷奧正研發(fā)用于純電動車的48V動力系統(tǒng)，該方案對于低成本電動車將極具吸引力。在上海技術(shù)體驗活動中法雷奧將領(lǐng)圖、寶駿以及知豆原來的驅(qū)動系統(tǒng)換成48V系統(tǒng)作為唯一的驅(qū)動源，汽車起步時有明顯的起步感、響應(yīng)很快，在跑道上多次加速、制動時動力依然很靈敏，展示了 其48V動力總成系統(tǒng)對于純電動城市汽車的意義，也向世界顯示了其48V動力系統(tǒng)的巨大潛力。

3.2 展望

在汽車電子架構(gòu)飛速發(fā)展的今天，抓住時代的脈搏，開發(fā)出符合市場需求的電機，是發(fā)電機制造廠商的重要競爭力所在。作為電機行業(yè)的從業(yè)者，我們必須保持前瞻的眼光、靈活的頭腦和與時俱進(jìn)的策略，為行業(yè)的電氣化發(fā)展貢獻(xiàn)自己的一份力量。