汽车发电机技术发展动向与展望

刘春梅，陈 琨

（湖南汽车工程职业学院，湖南 株洲 412001）

1 概述

随着汽车智能化和自动化的发展，搭载的电气设备以及电子系统越来越多，同时为了达到减少燃料消耗的目的，发动机附属机械系统比如：水泵、转向助力泵等都采用电动化，造成电力负荷进一步增大，因此需要发电机的功率越来越大。发电机功率提高造成驱动扭矩增大，附件电动化的优势就抵消了，因此不提高驱动扭矩而得到大功率就必须提高发电机的效率。另外，为了减轻整车质量，节省发动机舱内的空间，发电机的体积不能增大，同时发电机的发电噪音还不能超过标准。另一方面，混合动力的发展，汽车发电机还需要进行能量回收和具有起动机的功能。综上所述，现代汽车发电机应该具有功率大、体积小、效率高、噪声低、功能多的特点。

2 定子绕组的技术发展

2.1 采用新式绕线技术

以前的绕线工艺是将铜线一个一个插入定子铁芯中，各根铜线最后很难保持整齐的形状。新的绕线工艺先将改变线槽的形状，扩大铁心的插入口，整理成理想形状的线圈再插入线槽的工艺。采用这种技术线圈的排列在插入时没有遭到破坏，插入后线槽形状就是产品最终的形状，槽满率大大的提高，从而降低了内部电能的损失。新式绕线与传统绕线的比较见图1。

2.2 采用分段导线技术

图1 新式绕线与传统绕线的比较图

1999年日本电装公司推出SC交流发电机，SC是英文Segment Conductor，意思是分段导线。SC交流发电机的定子线圈使用矩形断面的导线，可以使线圈与铁心的线接触变成面接触，从而增大了线圈与铁心的接触面积，提高了散热效果，同时使用矩形断面的导线还增大了导线的横截面积，减小了导线的长度和电阻，从而减小了发电机的体积和质量，增大了发电机的输出功率。定子线圈在制作时先将导线做成U字型线圈，再将每套U字型线圈叠放整理后，插入铁心槽中，然后把各个U字型线圈的端部焊接起来。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。SC交流发电机线圈电阻和热损失减少50%，而且整齐排列的线圈可以消除电磁噪音，降低风噪，实现低噪音。图2为SC发电机制造工艺图，图3为SC交流发电机与传统发电机的比较图。

图2 SC发电机制造工艺图

图3 SC交流发电机与传统发电机的比较图

2.3 采用双定子绕组技术

为了提高交流发电机的功率，有些公司采用两套定子绕组来发电。这两套定子绕组都是星形连接法，并各自有相应的整流器。与传统型发电机相比，双定子绕组技术用铜量比单层绕组少10%，槽满率达到70%以上，质量减轻了很多，因此减小了定子绕组的电阻，降低了发电时的铜损，改善了散热性，使发电机输出功率提高了近50%，总体效率提高了10%，电磁噪声减少了10dB。图4为双定子绕组发电机内部电路图。

2.4 采用五相定子绕组技术

双定子绕组发电机的线圈线径和长度减少了，但槽数和极数增加了，发电机的体积也增大了，发电机的制造难度也加大了，因此体积不变的情况下增大发电机的功率，五相定子绕组发电机是最好的选择。五相交流发电机的转子采用爪极式磁路结构，定子槽采用梨形槽结构，五相绕组采用五角星连接方式，整流器采用五相桥式整流，输出的电压波形更平稳，输出电压的平均值更高。图5为博世250A五相交流发电机内部电路图。

3 整流器的技术发展

采用硅二极管作为整流器件，是因为硅二极管具有开关特性好、反向恢复时间短等优点，但其工作时正向压降较大，导通损耗功率大，而采用MOS-FET作为汽车发电机整流，由于MOS-FET具有导通电阻低，开关损耗低等优点，可以起到提高整流效率的作用。MOS-FET共有栅极、源极、漏极3个电极，在源极和漏极之间有一个半导体二极管，利用MOSFET的反向导电特性实现整流。当栅极驱动电压大于阈值电压时，MOS-FET管导通，此时电流方向为从源极S到漏极D。当栅极驱动电压低于阈值电压时，MOS-FET关断。通过MOS-FET管栅极驱动信号，可控制MOS-FET管的导通和关断，从而起到整流的作用。电装交流发电机MOSFET整流器内部电路图见图6。

4 调节器的技术发展

新型电子调节器也采用MOS-FET，基于MOS-FET模拟开关技术的调节器能够抗高频信号干扰，准确触发和关断整流器，能高速地响应端电压和电流信号，功率消耗低，易于集成，有利于调节器的微型化发展。

新型车辆采用能量管理系统，ECU根据蓄电池的传感器检测蓄电池的电压、电流和温度信号，计算出蓄电池电荷状态SOC值，通过LIN总线控制电子调节器的目标电压，维持负载供电和蓄电池充电的稳定功能。

图4 双定子绕组发电机内部电路图

图5 博世250A五相交流发电机内部电路图

5 皮带轮的技术发展

燃油直喷的运用和怠速转数的降低等原因造成发动机转数和扭矩变化增大，皮带的张力变化也随之增大，安装内置单向离合器皮带轮可以改善皮带的张力变动，提高皮带的寿命，防止打滑声音的发生。这种皮带轮的内侧与轴之间内置了楔块式单向离合器，改变楔块倾斜角度，楔块高度会发生变化。楔块逆时针方向转动时高度变低，皮带轮与轴分离；楔块顺时钟方向转动时高度增高，皮带轮与轴啮合，一起转动。内置单向离合器皮带轮剖开图见图7。

图6 电装交流发电机MOSFET整流器内部电路图

6 发电机技术展望

1）按需发电

发电机的驱动要消耗发动机的功率，为提高燃料经济性，应该根据蓄电池的电量和用电设备的功率来调节发电机的发电量，甚至停止发电。发电机始终在发电，蓄电池充满电后，电池电极上产生的水会电解而消耗电力，此时发电机应停止发电。为了在制动能量回收时蓄电池有一定的容量空间，需要对蓄电池电压进行监控，高于设定电压值时发电机应抑制发电量。另外，发电机负荷还要能够调节，在发动机制动减速时为高负荷，在加速和定速时为低负荷，可降低用于发电的燃油的消耗。

2）高电压发电机

在具有制动能量回收的汽车上，采用可变电压式发电机为锂离子蓄电池或电容器充电。因为制动能量回收是在车辆减速停车的过程中将汽车的机械能转换成电能，而此过程中电能转换功率越高，那么短时间内收集到的电能就越多。然后从电容经过变压及DC-DC转换模块，缓慢释放充入蓄电池或给电气设备供电，从而改善因供应电能不足而擅自起动发动机“充电”的情况。

3）发电机兼起动机

在48V轻混汽车上，皮带驱动的发电机还当作起动机使用，英文简称BSG（Belt Starter Generator皮带起动发电机），它由48V电池、BSG电机、DC／DC转换器组成，BSG发电机为混合励磁电机 （图8），是一种新型结构电机，励磁源既有励磁绕组又有永磁体。作为起动机时使用永磁体，作为发电机时通过励磁绕组对电机气隙磁场进行调节。适用于高起动转矩和宽转速范围高效恒压发电要求。

图7 内置单向离合器皮带轮剖开图

图8 BSG发电机的组成