淺析新一代汽車充電系統(tǒng)的變化特點(diǎn)(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(tǒng)為例，對(duì)新型車用發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)、輸出電壓智能調(diào)節(jié)以及蓄電池充電控制策略方面的主要變化進(jìn)行闡述分析，旨在為技術(shù)人員提供充電系統(tǒng)維修與診斷的技術(shù)參考。

一、新型車用發(fā)電機(jī)的主要結(jié)構(gòu)特征

1.采用扁銅線兩組雙層定子繞組

汽車交流發(fā)電機(jī)是一種爪極軸向自并勵(lì)磁式三相同步發(fā)電機(jī)。三相交流電勢經(jīng)過橋式整流后輸出，與蓄電池并聯(lián)供給用電負(fù)載。發(fā)電機(jī)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(yīng) 電 動(dòng) 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(fā)熱量；t—周圍溫度。

根據(jù)上述公式分析得知，影響發(fā)電機(jī)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(zhuǎn)速區(qū)域。為了提高發(fā)電機(jī)的輸出效率必須減少其損耗，發(fā)電機(jī)的各種損耗列于表1。

表1　發(fā)電機(jī)的各種損耗

從表1中可以看出，要想降低發(fā)電機(jī)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(dǎo)線的截面積，縮短繞組的長度，達(dá)到減小繞組電阻的目的。車用發(fā)電機(jī)的定子繞組，結(jié)構(gòu)上一般選用繞組系數(shù)較好的整距繞組，并采用與爪極極距相等的π節(jié)距嵌線(每個(gè)線圈的兩個(gè)有效邊應(yīng)相隔180°電角度)。因?yàn)槭侨嗬@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(tǒng)的車用發(fā)電機(jī)嵌線方法又是將很多線圈依次從內(nèi)圓側(cè)嵌入鐵心中，先插入的線圈與后插入的線圈會(huì)有重疊。結(jié)果，槽內(nèi)就會(huì)出現(xiàn)死區(qū)，如圖1(b)中所示，傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)繞組的重疊區(qū)，阻礙了繞組導(dǎo)線截面積的增加。此外，為了避免重疊部分導(dǎo)線之間產(chǎn)生接觸應(yīng)力，需要保證線圈端部具有足夠的長度，整個(gè)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(dǎo)線在定子鐵心槽內(nèi)的槽滿率 (槽滿率=定子鐵心槽內(nèi)導(dǎo)線的總截面積/定子鐵心槽的截面積)。

新型車用發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)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(fā)電機(jī)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(jié)構(gòu)如圖1(a)所示。其嵌線規(guī)則是每個(gè)定子鐵心槽內(nèi)有上下兩個(gè)線圈邊，每個(gè)線圈的一個(gè)邊放在某一個(gè)槽的上層，另一個(gè)邊放在相隔跨距6個(gè)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(chǎn)生反作用磁動(dòng)勢的6 次諧波相互抵消， 以達(dá)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(nèi)的死區(qū)。將繞組的圓導(dǎo)線改為扁銅線，增加了繞組導(dǎo)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(wǎng)狀，因此，改善了定子繞組的通風(fēng)性能，降低了發(fā)電機(jī)的發(fā)熱量。雙層繞組的組裝工藝是先將各定子繞組用扁銅線經(jīng)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(jìn)行繞組整形，再把各個(gè)U字型線圈的端部壓彎焊接，形成定子繞組。為提高導(dǎo)線的絕緣性能， 最后還要進(jìn)行導(dǎo)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(fā)電機(jī)已在豐田乘用車上普遍使用。它與傳統(tǒng)型發(fā)電機(jī)相比，在外徑、全長等項(xiàng)目上都明顯縮短，質(zhì)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(dá)到70%以上)。由于定子繞組電阻的減小，發(fā)電時(shí)的銅損大幅度降低，散熱性能得到改善，因而使發(fā)電機(jī)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(nèi)置單向離合器發(fā)電機(jī)驅(qū)動(dòng)皮帶輪

發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸皮帶輪通過皮帶傳動(dòng)實(shí)現(xiàn)車用發(fā)電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)。一般發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速是發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的2.5～3倍。發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒時(shí)產(chǎn)生的循環(huán)波動(dòng)，即使微小的循環(huán)波動(dòng)變化，都能引起驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)皮帶的瞬間抖動(dòng)、打滑以及噪聲的產(chǎn)生。長時(shí)間的運(yùn)行不僅會(huì)導(dǎo)致傳動(dòng)皮帶的疲勞，甚至還會(huì)降低發(fā)電機(jī)與拖動(dòng)附件帶輪的使用壽命。為了解決這一問題，新型車用發(fā)電機(jī)上采用了內(nèi)置單向離合器的驅(qū)動(dòng)皮帶輪，單向離合器發(fā)電機(jī)驅(qū)動(dòng)皮帶輪的結(jié)構(gòu)如圖4所示。

在皮帶輪外環(huán)和內(nèi)環(huán)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(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)波動(dòng)的脈沖力矩，避免發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子中的勵(lì)磁線圈因受到正反向沖擊而造成損傷，同時(shí)也降低了傳動(dòng)皮帶上的負(fù)荷，延長傳動(dòng)皮帶的使用壽命。帶有單向離合器皮帶輪轉(zhuǎn)速與發(fā)電機(jī)軸轉(zhuǎn)速差如圖5所示。

二、新型車用發(fā)電機(jī)輸出電壓調(diào)節(jié)

1.發(fā)電機(jī)電子調(diào)節(jié)器變化特點(diǎn)

伴隨著新型車用發(fā)電機(jī)制造技術(shù)的革新與電子技術(shù)的運(yùn)用，作為發(fā)電機(jī)電量輸出管理器件的電子調(diào)節(jié)器(IC調(diào)節(jié)器)最主要的功能突出在整個(gè)工作溫度范圍內(nèi)(一般為-40～90℃)，通過交流發(fā)電機(jī)輸出電壓的采樣，經(jīng)內(nèi)部邏輯電路的智能判斷結(jié)果來控制轉(zhuǎn)子繞組的勵(lì)磁電流，從而調(diào)節(jié)勵(lì)磁磁場強(qiáng)度，來控制發(fā)電機(jī)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(wǎng)絡(luò)技術(shù)的應(yīng)用，IC調(diào)節(jié)器發(fā)生了本質(zhì)變化，發(fā)電機(jī)輸出電壓控制集成在了車輛本地互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)中( LIN)，通過發(fā)動(dòng)機(jī)ECU的控制，為發(fā)電機(jī)提供增強(qiáng)型智能控制功能。圖6所示為豐田新一代卡羅拉充電系統(tǒng)圖，IC調(diào)節(jié)器內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖如圖7所示。

IC調(diào)節(jié)器的B+A端子提供控制電路的反饋電壓；PH端子采集發(fā)電機(jī)的相電壓，并與預(yù)存在數(shù)字核心內(nèi)的比較電壓對(duì)比，當(dāng)兩電壓差有效時(shí)，在相處理器內(nèi)部產(chǎn)生脈沖信號(hào)，反映發(fā)電機(jī)的當(dāng)前相頻率；IC調(diào)節(jié)器通過場效應(yīng)管(MOSFET)的高側(cè)EXC端子提供電流給發(fā)電機(jī)勵(lì)磁線圈；IC調(diào)節(jié)器內(nèi)部續(xù)流二極管，能防止勵(lì)磁電流斷開時(shí)電壓過高，仍能讓電流連續(xù)；IC調(diào)節(jié)器通過LIN協(xié)議接口UBS端子，使發(fā)動(dòng)機(jī)ECU可以控制發(fā)電機(jī)目標(biāo)電壓(目標(biāo)電壓值根據(jù)車型而定，一般在10.6～16V)、LRC(負(fù)載響應(yīng)控制)控制時(shí)間、LRC禁止頻率和勵(lì)磁限流。發(fā)動(dòng)機(jī)ECU還能通過LIN診斷到發(fā)電機(jī)溫度、勵(lì)磁電流占空比、故障等信息，ECU根據(jù)這些信息，管理用電器的使用策略或者調(diào)整發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速以適應(yīng)整車電負(fù)荷的要求。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)處于低轉(zhuǎn)速范圍時(shí)，車輛突發(fā)電氣負(fù)荷增加，傳統(tǒng)的發(fā)電機(jī)調(diào)節(jié)器會(huì)迅速增加發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流而導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)突發(fā)扭矩變化，引起發(fā)動(dòng)機(jī)速率振蕩和振動(dòng)。智能IC調(diào)節(jié)器具有LRC功能，其作用就是在負(fù)載響應(yīng)控制區(qū)間內(nèi)，逐步增加發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流占空比控制時(shí)間，使電負(fù)荷電流由發(fā)電機(jī)和蓄電池共同提供，從而減輕發(fā)動(dòng)機(jī)的扭矩，節(jié)省燃油消耗。一旦實(shí)現(xiàn)了LRC 禁用頻率(＞切入頻率的2倍)，IC調(diào)節(jié)器退出LRC控制，發(fā)電機(jī)將提供更加快速的輸出響應(yīng)，LRC作用如圖8所示。

2.LIN工作模式

LIN模式的標(biāo)準(zhǔn)工作狀態(tài)如圖9所示。

(1)當(dāng)點(diǎn)火開關(guān)處于“ON”位置時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)ECU通過LIN總線發(fā)送控制信號(hào)，喚醒IC調(diào)節(jié)器進(jìn)入LIN模式。IC調(diào)節(jié)器診斷到發(fā)動(dòng)機(jī)ECU命令有效時(shí)(發(fā)電機(jī)目標(biāo)電壓≠10.6V，且系統(tǒng)無錯(cuò)誤信息)，進(jìn)入預(yù)勵(lì)磁狀態(tài)，此時(shí)若B+A的電壓低于目標(biāo)電壓，IC調(diào)節(jié)器輸出一定占空比的勵(lì)磁電流(預(yù)勵(lì)磁占空比由發(fā)電機(jī)制造商根據(jù)發(fā)電機(jī)參數(shù)設(shè)定預(yù)勵(lì)磁占空比，如新一代卡羅拉的預(yù)勵(lì)磁占空比為16.4%)。預(yù)勵(lì)磁的目的一方面是在發(fā)電機(jī)開始它勵(lì)時(shí)減少蓄電池的能量消耗，滿足發(fā)動(dòng)機(jī)能夠平順、輕松地啟動(dòng)，同時(shí)又能保證提供給發(fā)電機(jī)最小的它勵(lì)電流，使發(fā)動(dòng)機(jī)在啟動(dòng)后迅速發(fā)電所需的勵(lì)磁能量。

(2)發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)后在發(fā)電機(jī)的每個(gè)勵(lì)磁調(diào)節(jié)周期內(nèi)(勵(lì)磁調(diào)節(jié)周期＝發(fā)電機(jī)頻率/2的倒數(shù))，IC調(diào)節(jié)器通過PH端子采集到相電壓低于8V，會(huì)輸出100%占空比的調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流。如果通過8個(gè)周期的反復(fù)調(diào)節(jié)，還不能出現(xiàn)8V相電壓，IC調(diào)節(jié)器會(huì)認(rèn)為系統(tǒng)出現(xiàn)故障，勵(lì)磁電流回到預(yù)勵(lì)磁時(shí)的占空比，減小發(fā)電機(jī)負(fù)載，同時(shí)通過LIN總線把故障診斷信息傳輸給發(fā)動(dòng)機(jī)ECU，點(diǎn)亮充電指示燈。(未完待續(xù))