傳統汽車發電機的智能化控制及改造研究

潘惠豐　邱洪亮

摘要：文章通過對傳統汽車發電機工作控制存在問題的分析，擬合多種汽車發電機智能控制改造方案，制定了多種傳統汽車發電機的工作模式，結合測控電路和蓄電池技術設計了新型的智能反饋控制系統，通過檢測汽車蓄電池的電量，智能調節發電機的出入轉速，進而控制輸出電壓。在實際的模擬試驗中取得了良好的實驗成果，節能效果明顯。

關鍵詞：傳統汽車；發電機；智能化控制；測控電路；蓄電池技術 文獻標識碼：A

中圖分類號：TP27 文章編號：1009-2374（2016）01-0033-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.01.017

現階段傳統汽車的發電機的智能化控制是汽車節能研究領域的一部分，如何實現汽車發電機輸入轉速的控制以及輸出電壓的變壓輸出，是傳統汽車智能化控制以及改造研究的重點，也是當前汽車電子和電源供給系統發展的趨勢。當前，傳統汽車發電機的智能控制技術不夠完善，主要受到汽車發電機性質和機械結構的限制。傳統汽車發電機多數應用經濟耐用的勵磁式發電機，受到制造成本的限制，在很多車型沒用應用智能反饋控制系統，發動機與發電機直接嚙合，無法實現智能分離，因此在汽車發動機發動之后，汽車發電機一直處于運動狀態。其輸出電壓由電壓調節器調控，由于沒有智能反饋系統，電壓調節控制器輸出電壓一般為定值電壓，只能實現穩壓的功能。當汽車蓄電池飽和時，不能有效地對發電機輸出電壓進行控制，因此傳統汽車發電機的智能化控制系統研究的目的就是實現發電機的智能啟停，保證汽車蓄電池在飽和狀態時，能智能斷開汽車發電機的能量輸入，防止汽車蓄電池出現電能過充，對能量造成浪費。

國內外很多汽車研究大多都致力于傳統汽車發電機的智能化控制，其研究的發電機智能控制系統的控制理論基本相同，利用上位控制器控制汽車發電機的輸出電壓，通過LIN總線實現測控系統信息的傳遞。另外，寶馬公司研制的傳統汽車發電機智能控制的機械傳動中添加了離合器，在汽車蓄電池飽和或者不需要供電的轉態下，離合器實現自動斷開，切斷汽車發電機的能量輸入。通用汽車公司與豐田汽車公司研制的汽車發電機控制系統的理論體系相似，是汽車電源管理系統的一部分，首先勵磁發電機輸出電壓可以通過改變磁場的空占比實現變壓，像豐田推出的雷克薩斯LS430轎車，通過對汽車發電機空占比的頻率調節在0～150Hz之間浮動，實現了發電機輸出電流在0～12A之間的調節，進而控制輸出電壓。傳統汽車發電機智能控制系統的改造和應用具有很多局限性，首先是智能控制系統的結構組成需要對傳統汽車進行結構改裝，改變汽車核心的控制單元，生產成本過高，因此不能在經濟車型上廣泛應用。我國汽車工業起步較晚，因此在汽車電源管理方面的研究不夠深入，核心技術都由國外企業掌握。

1 智能化控制實現的功能

1.1 穩定電壓

汽車電子元器件對電壓的浮動較為敏感，因此汽車電源供電系統要實現電壓的穩定，避免過大的電壓浮動超過電子元器件的擊穿電壓（一般不超過最小電器元件擊穿電壓），損壞電器元件，同樣電壓過高或者過低車用電器都不能正常工作。

1.2 調節輸出電壓

傳統的汽車發電機不能根據汽車對電能的要求實時的調節，對能源的消耗較大，不能實現能量的最大利用。因此智能化控制要實現的基本功能是智能調節發電機的輸出電壓，建立實時有效的智能反饋系統，通過對車用電器的用電量以及蓄電池飽和度的檢查，實時反饋給控制系統，控制汽車發電機電壓的智能調節。在汽車蓄電池虧電時，智能調高汽車發電機的輸出電壓，實現蓄電池的快速充電，同理在汽車蓄電池飽和時，智能降低汽車發電機的輸出電壓，降低能量的消耗，同時防止蓄電池過充。

1.3 提高能量的利用率

我國大力提倡使用綠色能源，也是全球汽車發展的趨勢，要求汽車要節約能源，提高能量的利用率。因此傳動汽車發電機的智能化控制能實現提高汽車能量利用的目的，首先是提高了發電機的發電效率，其次在制動或者下坡時能實現能量的智能回收。

2 傳統汽車發電機的智能化控制系統原理

2.1 傳統汽車發電機智能控制的工作模式

汽車電源的智能控制系統可以根據反饋環節信息分為五種工作狀態。標準供電模式，是正常狀態下的工作模式，輸出電壓穩定持續，為蓄電池充電，此時汽車發電機輸出電壓為標準電壓。極限供電模式，當汽車蓄電池的電力不足時，在反饋系統信號的調解下，智能調高汽車發電機的輸出電壓，達到蓄電池快速充電的目的。欠壓供電模式，是在汽車短時需要較大動力輸出時，智能地降低汽車發電機的輸出電壓，降低發電機對發動機動力的需求。電能回收模式，當汽車在行駛中出現下坡路段或者制動狀態時，通過提高汽車發電機的輸入轉速或者輸出電壓的方式，增強對能量的回收效率。斷開模式，在汽車蓄電池飽和的狀態下，汽車正常行駛中切斷汽車發電機的能量輸出（調節勵磁電機的勵磁輸入為0），降低能量的損耗。

2.2 傳統汽車發電機智能控制理論

利用現代測控技術建立車輛運行狀態、電池蓄電量與汽車發電機之間的智能反饋系統，通過智能控制，實現不同模式之間的自動轉換，達到汽車發電機最佳的發電能力，因此傳統汽車發電機智能控制理論體系基于現代測控技術和勵磁控制原理。

2.2.1 測控技術理論。傳統汽車發電機智能控制測控技術的應用主要體現在蓄電池電量狀態分區的檢測和車輛的運行狀態方面。根據蓄電池電量的多少可將其分為4個區間，分別為回收區SR、循環區SC、保留區SP以及虧電區SL。利用Impedance Track電量檢查芯片對蓄電池的電量進行檢測，并轉化為電信號反饋給控制系統。車輛運行狀態可分為靜止、起步、加速、巡航、制動五個狀態，測控系統通過檢測汽車發動機的輸出轉速以及汽車車速，確定車輛運行的狀態并生成反饋信號，調節汽車發動機的工作狀態。

2.2.2 汽車發電機智能控制策略。汽車發電機的智能控制的基本策略就是根據測控系統檢測蓄電池和汽車運行狀態，運用反饋原理，實現對汽車發電機的準確控制。因此根據蓄電池的工作狀態和汽車的運行狀態可以建立控制策略的關系圖表，見表1：

表1 汽車發電機智能控制關系

狀態分區 靜止 啟動 加速 巡航 制動

充滿 關閉 關閉 關閉 關閉 關閉

回收區 關閉 關閉 關閉 關閉 回收

循環區 關閉 關閉 關閉 標準 回收

保留區 關閉 關閉 標準 標準 回收

虧電區 關閉 關閉 快充 快充 回收

不確定 關閉 關閉 標準 標準 回收

3 傳統汽車發電機智能化改造

在傳統汽車發電機的智能控制上，添加勵磁控制系統，將原有的電壓調節器去除，用勵磁智能控制系統對發電機的工作狀態精確控制，并能實現工作狀態的實時切換。研究改造中所用的勵磁控制原理如圖1所示：

圖1 發電機的勵磁控制原理圖

傳統汽車發電機的部分勵磁線圈與智能化改造的發電機相同，在傳統發電機智能化改造的過程中主要的改進點是勵磁線圈的控制系統，包括反饋系統參數的收集與測量、電壓輸出控制模塊。通過實驗研究智能化改進的傳統汽車發電機能適應不同模式下的工作要求，智能控制原理借鑒了美國通用公司的汽車發電機智能控制原理，只采用電子控制，機械傳動中沒有添加離合器裝置，因此，汽車發電機在改造過程中不會干擾機械傳動部分，對發動機轉矩輸出和傳動裝置沒有影響。

4 實驗研究結果

4.1 汽車發電機工作模式轉換實驗

發電機的工作模式轉換實驗在實驗室中進行，實驗儀器有四種狀態的蓄電池、勵磁電機、勵磁控制模塊、轉速控制儀器，實現蓄電池不同轉臺下發電機的電壓輸出。如圖2所示：

圖2

4.2 汽車發電機穩壓輸出調節實驗

在汽車發電機的輸入轉速不變的狀態下，對汽車發電機設定不同的標準輸出電壓，探究勵磁控制模塊的控制精度。在試驗中，汽車發電機的輸出電壓在10～16V之間時，勵磁控制器能準確地控制汽車發電機的輸出電壓，超過這個范圍電壓的波紋幅值會顯著增大，波動性超出額定范圍0.05V，因此在汽車發電機額定輸出電壓的范圍內能實現輸出電壓的準確控制。

4.3 汽車燃油消耗實驗

汽車燃油消耗實驗通過對比試驗的方式進行，兩輛相同的車型，一輛采用傳統的汽車發電機，另一輛采用智能控制的發電機，同時在平坦的測試跑道上進行測試，測試的方法為：同時加速到60公里每小時，然后制動到20公里每小時，重復操作多次，利用計算機對車輛的順時油耗進行記錄，通過數據分析，傳統汽車智能發電機能節約3.7%的能量，如圖3、圖4所示，分別為智能發電機車輛油耗和傳統發電機車輛油耗。

圖3 圖4

5 結語

針對國內缺乏汽車電源核心控制技術的現狀，本文著重研究了傳統汽車發電機的智能控制與能量的回收，實現發電機輸出電壓的反饋調節，科學地控制發電機的能量輸出，延長汽車蓄電池的使用壽命，降低汽車的能源消耗，通過實驗證明智能汽車發電機能準確地控制電壓輸出，實現能量的有效回收，降低車輛燃油的消耗。

參考文獻

[1] 姚亮，初亮，周飛鯤，等.純電動轎車制動能量回收節能潛力仿真分析[J].吉林大學學報（工學版），2013，（1）.

[2] 姜衛.汽車交流發電機輸出電壓值對油耗及動力影響分析[J].武漢工程職業技術學院學報，2012，（1）.

[3] 汪學森，汪學慧.電源管理系統及故障診斷[J].汽車維護與修理，2008，（5）.

[4] 麻友良，陳全世，齊占寧.電動汽車用電池SOC定義與檢測方法[J].清華大學學報（自然科學版），2001，（11）.

[5] 譚夢，喻皓，洪兢.新能源汽車發電機溫升問題改進[J].機電工程技術，2013，（6）.

（責任編輯：周 瓊）