汽車發電系統的發展與設計思路的演變

周泉

汽車交流發電機將從發動機處獲得的動力變換成電能，供給蓄電池充電與電負荷用能量，因此，提高發電效率，降低發動機的驅動力矩，就可以減少燃油的消耗。在市場激烈競爭與環保法規逐年加嚴的形勢下，近些年來，出于節能的想法，交流發電機以及汽車附件開展電動化，發電機的輸出電流進一步增加，如何提高發電機的效率也出現了一些難點。

1 提高交流發電機的效率

1.1 定子繞組采用扁銅線

提高交流發電機效率的一項上策是降低定子繞組的電阻，由此減少銅損。傳統交流發電機采用的是將多根圓漆包線一次嵌入到電樞槽的工藝，因而無法提高槽內漆包線的槽滿率。與此相比，將扁銅線整齊嵌入到電樞槽中可使槽滿率獲得飛躍地提高，而且降低了定子繞組的電阻。如圖1所示。

1.2 采用卷圓式定子鐵心總成

影響汽車交流發電機效率的最大因素是定子繞組總成的銅損。以S公司為例，老產品6G系列發電機的銅損約占總損耗的67%。要想降低定子繞組總成的銅損，最有效的方法是盡可能有效利用定子繞組的占地，即增大繞組的截面積。也就是說，最有效的方法是提高定子繞組總成的槽滿率 （∑銅線截面積／定子繞組的占地）。以上面提到的6G系列發電機為例，只對嵌入定子槽內的銅線部分加以整形，就開發出了槽滿率得到提高的8G系列發電機。但是，在生產過程中，需要從軸向將繞組嵌入到鐵心中，所以、槽滿率的提高是有一定限度的。如圖2所示。

為此，融合了8G系列發電機采用的整形技術與所開發的卷圓式定子繞組制造技術，又開發出了9 G系列發電機。生產這種定子繞組總成時，與以前首先制造成環狀定子鐵心不同的是：先制成條狀的定子鐵心，再將另外制造的條狀繞組整形后，從鐵心槽的開口方向嵌入到鐵心中，如圖2所示。采用這種工藝，大大地提高了定子繞組的槽滿率，如圖3所示，同時，由于降低了線圈的端部高度，成功地降低了定子繞組的內阻。

1.3 運用熱流體技術解析交流發電機

近幾年來，由于采用再生制動技術，進一步要求交流發電機增大輸出，伴隨而來的是提高交流發電機的散熱能力。而另一方面，因發動機減小體積，其噪聲降低，過去被發動機聲音遮蓋的交流發電機噪聲變得明顯起來。因此，與傳統的汽車交流發電機相比，對其提出了較高的降低噪聲要求。

為了滿足這種社會需求，生產廠家開發出了新的GX系列發電機。這種發電機采用了軸流式冷卻結構，將冷卻空氣的進風口、風扇的進風口布置成一條直線，減少冷卻氣流的流動阻力，使冷卻空氣的風量約提高了10%。同時，利用擴大散熱面積開發出較高傳導特性的散熱片，使發電機具有了較高的冷卻性能。此外，利用流體模擬法開發了噪聲源特定技術，通過排除噪聲源及采取措施，使風扇噪聲下降了2dB。GX系列交流發電機的外觀如圖4所示。

1.4 其他措施

關于定子鐵心材料，選用了板厚減薄的材料，從加工性能與電磁特性2個方面選用含Si量合適的冷軋板，以減少鐵損。

要想節約燃油，比較有效的手段是輕量化與減少占地，對汽車交流發電機來說，就是不增大體積的前提下，增加發電機的輸出功率。交流發電機的輸出功率受到限制的主要原因是發電時的發熱引起部件的溫度升高，因此，降低發熱量與提高散熱能力是提高輸出功率的有效途徑。

1）在汽車交流發電機上，發熱最厲害的是定子繞組。內扇式發電機上的冷卻風扇設置在爪極的兩側，恰恰與定子繞組相對，即便如此，因線圈端部的重疊形成了通風的阻力，對降溫形成了阻礙，對此，在改用了無重疊的嵌線方式之后，線圈端部呈網狀，確保了端部線圈之間的氣隙，由此可以降低定子繞組的發熱并改善通風性能，如圖5所示。此外，隨著定子繞組電阻的減少，其自身的發熱也大幅度地下降，即提高了散熱性能。

2）改進整流器散熱片的結構，提高冷卻性能。如圖6所示。

2 交流發電機的驅動系統

2.1 交流發電機的驅動皮帶

汽車零部件 （例如空調、交流發電機等）的輸出功率在增大，而另一方面為了節省燃油，則迫切地希望提高動力傳動系統的效率，要求車輛的小型化與輕量化，并確保安全即實現緊湊化。為了適應用戶的這些需求，廠家開發出了可以減少皮帶寬度（皮帶齒數）、可承受較高負荷的汽車零部件用驅動皮帶，如圖7所示。由于這種驅動皮帶采用了高強度橡膠與高強度芯線，單位皮帶寬度 （皮帶每齒）的傳動能力約提高30%。與舊型皮帶具有同等的壽命，但寬度僅為其2／3。概括來看，新型皮帶具有下列特點。

1）可以實現皮帶驅動系統的緊湊化。以往需要7齒皮帶驅動的改用新型皮帶后，僅用5齒就可以了，減少了約7mm的占地。

2）實現了皮帶驅動系統的輕量化。每輛汽車約可以減輕500～1200g。

2.2 交流發電機的皮帶輪

對比較省油的柴油機來說，因為壓縮比很高，發動機的轉矩變動比較大，在這種柴油機用的交流發電機上裝用內裝離合器的皮帶輪，可以降低皮帶張力的變化，提高皮帶的壽命，防止皮帶打滑的噪聲。

對汽油機來說，為了降低油耗，采用直噴化、降低怠速轉速等措施，皮帶張力的變化趨于嚴重，這可通過內裝離合器的皮帶輪得到改善。內裝離合器的皮帶輪結構如圖8所示。

3 發電系統設計思路的演變

3.1 傳統思路

國內出版的很多汽車電氣類書籍在介紹到蓄電池與發電機的功能時，大多的內容為：①起動發動機時，由蓄電池對起動系統和點火系統供電；②發動機低速運轉、發電機電壓低于蓄電池電壓時，由蓄電池對用電設備供電；③發動機中高速運轉、發電機電壓高于蓄電池電壓時，由蓄電池將發電機的剩余電能儲存起來；④當發電機過載時，蓄電池協助發電機供電；⑤蓄電池可以吸收瞬時過電壓。直至40多年以前，這樣的論述還是有說服力的。

3.2 1980年代起的思路

但從20世紀60年代起，新型發電機即交流發電機的出現，情況則發生了變化。由于交流發電機逐步取代了直流發電機，20世紀80年代起，汽車生產大廠對部件廠家提出了新的要求，德國的博世公司提出了實現汽車電系的最佳配合，日本的汽車電氣廠家紛紛提出要開發小型、高輸出功率的發電機，兩者之間只是說法不同，但可以歸納出一些共同點。

1）對汽車來說，竭力采用容量較小的蓄電池。目標是只要滿足起動發動機時，對起動系統和點火系統供電即可。

2）采用輸出功率足夠的交流發電機，車輛一旦起動之后，車輛的所有供電完全由交流發電機承擔。

3.3 21世紀初的思路

進入21世紀以來，車輛發電系統的設計思路又發生了較大的變化。在國外汽車樣本的技術規格中，可以看到這樣的欄目說明：在降低油耗的措施一欄注明為 “充電控制”。從2014年起，這類車型逐漸增多。

3.3.1 充電控制的含義

從整個汽車行業來看，對充電控制這一項目已進行了多年的研究，有的稱為充電控制，也有的稱為充放電控制，但并沒有大的差別。充電控制系統可以說是廣義的能量再生系統，通過對交流發電機輸出電壓的控制，實現節省燃油，而且不必要增加硬件，不作設計更改。

沒有裝用充電控制系統的車輛上，只要在發動機運轉的期間，交流發電機就毫不休止地發電、充電。根據這種充電方式的工作原理，即便蓄電池已經達到滿充電，仍然對其充電。而且，多余的電力沒有儲存到蓄電池中，無處可去的電能被浪費了。松下公司用動畫來宣傳充電控制的優點，談到這一點時，就用硬給幼兒喂食物作為形象的比喻，如圖9所示。

交流發電機毫不間歇地運轉、發電，意味著一直有較大的負荷加在發動機上。這一較大的負荷一直加在發動機上，造成發動機無法發揮出本來的功能，增加了油耗，出于這種思路而形成了充電控制系統。設蓄電池滿充電時的充電量為100%，那么在蓄電池充到大約60%～80%之間的一定量時，ECU就對交流發電機發出停止發電的指示。

從停止發電時起，蓄電池從充電轉換為放電，因為還沒有達到滿充電，所以沒有剩余的電量。進而，停止發電就意味著：減輕了加在發動機上的負荷，在節省燃油的狀態下行駛，即降低了油耗。

蓄電池的充電量低于60%的話，與上述情況相反，ECU對交流發電機發出發電的指示，重新對蓄電池充電，如圖10所示。

采用如上所述的重復充、放電的工作方式，從而節省燃油的系統，稱為充電控制系統。

3.3.2 充電控制車輛采用的蓄電池

通過采用充電控制系統控制對蓄電池的充電，可以實現節油狀態行駛，但加在蓄電池上的負擔卻增大了。新型汽車上裝用了較多的ECU類耗電部件，更加加重了蓄電池的負擔，再加上充電控制系統重復于ON／OFF方式的充電，所以就變成了通用蓄電池無法承受的狀況。

苛刻的狀況將降低蓄電池的性能，縮短其壽命，也有可能影響周圍的部件并增加它們的負荷。因此，對充電控制車輛，應采用短時間內充電效率高且可以充電的高標準蓄電池。當然，充電控制車輛用蓄電池的價格要比通用蓄電池的高。正因如此，如果在充電控制車輛上隨便裝用了其他蓄電池，車輛本來具有的性能就不能發揮出來。

3.3.3 充電控制系統的工作原理

作為一項降低汽車油耗的技術，充電控制系統引起了各相關部門的重視。簡單來說，充電控制系統就是控制交流發電機的轉速，由此減輕加在發動機上的負荷。其工作原理為：在車輛加速時，充電控制系統降低交流發電機的發電電壓；反之，在車輛減速時，充電控制系統提高交流發電機的發電電壓。而在怠速 （感到充電不足）時以及以一定速度行車 （有可能過充電）時，則向交流發電機指示適當的發電電壓，對發電電壓加以調整。由此，降低為交流發電機發電用的發動機的負荷，節省燃油。其工作原理如圖11所示。

從圖11中可以看到，充電控制系統設有電流傳感器，電流傳感器的作用是檢測蓄電池的充放電電流，將所得結果傳遞到發動機ECU。根據這些數據，ECU把握蓄電池當前的剩余容量，再加以充電。

另一個為溫度傳感器，液溫的過低或過高都會促進蓄電池的老化，或者導致蓄電池過充電。此外，蓄電池的充電接受性也會發生變化，所以，檢測蓄電池液溫，將所得結果傳遞到發動機ECU，由此考慮液溫后實施充放電控制。

從上面的說明中可以看出：日常維修中，要知道辨別裝有充電控制系統的車輛，僅從外觀上很難區別是否為充電控制車輛。這里介紹兩點：一是裝有充電控制系統的車輛上，一般都貼有尾氣低排放或油耗符合XX標準車的標志；二是觀察蓄電池端子的附近是否裝有傳感器，裝有傳感器的車輛一般為充電控制車輛。圖12為裝有電流傳感器的例子。

4 關于汽車交流發電機的充放電控制

所謂發電就是將某種能量轉換成電能。汽車上通常是利用消耗燃油后得到的旋轉能量，使交流發電機旋轉進行發電。目前已經形成了將車輛具有的動能轉換成電能的再生發電技術，為了更有效地進行這種再生發電，則開始運用交流發電機的充放電控制。

由再生發電所獲得的電力，是把本來已經放棄的熱能經回收后得來的。如果能夠更多地儲存這樣獲得的電力，就可以通過抑制燃油發電而節省了燃油的消耗。為了有效地進行這種再生充電與休止發電，就要求交流發電機應具有下述功能。

4.1 可在寬范圍上控制發電電壓

要想更多地利用再生所獲得的電力，就需要將這些電力有效地儲存起來。比較有效的方法是提高再生發電狀態時刻交流發電機的發電電壓，由此可以增大向蓄電池充電的電流，結果可以增加所儲存的電力。反之，在發電電壓低于蓄電池電壓的場合下，交流發電機實質上處于休止狀態，不消耗發電所需要的燃油。

但另一方面，為了增加充電電流而提高充電電壓的話，整個車輛的電源電壓就會升高，這就需要考慮燈具的亮度及電機類的轉速等工作狀態的變化對設備帶來的影響。此外，還要考慮到相關法規對燈具所加電壓的規定。充電電流的增加實際上就是交流發電機的驅動轉矩發生變化，因此需要控制電壓，以保證再生發電時的減速沒有顯著變化以及沒有超過必要的減速。

4.2 電壓的無級控制

以前就用過對發電電壓分檔的方法，與提高發電效率及拓寬控制電壓的范圍相應，電壓的無級控制效果變得更加顯著。隨著前述利用電壓的變化來抑制動作的變化量成為現實，將可以利用控制充電電流的方法來抑制無用途的發電。

4.3 大容量與高效率

如上所述，隨著汽車消耗電力的增加，交流發電機的輸出功率將會進一步增加。尤其是近年來，怠速起停技術應用范圍的擴大，充、放電控制應用范圍的擴大，蓄電池的充放電電流將大幅度地提高，對交流發電機增大輸出功率的要求會更加迫切。

［1］周泉.采用扁銅線定子繞組的交流發電機［J］.汽車電器，2003（2）：60-62.

［2］周泉.交流發電機鐵心的新材料［J］.汽車電器，2003（4）：59-60.

［3］周泉.塑料皮帶輪與帶單向器的皮帶輪［J］.汽車電器，2003（5）：58-61.