汽車發(fā)電機效率優(yōu)化方向研究

易遠程，鄭 妍，黃 興

（1.上汽大眾有限公司，上海 201800；2.錦州漢拿電機有限公司，遼寧 錦州 121000）

最近工信部發(fā)布《乘用車燃料消耗量限值》和《乘用車燃料消耗量評價方法和指標》征求意見稿，與老版最大的區(qū)別是，將測試循環(huán)由現(xiàn)行的NEDC（全新歐洲測試循環(huán)）改成了WLTC（全球輕型車統(tǒng)一測試循環(huán)）。WLTC工況特點是車速波動大，怠速工況少，而且沒有特別的規(guī)律性，涵蓋更廣的速度區(qū)間，測試周期更長，這樣使得傳統(tǒng)燃油車油耗惡化明顯。同時，汽車電器設(shè)備增加，發(fā)電機的功率越來越大，使得發(fā)電機的因素在油耗計算中影響因子比重增加，因此對發(fā)電機效率進行優(yōu)化成為降低汽車油耗和排放的重要措施。本文通過對發(fā)電機的深度分析，提出對發(fā)電機定子繞線、風扇、高效二極管等方面的優(yōu)化，提升發(fā)電機的效率，從而達到節(jié)油效果。

1 發(fā)電機效率優(yōu)化措施

當前市場上主流的發(fā)電機采用的是爪極式發(fā)電機，主流選用的輸出都在120～150A之間，效率一般為65%～70%左右，發(fā)電機效率提升還有一定空間。以下將從整流橋、定子繞線及散熱進行優(yōu)化以提升發(fā)電機效率。

1.1 整流橋上使用高效二極管替代普通二極管

發(fā)電機發(fā)出的交流電都是通過整流橋轉(zhuǎn)化為直流電給其他用電器。三相交流發(fā)電機整流橋主要由6只齊納二極管組成的全波整流，如圖1所示。

圖1 三相發(fā)電機原理圖

由于二極管存在著正向壓降的特性，導(dǎo)致在功率轉(zhuǎn)換中出現(xiàn)自身損耗。一般普通二極管正向壓降VF為1.1～1.2V之間。Actron新開發(fā)了一款高效二極管，正向?qū)妷篤F為0.56V，幾乎是傳統(tǒng)二級管的50%。且二極管的形狀與普通二極管一致，在發(fā)電機的整流橋可直接替換傳統(tǒng)二極管無需對整流板進行更改，如圖2所示。普通二極管與高效二極管參數(shù)對比見表1。

圖2 Actron MLL50

表1 普通二極管與高效二極管參數(shù)對比

在裝有普通二極管的三相發(fā)電機上直接換裝高效二極管，根據(jù)VDA效率計算，高效二極管將發(fā)電機的效率提升了約6%左右。

VDA效率計算方法如下：

式中：ηGen——發(fā)電機平均效率；ηGi——各轉(zhuǎn)速下的效率；wi——各轉(zhuǎn)速下的加權(quán)；Pmech——消耗的機械功率；Pel——發(fā)電機輸出功率。

從曲線 （圖3）可以得到，應(yīng)用高效二極管的發(fā)電機不僅僅效率提高，而且在低轉(zhuǎn)速下的輸出也增大。高效二極管效率與普通二極管效率測試數(shù)據(jù)見表2。

圖3 應(yīng)用高效二極管的發(fā)電機輸出曲線

表2 高效二極管效率與普通二極管效率測試數(shù)據(jù)表

1.2 定子繞線工藝改進

關(guān)于發(fā)電機定子繞組，不同的繞線方式會對發(fā)電機的輸出性能以及效率產(chǎn)生影響。發(fā)電機定子繞組以圓線定子為例，其主要有兩種形式，一種稱之為 “波繞”，另一種稱之為“疊繞”。疊繞的主要形式如圖4所示，其銅線走勢為每一個鐵心槽內(nèi)的銅線首、尾兩端走線方向一致。在固定的機械角度小，重復(fù)纏繞，形成框式結(jié)構(gòu)。以三相定子為例，通過疊繞形成的定子繞組，單相繞組端部過粗，在定子兩端，三相繞組相互堆疊，這造成定子兩端銅線整形工藝困難，雖然此種繞線模式可以適當節(jié)省單相的端部銅線，但是如果要解決整形困難的問題，鐵心外部銅線高度需要適當增加，以滿足整形需求的空間。并且此種繞線形式，相與相之間的連接線跨度較長，這種將銅線增長的方式極大增加了銅線電阻，在形成感應(yīng)電流的過程中，增大了電流流經(jīng)的無效形成，導(dǎo)致發(fā)電機性能受限，效率低下。但是此種繞線方式適合人工生產(chǎn)，因此在部分機械化生產(chǎn)程度較低的廠家比較普遍使用。

圖4 疊繞示意圖

波繞的主要形式如圖5所示，其銅線走勢為每一個鐵心槽內(nèi)的銅線首、尾部對稱分開，各向相反方向延伸，按照單相繞組中的單根銅線來看，均是以波浪形狀在鐵心槽內(nèi)向前延伸。這種繞線形式可以解決整形困難問題，使得鐵心外部銅線更為均勻地分布，提高散熱的同時，可以大大降低定子外部銅線高度，即減少無用銅線的使用，也可一定程度上提升產(chǎn)品的輸出性能及效率。

圖5 波繞示意圖

隨著國內(nèi)工業(yè)進程的發(fā)展，定子繞線自動化設(shè)備日益增多，波繞以其優(yōu)異的性能逐步替代疊繞方式，并且兩種繞線方式明顯的優(yōu)缺點使得目前的大部分發(fā)電機均采用波繞的形式制作定子。表3為定子波繞與疊繞效率測試數(shù)據(jù)表。

表3 定子波繞與疊繞效率測試數(shù)據(jù)表

1.3 提升發(fā)電機的整機散熱水平

發(fā)電機作為能量轉(zhuǎn)化的媒介，在機械能轉(zhuǎn)化為電能的過程中存在很多種損耗模式，其中熱損耗就占有很大一部分比重。隨著發(fā)電機的輸出越來越大，導(dǎo)致發(fā)電機的發(fā)熱量也隨著增大。同時，發(fā)電機輸出會隨環(huán)境溫度增高而降低，所以增加有效的散熱也是提高發(fā)電機效率的一種方法。23℃和80℃發(fā)電機輸出曲線對比見圖6。

圖6 23℃和80℃發(fā)電機輸出曲線對比

發(fā)電機的主要發(fā)熱源包括定子、調(diào)節(jié)器、整流二極管，在發(fā)電機工作時，其定子內(nèi)部溫度可達220℃。

由于現(xiàn)有發(fā)電機基本為內(nèi)置雙風扇結(jié)構(gòu)，因此其主要的散熱途徑均是通過內(nèi)部風扇實現(xiàn)。發(fā)電機散熱風路如圖7所示。

發(fā)電機的散熱效果由風扇所形成的的風量、熱源的散熱面積、端蓋散熱口的面積 （通過風量的大?。Q定。舉例說明，如果在風扇風量、熱源散熱面積一定的情況下，那么對端蓋進行微調(diào)整，即增大其瞬時通過風量的能力 （風扇形成總風量>散熱孔通過總風量），對定子及發(fā)電機整體的溫度均存在較大影響。如圖8所示，將端蓋散熱孔增大。

圖7 發(fā)電機散熱風路

圖8 端蓋優(yōu)化及風量模擬計算

更改后，端蓋散熱孔的出風量曾加了0.00022kg／s。風量增加后的定子溫度場分析如圖9所示。

圖9 定子溫度場模態(tài)分布

由于端蓋散熱風量的增加，定子平均溫度下降了2.5℃。發(fā)電機在熱態(tài)工作時自身熱量的降低，可以大大減少銅損，從而提升能量轉(zhuǎn)化過程中的電機效率。優(yōu)化散熱效率測試數(shù)據(jù)見表4。

表4 優(yōu)化散熱效率測試數(shù)據(jù)表

2 結(jié)束語

本文通過應(yīng)用高效二極管，改變繞線方式及提升散熱水平等方案提升發(fā)電機的效率，并進行相關(guān)的對比試驗。對比數(shù)據(jù)表明，高效二極管的應(yīng)用可將效率提升5%左右，繞線和散熱水平的優(yōu)化對效率提升也有不錯的效果。這3種方案只需要在原發(fā)電機的平臺進行優(yōu)化，就可明顯提升發(fā)電機效率，具有很好經(jīng)濟性。