引言

    隨著汽車工業(yè)的迅猛發(fā)展，人們對汽車的安全性、環(huán)保性、經(jīng)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(zhí)行器取代液壓傳動和氣壓傳動執(zhí)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(tǒng)已是大勢所趨。車載電源系統(tǒng)主要由蓄電池、發(fā)電機及電壓調節(jié)器等組成，蓄電池和發(fā)電機并聯(lián)于汽車電路之中，發(fā)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(fā)電機兩方面著手。為此，本文就車載電源系統(tǒng)做出以下探索。

    1 傳統(tǒng)車載電源系統(tǒng)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(tǒng)，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(yōu)化。為此世界各國正在研究42V或48V電源系統(tǒng)，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(fā)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(tǒng)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(fā)電機包括勵磁發(fā)電機和永磁發(fā)電機，而傳統(tǒng)勵磁發(fā)電機一般采用硅整流交流發(fā)電機，也不可能靠加大發(fā)電機的體積來增加功率。目前的硅整流交流發(fā)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(fā)電的，但其效率不高（每產生1W電能需要消耗2W發(fā)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(fā)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(fā)電機的發(fā)展概況

    2.1 傳統(tǒng)車載勵磁發(fā)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(huán)，避免炭刷的與電刷環(huán)的摩擦和接觸不良。目前交流發(fā)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(tǒng)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(lián)轉換可以提高輸出功率；

    4）改傳統(tǒng)的機械觸點式調節(jié)器為晶體管或集成電路調節(jié)器；

    但這些措施并沒有解決效率低，低速發(fā)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(fā)電機的發(fā)展概況

    近年來，隨著永磁材料的發(fā)展，車用永磁發(fā)電機以其結構簡單、比功率高、低速特性好等優(yōu)點，越來越受到業(yè)界的廣泛關注。因此，具有高效率、高性價比和高穩(wěn)定性的永磁發(fā)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(fā)電機，以其先進的結構和優(yōu)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(fā)電機，提高了汽車電器系統(tǒng)的整體水平，促進我國汽車工業(yè)的技術進步。但目前關鍵解決問題是：

    1）車用永磁發(fā)電機輸出電壓的的控制：車用發(fā)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(lián)工作，因此，對其輸出端電壓的穩(wěn)定性有很高的要求。永磁發(fā)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(fā)電機對電壓的控制是關鍵問題，也是目前研制永磁發(fā)電機的重點問題。永磁發(fā)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(jié)、控制其磁場極為困難，這使永磁發(fā)電機的應用范圍受到了限制。永磁發(fā)電機的電壓調節(jié)方法很多，目前典型的電壓調節(jié)方法主要有：（1）并聯(lián)式、串連式電子調節(jié)器；（2）控硅橋式半控整流穩(wěn)壓方案；（3）調節(jié)電樞繞組；（4）調節(jié)有效磁場；（5）混合勵磁。

    目前我國研究永磁發(fā)電機的調節(jié)電路普遍是采用單相或三相半控橋式整流穩(wěn)壓電路，也有采用PWM控制式整流穩(wěn)壓電路，還有機械調節(jié)式的整流穩(wěn)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(wěn)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(wěn)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(xiàn)穩(wěn)壓，但其穩(wěn)壓性能對負載、轉速等運行工況及有關參數(shù)依賴較大，運行工況及有關參數(shù)的變化會影響其穩(wěn)壓精度，并會導致輸出電壓的振蕩，甚至失控。

    2）車用永磁發(fā)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(fā)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(fā)適合于電機制造廠使用的檢查永磁材料熱穩(wěn)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(fā)電機不失磁。

    3 新電源系統(tǒng)的研究思路

    3.1 新電源系統(tǒng)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(tǒng)，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(tài)現(xiàn)象及抑制控制方法；雙電壓電器系統(tǒng)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(tǒng)的12V電源，而在發(fā)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(tǒng)及一些傳統(tǒng)用電設備使用，發(fā)電機的14V供傳統(tǒng)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(tǒng)方案更有利于汽車產業(yè)的平穩(wěn)發(fā)展。

    3.2 新電源系統(tǒng)的電壓控制問題

    發(fā)電機的電壓調節(jié)電路，由14V和42V兩套電壓調節(jié)裝置實現(xiàn)整流穩(wěn)壓。為了簡化控制線路及良好的控制效果，這兩套電壓調節(jié)裝置是由單片機統(tǒng)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(wěn)壓方案：每一個電壓采用一組獨立的三相全控橋式整流穩(wěn)壓電路，可控硅的觸發(fā)電路由單片機不同的I/O端口根據(jù)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(jīng)變壓后提供，所以還要在電樞繞組另抽出一組5V繞組，并經(jīng)整流穩(wěn)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(fā)電機，滿足汽車不同用電設的使用需要。<