汽车充电系统的发展历程、现状及未来趋势

张培杰

摘 要：传统汽车上普遍具有两个电源，一个是蓄电池，另一个是发电机。蓄电池的主要作用是汽车起动时，向起动机、点火系统、电控单元等供电;或者在发电机不发电、发动机不工作时供电。而发电机基本承担着汽车行驶过程中所有用电设备的供电，同时对蓄电池充电，始终保持蓄电池的电量处于富足的状态，以便下一次起动用。蓄电池和发电机共同组成为汽车充电系统，为汽车的所有工作状态提供了可靠的电源保证。随着时代的发展，充电系统的组成和工作原理方案，从早期的机械触点式电压调节发展到了现代的智能电源管理系统。本文将从汽车充电系的组成及原理角度简要阐述其发展历程和现状，并总结其未来发展趋势。

关键词：充电系统 负荷 原理

1 汽车充电系统的组成及原理

汽车充电系一般由发电机、蓄电池、点火开关、充电指示灯等。发电机在发动机起动后开始发电，并向汽车电气、电控系统供电，同时给蓄电池进行充电。

发电机由转子、定子、整流器、电压调节器等组成。定子发出的三相交流经过整流器整流后变成脉动的直流电，因为该电压会随着发电机的转速变化而变化，因此发电机当中的电压调节器通过控制转子励磁绕组的通断实现了对于电压的稳定调节，使其始终保持在14V左右，对车载电气系统进行供电。

从发展历程来看，发电机的转子、定子、整流器这三大组成部分基本没变。但是电调节器随着时代的发展不断地进行演变，其类型以及在整个充电系统中的控制方式决定着充电系统方案的差异。

现代汽车充电系统中，更是引入了负荷管理和智能充电，整个充电系的组成又进一步扩大到车身控制单元、发动机控制单元等。其对于汽车充电系统的功能相对于传统的有了进一步的突破。

2 充电系统的分类

依照充电系统的功能及组成，将其分为以下三类：

2.1 纯电压调节型充电系统

该类型的充电系统也最传统的充电系统，由发电机、蓄电池、点火开关、充电指示灯组成。在该系统当中，扮演关键角色的电压调节器。

该系统原理方案图如图1：

当发电机转速上升时，电压调节器检测到发电电压超过预定值，通过控制转子线圈电路的平均闭合时间减少（即达到减小发电机平均励磁电流目的，以减小磁通量）使得发电机的输出电压保不变。当发电机的转速降低时，电压调节器检测到发电电压低于预定值，通过控制转子线圈电路的平均闭合时间增加（即达到增大发电机平均励磁电流目的，以增加磁通量）使得发电机的输出电压保不变。

电压调节器最早采用触点式电压调节器，因其触点振动频率慢、机械惯性和电磁惯性大、电磁干扰大、可靠性差、寿命短、早已淘汰。取而代之的是晶体管式的电压调节器。随着集成电路技术的发展，晶体管式的电压调节器被集成式的取代。集成电路调节器除具有晶体管调节器的优点外，还超小型，可安装于发电机的内部，减少了外接线，并且冷却效果得到了改善。

本质上来讲，带有这三种电压调节器的充电系统其实可以算是一个类型。因其功能只是简单的讲发电机发电电压限制值规定之内，只是电路原理方法不一样而已。对于外部电气负载变化时无法起到积极主动的调节作用，见图2。

从发电机的外特性和空载特性可以知道：发动机处于怠速的时候，其输出电压一定，若电气负荷变大，会导致发电机的端电压下降。若负载过大，最终会造成发电机供电不稳。若想有效解决这个问题，从发电机的空载特性入手，可以采用提高发电机转速，以此可提高供电电流。

因此对于这一类的充电系统，显然无法解决这个让发动机转速随着电气负荷进行调节的功能。

2.2 负荷反馈型充电系统

为解决前一种类型充电系统出现的问题，带负荷反馈的充电系统应运而生。该类型的充电系统的组成中多了发动机控制单元，其原理图如下图3：

该系统方案保留了原有的结构类型，在调节器这个零部件上做更改。该类型的调节器带有负荷反馈功能，将发电机的负荷情况发送给发动机控制单元，发动机一旦判断电气负荷在目前转速下过大，就会发出指令提高发动机的转速，已达到提高发电量的目的。

典型的系统有比如丰田车系的充电系，如下图。早期丰田车系发电机的电压调节器为三线制，分别为S、IG、L。S接蓄电池，作为检测蓄电池电压用;IG接点火开关，为电压调节器提供工作电压;L充电指示灯。后来丰田车系上发电机电压调节器多了M端子，连接至发动机ECU（或空调放大器），主要进行负荷反馈。同类型系统方案在同时期三菱、本田、通用等品牌亦有使用。

2.3 智能型充电系统

伴随着电控技术的、车载网络技术的发展以及日益严格的法规对于汽车性能的要求，充电系统逐渐发展成智能型。该系统类似于新能源汽车上动力电池管理系统，既能进行负荷管理，又能对蓄电池进行监控和充电控制，充分协调系统的均衡性，延长蓄电池的使用寿命，提高整车电气系统的稳定性。该类型充电系统的故障指示也不再类似于前两者依赖于电压调节器控制充电指示灯来指示充电状态。其在系统组成结构上加入蓄电池传感器及电源管理系统，当电源管理系统根据电机、蓄电池工作状况以及负荷情况等综合分析判断系统出现问题则储存相应故障码，并通过通讯网络报告仪表使其点亮充电指示灯。典型的系统有大众的负荷管理充电系统、福特的智能再生充电系统（奔驰、宝马、丰田、本田、日产的与福特类似）。

2.3.1 大众车系的负荷管理充电系统

大众车系的充电系统原理图如下图5：

该充电系统中，控制单元根据动机转速、电瓶电压、发电机的DFM信号来进行综合控制。DFM针脚，为发电机负载报告接口，以脉宽调制的方式（占空比），向发动机管理系统报告自己当前转速下的负荷。ECU会通过负荷数据来调整发动机扭矩和转速。如发电机报告負荷接近100%，则ECU会提高转速，以提升发电量，降低发电机相对负荷值。L针脚为发电机充电指示灯控制端，该信号输入到车载网络单元J519，然后J519以总线的通讯形式输送到仪表控制单元，从而控制充电指示灯的亮灭。

负荷能量管理的任务是在保证安全的前提下，适当的关闭舒适功能的用电设备，以确保蓄电池有足够的电能使发动机顺利起动和正常运转。

2.3.2 福特车系的智能充电系统

智能电池充电结合智能电池管理系统，能够监控电池的状态，提高电池的利用率，防止电池出现过充电和过放电，延长电池的使用寿命。同时，对于燃油经济性和排放特性，也有一定的改善作用。

福特车系的充电系统原理图如下：

智能再生充电系统的最大元件存储在BCM模块内。它通过LIN数据总线接收蓄电池检测传感器发出的所有重要的蓄电池工况信息（蓄电池电压、电流、温度）并计算发电机充电电压的要求设定值。然后通过HS-BCM数据总线由CAN将设定值送给PCM。如果有必要则调整接受值，将其通过LIN数据总线传送至发电机。

PCM同时控制并监控发电机输出。当电流补偿高或蓄电池放电时，PCM需要根据需要提高发动机速度，从而增加发电机输出。在发动机启动过程中，PCM关闭发电机，以降低发电机载荷并提高启动速递。一旦发动机起动，PCM缓慢将发电机输出提高到预期电压值。蓄电池低温时以高压充电和温度高时以低压充电可以保证蓄电池充电更高效。

配备BMS（蓄电池管理系统）除了管理发电机给蓄电池充电并监控蓄电池充电状态，还可以使用甩负荷测量帮助控制蓄电池放电，并在可能的情况下防止蓄电池充电状态过低。

3 汽车充电系统的未来发展趋势

目前汽车充电系统已经很好地和车载网络控制系统联合在一起，实现了更加智能化的控制。提高汽车电源系统性能的同时，更大化地延长了零部件的使用寿命，相對于传统的充电系统有了很大的提升。未来的充电系统当中，电控上必将是在现有的基础上进行进一步的完善和改进，旨在提高系统的稳定性和耐用性。

新能源汽车上充电、管理系统系统的先进技术同样可以应用到传统燃油车充电系统上，使其更加完善;发动机减速、汽车滑行、汽车制动等工况下的能量回收系统，同样可以与充电系统进行结合，进一步提升汽车性能，节能减排;无线充电技术在各领域的广泛应用未来在汽车上的应用未尝不可。

除了系统上的发展，在设计布置上、零部上同样也可以进步一的优化。如发电机中引入电磁离合器的控制以减少高转速下的NVH（福特已使用）;新型电池的投入使用以提高系统的耐用性（如大容量锂电池）;电池中内置BMS模块以减少系统复杂程度（比亚迪新能源电压电池中已使用）;ISG电机的投入使用以便于更紧凑的结构布置建设能耗和更好地能量回收（微混系统）。

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