浅析新一代汽车充电系统的变化特点(上)

◆文/江苏　杨忠颇　高惠民

本文以新一代丰田乘用车的充电系统为例，对新型车用发电机的结构、输出电压智能调节以及蓄电池充电控制策略方面的主要变化进行阐述分析，旨在为技术人员提供充电系统维修与诊断的技术参考。

一、新型车用发电机的主要结构特征

1.采用扁铜线两组双层定子绕组

汽车交流发电机是一种爪极轴向自并励磁式三相同步发电机。三相交流电势经过桥式整流后输出，与蓄电池并联供给用电负载。发电机的输出电流I、效率η、温升△t可分别用下列的简化公式来表示：

式中：E—感 应 电 动 势 ；U—端 电 压 ；Z—同步阻抗；r—定子绕组的电阻；ω—角速度；L—电感；P出—输出功率；P入—输入功率；P损—损耗功率；R—热阻；Q—发热量；t—周围温度。

根据上述公式分析得知，影响发电机输出电流的主要因素是定子的阻抗，尤其是在频率较低的转速区域。为了提高发电机的输出效率必须减少其损耗，发电机的各种损耗列于表1。

表1　发电机的各种损耗

从表1中可以看出，要想降低发电机输出效率的损耗，也恰是要降低占比例较大的铜损耗，因此，比较有效的办法是增大定子绕组导线的截面积，缩短绕组的长度，达到减小绕组电阻的目的。车用发电机的定子绕组，结构上一般选用绕组系数较好的整距绕组，并采用与爪极极距相等的π节距嵌线(每个线圈的两个有效边应相隔180°电角度)。因为是三相绕组，各相的相位差为2π/3电角度，所以各相绕组必然要重叠π/3。而传统的车用发电机嵌线方法又是将很多线圈依次从内圆侧嵌入铁心中，先插入的线圈与后插入的线圈会有重叠。结果，槽内就会出现死区，如图1(b)中所示，传统发电机绕组的重叠区，阻碍了绕组导线截面积的增加。此外，为了避免重叠部分导线之间产生接触应力，需要保证线圈端部具有足够的长度，整个绕组的变长造成定子绕组电阻的增加，所有这些原因降低了导线在定子铁心槽内的槽满率 (槽满率=定子铁心槽内导线的总截面积/定子铁心槽的截面积)。

新型车用发电机的设计考虑到要提高槽的利用率，采用扁铜线绕制的双层两组三相定子绕组，如丰田皇冠轿车的发电机采用了16极、96槽扁铜线绕制的双层两组三相定子绕组，绕组结构如图1(a)所示。其嵌线规则是每个定子铁心槽内有上下两个线圈边，每个线圈的一个边放在某一个槽的上层，另一个边放在相隔跨距6个槽的下层，并且分别将两组三相绕组以偏移30°电角度的相位差嵌线。这样能使绕组产生反作用磁动势的6 次谐波相互抵消， 以达到降低电磁噪声的目的，图2为两组三相绕组偏移30°电角度相位差的示意图。

线圈端部彼此之间没有干涉，可以缩短绕组端部的长度，消除绕组在铁心槽内的死区。将绕组的圆导线改为扁铜线，增加了绕组导线的截面积，减小了绕组的电阻，提高了槽满率。由于采用了无重叠嵌线方式，线圈端部呈网状，因此，改善了定子绕组的通风性能，降低了发电机的发热量。双层绕组的组装工艺是先将各定子绕组用扁铜线经扭头后做成U字型线圈(图3)，将每套U字型线圈迭放整理后，从铁芯的轴向插入槽中，然后进行绕组整形，再把各个U字型线圈的端部压弯焊接，形成定子绕组。为提高导线的绝缘性能， 最后还要进行导线表面的绝缘处理。

采用扁铜线两组双层定子绕组的新型车用发电机已在丰田乘用车上普遍使用。它与传统型发电机相比，在外径、全长等项目上都明显缩短，质量也得到了减轻(双层绕组的电枢用铜量比单层绕组少10%，槽满率达到70%以上)。由于定子绕组电阻的减小，发电时的铜损大幅度降低，散热性能得到改善，因而使发电机在怠速工况下的输出功率提高了近50%，总体效率提高了10%，电磁噪声减少了10dB。

2.采用内置单向离合器发电机驱动皮带轮

发动机曲轴皮带轮通过皮带传动实现车用发电机的运转。一般发电机的转速是发动机转速的2.5～3倍。发动机燃烧时产生的循环波动，即使微小的循环波动变化，都能引起驱动发电机运转皮带的瞬间抖动、打滑以及噪声的产生。长时间的运行不仅会导致传动皮带的疲劳，甚至还会降低发电机与拖动附件带轮的使用寿命。为了解决这一问题，新型车用发电机上采用了内置单向离合器的驱动皮带轮，单向离合器发电机驱动皮带轮的结构如图4所示。

在皮带轮外环和内环之间的圆周边方向上安装有支撑滑块和弹簧，使之具有单向离合器的超越功能。此功能可以吸收发动机循环波动的脉冲力矩，避免发电机转子中的励磁线圈因受到正反向冲击而造成损伤，同时也降低了传动皮带上的负荷，延长传动皮带的使用寿命。带有单向离合器皮带轮转速与发电机轴转速差如图5所示。

二、新型车用发电机输出电压调节

1.发电机电子调节器变化特点

伴随着新型车用发电机制造技术的革新与电子技术的运用，作为发电机电量输出管理器件的电子调节器(IC调节器)最主要的功能突出在整个工作温度范围内(一般为-40～90℃)，通过交流发电机输出电压的采样，经内部逻辑电路的智能判断结果来控制转子绕组的励磁电流，从而调节励磁磁场强度，来控制发电机的电量输出，保证向蓄电池合理地充电和整车电器的可靠用电。近几年来，随着车载网络技术的应用，IC调节器发生了本质变化，发电机输出电压控制集成在了车辆本地互联网络中( LIN)，通过发动机ECU的控制，为发电机提供增强型智能控制功能。图6所示为丰田新一代卡罗拉充电系统图，IC调节器内部结构示意图如图7所示。

IC调节器的B+A端子提供控制电路的反馈电压；PH端子采集发电机的相电压，并与预存在数字核心内的比较电压对比，当两电压差有效时，在相处理器内部产生脉冲信号，反映发电机的当前相频率；IC调节器通过场效应管(MOSFET)的高侧EXC端子提供电流给发电机励磁线圈；IC调节器内部续流二极管，能防止励磁电流断开时电压过高，仍能让电流连续；IC调节器通过LIN协议接口UBS端子，使发动机ECU可以控制发电机目标电压(目标电压值根据车型而定，一般在10.6～16V)、LRC(负载响应控制)控制时间、LRC禁止频率和励磁限流。发动机ECU还能通过LIN诊断到发电机温度、励磁电流占空比、故障等信息，ECU根据这些信息，管理用电器的使用策略或者调整发动机的转速以适应整车电负荷的要求。当发动机处于低转速范围时，车辆突发电气负荷增加，传统的发电机调节器会迅速增加发电机励磁电流而导致发动机突发扭矩变化，引起发动机速率振荡和振动。智能IC调节器具有LRC功能，其作用就是在负载响应控制区间内，逐步增加发电机励磁电流占空比控制时间，使电负荷电流由发电机和蓄电池共同提供，从而减轻发动机的扭矩，节省燃油消耗。一旦实现了LRC 禁用频率(＞切入频率的2倍)，IC调节器退出LRC控制，发电机将提供更加快速的输出响应，LRC作用如图8所示。

2.LIN工作模式

LIN模式的标准工作状态如图9所示。

(1)当点火开关处于“ON”位置时，发动机ECU通过LIN总线发送控制信号，唤醒IC调节器进入LIN模式。IC调节器诊断到发动机ECU命令有效时(发电机目标电压≠10.6V，且系统无错误信息)，进入预励磁状态，此时若B+A的电压低于目标电压，IC调节器输出一定占空比的励磁电流(预励磁占空比由发电机制造商根据发电机参数设定预励磁占空比，如新一代卡罗拉的预励磁占空比为16.4%)。预励磁的目的一方面是在发电机开始它励时减少蓄电池的能量消耗，满足发动机能够平顺、轻松地启动，同时又能保证提供给发电机最小的它励电流，使发动机在启动后迅速发电所需的励磁能量。

(2)发动机启动后在发电机的每个励磁调节周期内(励磁调节周期＝发电机频率/2的倒数)，IC调节器通过PH端子采集到相电压低于8V，会输出100%占空比的调节励磁电流。如果通过8个周期的反复调节，还不能出现8V相电压，IC调节器会认为系统出现故障，励磁电流回到预励磁时的占空比，减小发电机负载，同时通过LIN总线把故障诊断信息传输给发动机ECU，点亮充电指示灯。(未完待续)