汽車充電系統(tǒng)的發(fā)展歷程、現(xiàn)狀及未來趨勢

張培杰

摘 要：傳統(tǒng)汽車上普遍具有兩個電源，一個是蓄電池，另一個是發(fā)電機。蓄電池的主要作用是汽車起動時，向起動機、點火系統(tǒng)、電控單元等供電;或者在發(fā)電機不發(fā)電、發(fā)動機不工作時供電。而發(fā)電機基本承擔著汽車行駛過程中所有用電設備的供電，同時對蓄電池充電，始終保持蓄電池的電量處于富足的狀態(tài)，以便下一次起動用。蓄電池和發(fā)電機共同組成為汽車充電系統(tǒng)，為汽車的所有工作狀態(tài)提供了可靠的電源保證。隨著時代的發(fā)展，充電系統(tǒng)的組成和工作原理方案，從早期的機械觸點式電壓調節(jié)發(fā)展到了現(xiàn)代的智能電源管理系統(tǒng)。本文將從汽車充電系的組成及原理角度簡要闡述其發(fā)展歷程和現(xiàn)狀，并總結其未來發(fā)展趨勢。

關鍵詞：充電系統(tǒng) 負荷 原理

1 汽車充電系統(tǒng)的組成及原理

汽車充電系一般由發(fā)電機、蓄電池、點火開關、充電指示燈等。發(fā)電機在發(fā)動機起動后開始發(fā)電，并向汽車電氣、電控系統(tǒng)供電，同時給蓄電池進行充電。

發(fā)電機由轉子、定子、整流器、電壓調節(jié)器等組成。定子發(fā)出的三相交流經(jīng)過整流器整流后變成脈動的直流電，因為該電壓會隨著發(fā)電機的轉速變化而變化，因此發(fā)電機當中的電壓調節(jié)器通過控制轉子勵磁繞組的通斷實現(xiàn)了對于電壓的穩(wěn)定調節(jié)，使其始終保持在14V左右，對車載電氣系統(tǒng)進行供電。

從發(fā)展歷程來看，發(fā)電機的轉子、定子、整流器這三大組成部分基本沒變。但是電調節(jié)器隨著時代的發(fā)展不斷地進行演變，其類型以及在整個充電系統(tǒng)中的控制方式?jīng)Q定著充電系統(tǒng)方案的差異。

現(xiàn)代汽車充電系統(tǒng)中，更是引入了負荷管理和智能充電，整個充電系的組成又進一步擴大到車身控制單元、發(fā)動機控制單元等。其對于汽車充電系統(tǒng)的功能相對于傳統(tǒng)的有了進一步的突破。

2 充電系統(tǒng)的分類

依照充電系統(tǒng)的功能及組成，將其分為以下三類：

2.1 純電壓調節(jié)型充電系統(tǒng)

該類型的充電系統(tǒng)也最傳統(tǒng)的充電系統(tǒng)，由發(fā)電機、蓄電池、點火開關、充電指示燈組成。在該系統(tǒng)當中，扮演關鍵角色的電壓調節(jié)器。

該系統(tǒng)原理方案圖如圖1：

當發(fā)電機轉速上升時，電壓調節(jié)器檢測到發(fā)電電壓超過預定值，通過控制轉子線圈電路的平均閉合時間減少（即達到減小發(fā)電機平均勵磁電流目的，以減小磁通量）使得發(fā)電機的輸出電壓保不變。當發(fā)電機的轉速降低時，電壓調節(jié)器檢測到發(fā)電電壓低于預定值，通過控制轉子線圈電路的平均閉合時間增加（即達到增大發(fā)電機平均勵磁電流目的，以增加磁通量）使得發(fā)電機的輸出電壓保不變。

電壓調節(jié)器最早采用觸點式電壓調節(jié)器，因其觸點振動頻率慢、機械慣性和電磁慣性大、電磁干擾大、可靠性差、壽命短、早已淘汰。取而代之的是晶體管式的電壓調節(jié)器。隨著集成電路技術的發(fā)展，晶體管式的電壓調節(jié)器被集成式的取代。集成電路調節(jié)器除具有晶體管調節(jié)器的優(yōu)點外，還超小型，可安裝于發(fā)電機的內部，減少了外接線，并且冷卻效果得到了改善。

本質上來講，帶有這三種電壓調節(jié)器的充電系統(tǒng)其實可以算是一個類型。因其功能只是簡單的講發(fā)電機發(fā)電電壓限制值規(guī)定之內，只是電路原理方法不一樣而已。對于外部電氣負載變化時無法起到積極主動的調節(jié)作用，見圖2。

從發(fā)電機的外特性和空載特性可以知道：發(fā)動機處于怠速的時候，其輸出電壓一定，若電氣負荷變大，會導致發(fā)電機的端電壓下降。若負載過大，最終會造成發(fā)電機供電不穩(wěn)。若想有效解決這個問題，從發(fā)電機的空載特性入手，可以采用提高發(fā)電機轉速，以此可提高供電電流。

因此對于這一類的充電系統(tǒng)，顯然無法解決這個讓發(fā)動機轉速隨著電氣負荷進行調節(jié)的功能。

2.2 負荷反饋型充電系統(tǒng)

為解決前一種類型充電系統(tǒng)出現(xiàn)的問題，帶負荷反饋的充電系統(tǒng)應運而生。該類型的充電系統(tǒng)的組成中多了發(fā)動機控制單元，其原理圖如下圖3：

該系統(tǒng)方案保留了原有的結構類型，在調節(jié)器這個零部件上做更改。該類型的調節(jié)器帶有負荷反饋功能，將發(fā)電機的負荷情況發(fā)送給發(fā)動機控制單元，發(fā)動機一旦判斷電氣負荷在目前轉速下過大，就會發(fā)出指令提高發(fā)動機的轉速，已達到提高發(fā)電量的目的。

典型的系統(tǒng)有比如豐田車系的充電系，如下圖。早期豐田車系發(fā)電機的電壓調節(jié)器為三線制，分別為S、IG、L。S接蓄電池，作為檢測蓄電池電壓用;IG接點火開關，為電壓調節(jié)器提供工作電壓;L充電指示燈。后來豐田車系上發(fā)電機電壓調節(jié)器多了M端子，連接至發(fā)動機ECU（或空調放大器），主要進行負荷反饋。同類型系統(tǒng)方案在同時期三菱、本田、通用等品牌亦有使用。

2.3 智能型充電系統(tǒng)

伴隨著電控技術的、車載網(wǎng)絡技術的發(fā)展以及日益嚴格的法規(guī)對于汽車性能的要求，充電系統(tǒng)逐漸發(fā)展成智能型。該系統(tǒng)類似于新能源汽車上動力電池管理系統(tǒng)，既能進行負荷管理，又能對蓄電池進行監(jiān)控和充電控制，充分協(xié)調系統(tǒng)的均衡性，延長蓄電池的使用壽命，提高整車電氣系統(tǒng)的穩(wěn)定性。該類型充電系統(tǒng)的故障指示也不再類似于前兩者依賴于電壓調節(jié)器控制充電指示燈來指示充電狀態(tài)。其在系統(tǒng)組成結構上加入蓄電池傳感器及電源管理系統(tǒng)，當電源管理系統(tǒng)根據(jù)電機、蓄電池工作狀況以及負荷情況等綜合分析判斷系統(tǒng)出現(xiàn)問題則儲存相應故障碼，并通過通訊網(wǎng)絡報告儀表使其點亮充電指示燈。典型的系統(tǒng)有大眾的負荷管理充電系統(tǒng)、福特的智能再生充電系統(tǒng)（奔馳、寶馬、豐田、本田、日產(chǎn)的與福特類似）。

2.3.1 大眾車系的負荷管理充電系統(tǒng)

大眾車系的充電系統(tǒng)原理圖如下圖5：

該充電系統(tǒng)中，控制單元根據(jù)動機轉速、電瓶電壓、發(fā)電機的DFM信號來進行綜合控制。DFM針腳，為發(fā)電機負載報告接口，以脈寬調制的方式（占空比），向發(fā)動機管理系統(tǒng)報告自己當前轉速下的負荷。ECU會通過負荷數(shù)據(jù)來調整發(fā)動機扭矩和轉速。如發(fā)電機報告負荷接近100%，則ECU會提高轉速，以提升發(fā)電量，降低發(fā)電機相對負荷值。L針腳為發(fā)電機充電指示燈控制端，該信號輸入到車載網(wǎng)絡單元J519，然后J519以總線的通訊形式輸送到儀表控制單元，從而控制充電指示燈的亮滅。

負荷能量管理的任務是在保證安全的前提下，適當?shù)年P閉舒適功能的用電設備，以確保蓄電池有足夠的電能使發(fā)動機順利起動和正常運轉。

2.3.2 福特車系的智能充電系統(tǒng)

智能電池充電結合智能電池管理系統(tǒng)，能夠監(jiān)控電池的狀態(tài)，提高電池的利用率，防止電池出現(xiàn)過充電和過放電，延長電池的使用壽命。同時，對于燃油經(jīng)濟性和排放特性，也有一定的改善作用。

福特車系的充電系統(tǒng)原理圖如下：

智能再生充電系統(tǒng)的最大元件存儲在BCM模塊內。它通過LIN數(shù)據(jù)總線接收蓄電池檢測傳感器發(fā)出的所有重要的蓄電池工況信息（蓄電池電壓、電流、溫度）并計算發(fā)電機充電電壓的要求設定值。然后通過HS-BCM數(shù)據(jù)總線由CAN將設定值送給PCM。如果有必要則調整接受值，將其通過LIN數(shù)據(jù)總線傳送至發(fā)電機。

PCM同時控制并監(jiān)控發(fā)電機輸出。當電流補償高或蓄電池放電時，PCM需要根據(jù)需要提高發(fā)動機速度，從而增加發(fā)電機輸出。在發(fā)動機啟動過程中，PCM關閉發(fā)電機，以降低發(fā)電機載荷并提高啟動速遞。一旦發(fā)動機起動，PCM緩慢將發(fā)電機輸出提高到預期電壓值。蓄電池低溫時以高壓充電和溫度高時以低壓充電可以保證蓄電池充電更高效。

配備BMS（蓄電池管理系統(tǒng)）除了管理發(fā)電機給蓄電池充電并監(jiān)控蓄電池充電狀態(tài)，還可以使用甩負荷測量幫助控制蓄電池放電，并在可能的情況下防止蓄電池充電狀態(tài)過低。

3 汽車充電系統(tǒng)的未來發(fā)展趨勢

目前汽車充電系統(tǒng)已經(jīng)很好地和車載網(wǎng)絡控制系統(tǒng)聯(lián)合在一起，實現(xiàn)了更加智能化的控制。提高汽車電源系統(tǒng)性能的同時，更大化地延長了零部件的使用壽命，相對于傳統(tǒng)的充電系統(tǒng)有了很大的提升。未來的充電系統(tǒng)當中，電控上必將是在現(xiàn)有的基礎上進行進一步的完善和改進，旨在提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和耐用性。

新能源汽車上充電、管理系統(tǒng)系統(tǒng)的先進技術同樣可以應用到傳統(tǒng)燃油車充電系統(tǒng)上，使其更加完善;發(fā)動機減速、汽車滑行、汽車制動等工況下的能量回收系統(tǒng)，同樣可以與充電系統(tǒng)進行結合，進一步提升汽車性能，節(jié)能減排;無線充電技術在各領域的廣泛應用未來在汽車上的應用未嘗不可。

除了系統(tǒng)上的發(fā)展，在設計布置上、零部上同樣也可以進步一的優(yōu)化。如發(fā)電機中引入電磁離合器的控制以減少高轉速下的NVH（福特已使用）;新型電池的投入使用以提高系統(tǒng)的耐用性（如大容量鋰電池）;電池中內置BMS模塊以減少系統(tǒng)復雜程度（比亞迪新能源電壓電池中已使用）;ISG電機的投入使用以便于更緊湊的結構布置建設能耗和更好地能量回收（微混系統(tǒng)）。

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