汽車發(fā)電機技術發(fā)展動向與展望

劉春梅，陳 琨

（湖南汽車工程職業(yè)學院，湖南 株洲 412001）

1 概述

隨著汽車智能化和自動化的發(fā)展，搭載的電氣設備以及電子系統(tǒng)越來越多，同時為了達到減少燃料消耗的目的，發(fā)動機附屬機械系統(tǒng)比如：水泵、轉向助力泵等都采用電動化，造成電力負荷進一步增大，因此需要發(fā)電機的功率越來越大。發(fā)電機功率提高造成驅動扭矩增大，附件電動化的優(yōu)勢就抵消了，因此不提高驅動扭矩而得到大功率就必須提高發(fā)電機的效率。另外，為了減輕整車質量，節(jié)省發(fā)動機艙內的空間，發(fā)電機的體積不能增大，同時發(fā)電機的發(fā)電噪音還不能超過標準。另一方面，混合動力的發(fā)展，汽車發(fā)電機還需要進行能量回收和具有起動機的功能。綜上所述，現(xiàn)代汽車發(fā)電機應該具有功率大、體積小、效率高、噪聲低、功能多的特點。

2 定子繞組的技術發(fā)展

2.1 采用新式繞線技術

以前的繞線工藝是將銅線一個一個插入定子鐵芯中，各根銅線最后很難保持整齊的形狀。新的繞線工藝先將改變線槽的形狀，擴大鐵心的插入口，整理成理想形狀的線圈再插入線槽的工藝。采用這種技術線圈的排列在插入時沒有遭到破壞，插入后線槽形狀就是產(chǎn)品最終的形狀，槽滿率大大的提高，從而降低了內部電能的損失。新式繞線與傳統(tǒng)繞線的比較見圖1。

2.2 采用分段導線技術

圖1 新式繞線與傳統(tǒng)繞線的比較圖

1999年日本電裝公司推出SC交流發(fā)電機，SC是英文Segment Conductor，意思是分段導線。SC交流發(fā)電機的定子線圈使用矩形斷面的導線，可以使線圈與鐵心的線接觸變成面接觸，從而增大了線圈與鐵心的接觸面積，提高了散熱效果，同時使用矩形斷面的導線還增大了導線的橫截面積，減小了導線的長度和電阻，從而減小了發(fā)電機的體積和質量，增大了發(fā)電機的輸出功率。定子線圈在制作時先將導線做成U字型線圈，再將每套U字型線圈疊放整理后，插入鐵心槽中，然后把各個U字型線圈的端部焊接起來。由于采用了無重疊嵌線方式，線圈端部呈網(wǎng)狀，因此，改善了定子繞組的通風性能，降低了發(fā)電機的發(fā)熱量。SC交流發(fā)電機線圈電阻和熱損失減少50%，而且整齊排列的線圈可以消除電磁噪音，降低風噪，實現(xiàn)低噪音。圖2為SC發(fā)電機制造工藝圖，圖3為SC交流發(fā)電機與傳統(tǒng)發(fā)電機的比較圖。

圖2 SC發(fā)電機制造工藝圖

圖3 SC交流發(fā)電機與傳統(tǒng)發(fā)電機的比較圖

2.3 采用雙定子繞組技術

為了提高交流發(fā)電機的功率，有些公司采用兩套定子繞組來發(fā)電。這兩套定子繞組都是星形連接法，并各自有相應的整流器。與傳統(tǒng)型發(fā)電機相比，雙定子繞組技術用銅量比單層繞組少10%，槽滿率達到70%以上，質量減輕了很多，因此減小了定子繞組的電阻，降低了發(fā)電時的銅損，改善了散熱性，使發(fā)電機輸出功率提高了近50%，總體效率提高了10%，電磁噪聲減少了10dB。圖4為雙定子繞組發(fā)電機內部電路圖。

2.4 采用五相定子繞組技術

雙定子繞組發(fā)電機的線圈線徑和長度減少了，但槽數(shù)和極數(shù)增加了，發(fā)電機的體積也增大了，發(fā)電機的制造難度也加大了，因此體積不變的情況下增大發(fā)電機的功率，五相定子繞組發(fā)電機是最好的選擇。五相交流發(fā)電機的轉子采用爪極式磁路結構，定子槽采用梨形槽結構，五相繞組采用五角星連接方式，整流器采用五相橋式整流，輸出的電壓波形更平穩(wěn)，輸出電壓的平均值更高。圖5為博世250A五相交流發(fā)電機內部電路圖。

3 整流器的技術發(fā)展

采用硅二極管作為整流器件，是因為硅二極管具有開關特性好、反向恢復時間短等優(yōu)點，但其工作時正向壓降較大，導通損耗功率大，而采用MOS-FET作為汽車發(fā)電機整流，由于MOS-FET具有導通電阻低，開關損耗低等優(yōu)點，可以起到提高整流效率的作用。MOS-FET共有柵極、源極、漏極3個電極，在源極和漏極之間有一個半導體二極管，利用MOSFET的反向導電特性實現(xiàn)整流。當柵極驅動電壓大于閾值電壓時，MOS-FET管導通，此時電流方向為從源極S到漏極D。當柵極驅動電壓低于閾值電壓時，MOS-FET關斷。通過MOS-FET管柵極驅動信號，可控制MOS-FET管的導通和關斷，從而起到整流的作用。電裝交流發(fā)電機MOSFET整流器內部電路圖見圖6。

4 調節(jié)器的技術發(fā)展

新型電子調節(jié)器也采用MOS-FET，基于MOS-FET模擬開關技術的調節(jié)器能夠抗高頻信號干擾，準確觸發(fā)和關斷整流器，能高速地響應端電壓和電流信號，功率消耗低，易于集成，有利于調節(jié)器的微型化發(fā)展。

新型車輛采用能量管理系統(tǒng)，ECU根據(jù)蓄電池的傳感器檢測蓄電池的電壓、電流和溫度信號，計算出蓄電池電荷狀態(tài)SOC值，通過LIN總線控制電子調節(jié)器的目標電壓，維持負載供電和蓄電池充電的穩(wěn)定功能。

圖4 雙定子繞組發(fā)電機內部電路圖

圖5 博世250A五相交流發(fā)電機內部電路圖

5 皮帶輪的技術發(fā)展

燃油直噴的運用和怠速轉數(shù)的降低等原因造成發(fā)動機轉數(shù)和扭矩變化增大，皮帶的張力變化也隨之增大，安裝內置單向離合器皮帶輪可以改善皮帶的張力變動，提高皮帶的壽命，防止打滑聲音的發(fā)生。這種皮帶輪的內側與軸之間內置了楔塊式單向離合器，改變楔塊傾斜角度，楔塊高度會發(fā)生變化。楔塊逆時針方向轉動時高度變低，皮帶輪與軸分離；楔塊順時鐘方向轉動時高度增高，皮帶輪與軸嚙合，一起轉動。內置單向離合器皮帶輪剖開圖見圖7。

圖6 電裝交流發(fā)電機MOSFET整流器內部電路圖

6 發(fā)電機技術展望

1）按需發(fā)電

發(fā)電機的驅動要消耗發(fā)動機的功率，為提高燃料經(jīng)濟性，應該根據(jù)蓄電池的電量和用電設備的功率來調節(jié)發(fā)電機的發(fā)電量，甚至停止發(fā)電。發(fā)電機始終在發(fā)電，蓄電池充滿電后，電池電極上產(chǎn)生的水會電解而消耗電力，此時發(fā)電機應停止發(fā)電。為了在制動能量回收時蓄電池有一定的容量空間，需要對蓄電池電壓進行監(jiān)控，高于設定電壓值時發(fā)電機應抑制發(fā)電量。另外，發(fā)電機負荷還要能夠調節(jié)，在發(fā)動機制動減速時為高負荷，在加速和定速時為低負荷，可降低用于發(fā)電的燃油的消耗。

2）高電壓發(fā)電機

在具有制動能量回收的汽車上，采用可變電壓式發(fā)電機為鋰離子蓄電池或電容器充電。因為制動能量回收是在車輛減速停車的過程中將汽車的機械能轉換成電能，而此過程中電能轉換功率越高，那么短時間內收集到的電能就越多。然后從電容經(jīng)過變壓及DC-DC轉換模塊，緩慢釋放充入蓄電池或給電氣設備供電，從而改善因供應電能不足而擅自起動發(fā)動機“充電”的情況。

3）發(fā)電機兼起動機

在48V輕混汽車上，皮帶驅動的發(fā)電機還當作起動機使用，英文簡稱BSG（Belt Starter Generator皮帶起動發(fā)電機），它由48V電池、BSG電機、DC／DC轉換器組成，BSG發(fā)電機為混合勵磁電機 （圖8），是一種新型結構電機，勵磁源既有勵磁繞組又有永磁體。作為起動機時使用永磁體，作為發(fā)電機時通過勵磁繞組對電機氣隙磁場進行調節(jié)。適用于高起動轉矩和寬轉速范圍高效恒壓發(fā)電要求。

圖7 內置單向離合器皮帶輪剖開圖

圖8 BSG發(fā)電機的組成