传统汽车发电机的智能化控制及改造研究

潘惠丰　邱洪亮

摘要：文章通过对传统汽车发电机工作控制存在问题的分析，拟合多种汽车发电机智能控制改造方案，制定了多种传统汽车发电机的工作模式，结合测控电路和蓄电池技术设计了新型的智能反馈控制系统，通过检测汽车蓄电池的电量，智能调节发电机的出入转速，进而控制输出电压。在实际的模拟试验中取得了良好的实验成果，节能效果明显。

关键词：传统汽车；发电机；智能化控制；测控电路；蓄电池技术 文献标识码：A

中图分类号：TP27 文章编号：1009-2374（2016）01-0033-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.01.017

现阶段传统汽车的发电机的智能化控制是汽车节能研究领域的一部分，如何实现汽车发电机输入转速的控制以及输出电压的变压输出，是传统汽车智能化控制以及改造研究的重点，也是当前汽车电子和电源供给系统发展的趋势。当前，传统汽车发电机的智能控制技术不够完善，主要受到汽车发电机性质和机械结构的限制。传统汽车发电机多数应用经济耐用的励磁式发电机，受到制造成本的限制，在很多车型没用应用智能反馈控制系统，发动机与发电机直接啮合，无法实现智能分离，因此在汽车发动机发动之后，汽车发电机一直处于运动状态。其输出电压由电压调节器调控，由于没有智能反馈系统，电压调节控制器输出电压一般为定值电压，只能实现稳压的功能。当汽车蓄电池饱和时，不能有效地对发电机输出电压进行控制，因此传统汽车发电机的智能化控制系统研究的目的就是实现发电机的智能启停，保证汽车蓄电池在饱和状态时，能智能断开汽车发电机的能量输入，防止汽车蓄电池出现电能过充，对能量造成浪费。

国内外很多汽车研究大多都致力于传统汽车发电机的智能化控制，其研究的发电机智能控制系统的控制理论基本相同，利用上位控制器控制汽车发电机的输出电压，通过LIN总线实现测控系统信息的传递。另外，宝马公司研制的传统汽车发电机智能控制的机械传动中添加了离合器，在汽车蓄电池饱和或者不需要供电的转态下，离合器实现自动断开，切断汽车发电机的能量输入。通用汽车公司与丰田汽车公司研制的汽车发电机控制系统的理论体系相似，是汽车电源管理系统的一部分，首先励磁发电机输出电压可以通过改变磁场的空占比实现变压，像丰田推出的雷克萨斯LS430轿车，通过对汽车发电机空占比的频率调节在0～150Hz之间浮动，实现了发电机输出电流在0～12A之间的调节，进而控制输出电压。传统汽车发电机智能控制系统的改造和应用具有很多局限性，首先是智能控制系统的结构组成需要对传统汽车进行结构改装，改变汽车核心的控制单元，生产成本过高，因此不能在经济车型上广泛应用。我国汽车工业起步较晚，因此在汽车电源管理方面的研究不够深入，核心技术都由国外企业掌握。

1 智能化控制实现的功能

1.1 稳定电压

汽车电子元器件对电压的浮动较为敏感，因此汽车电源供电系统要实现电压的稳定，避免过大的电压浮动超过电子元器件的击穿电压（一般不超过最小电器元件击穿电压），损坏电器元件，同样电压过高或者过低车用电器都不能正常工作。

1.2 调节输出电压

传统的汽车发电机不能根据汽车对电能的要求实时的调节，对能源的消耗较大，不能实现能量的最大利用。因此智能化控制要实现的基本功能是智能调节发电机的输出电压，建立实时有效的智能反馈系统，通过对车用电器的用电量以及蓄电池饱和度的检查，实时反馈给控制系统，控制汽车发电机电压的智能调节。在汽车蓄电池亏电时，智能调高汽车发电机的输出电压，实现蓄电池的快速充电，同理在汽车蓄电池饱和时，智能降低汽车发电机的输出电压，降低能量的消耗，同时防止蓄电池过充。

1.3 提高能量的利用率

我国大力提倡使用绿色能源，也是全球汽车发展的趋势，要求汽车要节约能源，提高能量的利用率。因此传动汽车发电机的智能化控制能实现提高汽车能量利用的目的，首先是提高了发电机的发电效率，其次在制动或者下坡时能实现能量的智能回收。

2 传统汽车发电机的智能化控制系统原理

2.1 传统汽车发电机智能控制的工作模式

汽车电源的智能控制系统可以根据反馈环节信息分为五种工作状态。标准供电模式，是正常状态下的工作模式，输出电压稳定持续，为蓄电池充电，此时汽车发电机输出电压为标准电压。极限供电模式，当汽车蓄电池的电力不足时，在反馈系统信号的调解下，智能调高汽车发电机的输出电压，达到蓄电池快速充电的目的。欠压供电模式，是在汽车短时需要较大动力输出时，智能地降低汽车发电机的输出电压，降低发电机对发动机动力的需求。电能回收模式，当汽车在行驶中出现下坡路段或者制动状态时，通过提高汽车发电机的输入转速或者输出电压的方式，增强对能量的回收效率。断开模式，在汽车蓄电池饱和的状态下，汽车正常行驶中切断汽车发电机的能量输出（调节励磁电机的励磁输入为0），降低能量的损耗。

2.2 传统汽车发电机智能控制理论

利用现代测控技术建立车辆运行状态、电池蓄电量与汽车发电机之间的智能反馈系统，通过智能控制，实现不同模式之间的自动转换，达到汽车发电机最佳的发电能力，因此传统汽车发电机智能控制理论体系基于现代测控技术和励磁控制原理。

2.2.1 测控技术理论。传统汽车发电机智能控制测控技术的应用主要体现在蓄电池电量状态分区的检测和车辆的运行状态方面。根据蓄电池电量的多少可将其分为4个区间，分别为回收区SR、循环区SC、保留区SP以及亏电区SL。利用Impedance Track电量检查芯片对蓄电池的电量进行检测，并转化为电信号反馈给控制系统。车辆运行状态可分为静止、起步、加速、巡航、制动五个状态，测控系统通过检测汽车发动机的输出转速以及汽车车速，确定车辆运行的状态并生成反馈信号，调节汽车发动机的工作状态。

2.2.2 汽车发电机智能控制策略。汽车发电机的智能控制的基本策略就是根据测控系统检测蓄电池和汽车运行状态，运用反馈原理，实现对汽车发电机的准确控制。因此根据蓄电池的工作状态和汽车的运行状态可以建立控制策略的关系图表，见表1：

表1 汽车发电机智能控制关系

状态分区 静止 启动 加速 巡航 制动

充满 关闭 关闭 关闭 关闭 关闭

回收区 关闭 关闭 关闭 关闭 回收

循环区 关闭 关闭 关闭 标准 回收

保留区 关闭 关闭 标准 标准 回收

亏电区 关闭 关闭 快充 快充 回收

不确定 关闭 关闭 标准 标准 回收

3 传统汽车发电机智能化改造

在传统汽车发电机的智能控制上，添加励磁控制系统，将原有的电压调节器去除，用励磁智能控制系统对发电机的工作状态精确控制，并能实现工作状态的实时切换。研究改造中所用的励磁控制原理如图1所示：

图1 发电机的励磁控制原理图

传统汽车发电机的部分励磁线圈与智能化改造的发电机相同，在传统发电机智能化改造的过程中主要的改进点是励磁线圈的控制系统，包括反馈系统参数的收集与测量、电压输出控制模块。通过实验研究智能化改进的传统汽车发电机能适应不同模式下的工作要求，智能控制原理借鉴了美国通用公司的汽车发电机智能控制原理，只采用电子控制，机械传动中没有添加离合器装置，因此，汽车发电机在改造过程中不会干扰机械传动部分，对发动机转矩输出和传动装置没有影响。

4 实验研究结果

4.1 汽车发电机工作模式转换实验

发电机的工作模式转换实验在实验室中进行，实验仪器有四种状态的蓄电池、励磁电机、励磁控制模块、转速控制仪器，实现蓄电池不同转台下发电机的电压输出。如图2所示：

图2

4.2 汽车发电机稳压输出调节实验

在汽车发电机的输入转速不变的状态下，对汽车发电机设定不同的标准输出电压，探究励磁控制模块的控制精度。在试验中，汽车发电机的输出电压在10～16V之间时，励磁控制器能准确地控制汽车发电机的输出电压，超过这个范围电压的波纹幅值会显著增大，波动性超出额定范围0.05V，因此在汽车发电机额定输出电压的范围内能实现输出电压的准确控制。

4.3 汽车燃油消耗实验

汽车燃油消耗实验通过对比试验的方式进行，两辆相同的车型，一辆采用传统的汽车发电机，另一辆采用智能控制的发电机，同时在平坦的测试跑道上进行测试，测试的方法为：同时加速到60公里每小时，然后制动到20公里每小时，重复操作多次，利用计算机对车辆的顺时油耗进行记录，通过数据分析，传统汽车智能发电机能节约3.7%的能量，如图3、图4所示，分别为智能发电机车辆油耗和传统发电机车辆油耗。

图3 图4

5 结语

针对国内缺乏汽车电源核心控制技术的现状，本文着重研究了传统汽车发电机的智能控制与能量的回收，实现发电机输出电压的反馈调节，科学地控制发电机的能量输出，延长汽车蓄电池的使用寿命，降低汽车的能源消耗，通过实验证明智能汽车发电机能准确地控制电压输出，实现能量的有效回收，降低车辆燃油的消耗。

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（责任编辑：周 琼）