車載柴油機發電機誤判的因素及其作用機理

摘要：隨著車輛電氣化程度的提高以及伴隨而來的用電量增加，車載發電機的故障率也逐漸凸顯。但是，對發電機故障的誤判（指NTF和由于外界因素而引發的失效）問題卻始終未能很好的解決。為有效降低誤判，我們需要找到導致誤判的主要因素進行系統分析，掌握其作用機理和影響程度。

關鍵詞：車載柴油機發電機;誤判;發動機轉速;蓄電池

0" "引言

本文所述的誤判除了包含NTF（No Trouble Found：未發現故障）還包括由于外界因素（主要來自電磁兼容方面）導致的發電機失效。

在工程機械和載重汽車行業，無論是發動機廠還是主機廠，都會經常收到來自客戶的質量投訴。而發電機這樣的關鍵件更是質量投訴中的“常客”。有些企業收到的投訴中，發電機甚至已經排進了發動機失效件中的前三名，而誤判問題在發電機所有故障中所占的比例竟高達50%～70%。所以，對導致誤判的因素進行認真研究，并分析其作用機理，是有效減少誤判的正確途徑。

1" "發動機轉速的影響

在物理理論層面，發電機的發電量與其切割磁感線的速率（這個速率反映在車載發電機上就是轉速）成正比;與其切割的磁場強度成正比。在車輛上，通常將發動機轉速與車載發電機轉速的比值稱為速比（發動機通過皮帶傳遞動力給發電機）。那么，是不是說發動機轉速越高，發電機的發電量也會越多？

另一個相關因素是勵磁電流，勵磁顧名思義，激勵（產生）磁場。勵磁電流就是用于產生磁場的電流。如果沒有勵磁電流，發電機的轉子和定子就是兩個普通的銅線線圈，即便相對運動的再快也無法發電。對于車載發電機，勵磁電流有兩個來源，他勵和自勵。他勵是車輛剛起動時來自于蓄電池的勵磁電流;自勵則是當發電機可以發電后，用自己發出的部分電流取代他勵的電流。

1.1" "發動機轉速與勵磁電流

1.1.1" "無LIN/CAN通信功能

通常情況下，只要發動機剛開始工作時其轉速能高于某一限值（即最低發電轉速）且勵磁正常，則發電機就能正常發電。如果發電機與電控模塊之間是無信息交互的，則稱其為無LIN/CAN通信功能的發電機。

一旦發動機在起動時的轉速不低于要求的最低發電轉速，則后續發動機轉速將不會影響發電機的發電量。發電機會通過自身調節器監控蓄電池B+端的電壓，然后通過調節自勵磁電流來控制輸出電量的多少。輸出的電量又會使蓄電池電壓穩定的維持在一定數值范圍內。比如，24V電氣系統的發電機會使得蓄電池B+端電壓穩定在28.5V左右。

1.1.2" "有LIN/CAN通信功能

如果發電機與電控模塊之間是有信息交互的，則稱其為有LIN/CAN通信功能的發電機。那么，當勵磁電流達到上限時，發電機的發電量將無法進一步增加，此時由于與電控模塊之間可以通訊，則電控模塊在收到勵磁電流已飽和的信息后會自動將發動機的轉速升高以獲得更多的輸出電量。在這種情況下，發動機轉速會影響發電機的發電量。

1.2" "案例

以前某韓系整車廠就曾經報告過發電機不發電的批量零公里投訴。通過調查最終確認，由于整車蓄電池在發動機開始起動時未提供足夠的勵磁電流，所以發電機不發電。后續在給了足夠的勵磁電流后，又由于沒有讓發動機轉速達到要求的最低發電轉速，所以發電機始終無法工作。最終，在滿足上述兩個條件后問題得以解決?？蛻舫蜂N投訴。

1.3" "小結

綜上，如果不清楚在何種情況下，發動機轉速和勵磁電流將會怎樣影響發電機的發電量，那么發電機誤判將不可避免。

2" "蓄電池的影響

蓄電池有很多參數可以影響到發電機，比如：蓄電池電壓、蓄電池安時數等。但是，最容易對發電機造成誤判的因素有兩個：蓄電池容量和蓄電池放電能力。

2.1" "蓄電池容量的影響

蓄電池容量的選擇并不是一個單一的參數，這個參數的選定需要同步考慮整車的使用以及發電機的發電量。如果已經搭配了發電量較小的發電機，則建議選擇容量較大蓄電池比較合適，否則在冬季使用時極易造成“虧電”的假象。

為了保證蓄電池有足夠的電量用以應急，行業內通常會在用電器電流的最大值上加上蓄電池容量的10%作為發電機匹配選型的輸入，而且還需要考慮環境溫度對整體溫升的貢獻?？蓞⒖冀涷灩剑?）：

I_c =Max （I_s，I_w） +10%×Q_B （1）

I_c 指發電機充電電流;I_s指夏季用電器使用的電流最大值;I_w指冬季用電器使用的電流最大值;Q_B 指蓄電池容量。

但在實際應用中，為節省成本，蓄電池在怠速時可適當放電。按照經驗，在夏季怠速工況下，一個滿充的蓄電池在怠速4h后，容量不得低于60%。同樣有經驗公式（2）推薦如下，以供估算：

I_maxgt; （I_s，I_w）-Q_B ×（1-60%）/4 （2）

I_max指允許蓄電池在怠速時放出的最大電流;I_s指夏季用電器使用的電流最大值;I_w指冬季用電器使用的電流最大值;Q_B 指蓄電池容量。

如果上述辦法中的一些參數不易選擇，那么就只能在發電機的匹配上多預留一些冗余了。

2.2" "蓄電池放電能力的影響

蓄電池的放電能力在某種程度上是對發電機的轉子電阻產生影響，試想如果發電機已定，則其轉子的電阻就已定。若此時蓄電池的放電能力減弱，則對其產生的勵磁電流將會變小，勵磁電流減小則意味著無法產生滿足發電所需的磁場。

導致蓄電池放電能力減弱的因素有很多，比如：環境溫度偏低，長期在虧電狀態下使用蓄電池，蓄電池使用時間較長未及時更換等。

2.3" "案例

國內某合資汽車廠在其降成本過程中，選用了容量更小的蓄電池，但是由于未作充分評估，其降成本后的車輛在冬季投放到了內蒙，陜西以及東北地區的市場。結果造成了大量“發電機不發電”和“蓄電池無法充電”的質量投訴。后經調查，因冬季的取暖需求用電量本就增加了，而蓄電池的容量卻被人為降低了，所以當蓄電池無法提供足夠的勵磁電流時，發電機就無法正常發電。所以造成了“發電機不發電”的失效假象。與此同時，發電機不發電就意味著無法補償消耗的電能，可是蓄電池又在不斷的消耗自身儲能。這樣的“入不敷出”就使得“蓄電池無法充電”的假失效也出現了。

2.4" "小結

如上，若貿然選用小容量蓄電池以及忽視蓄電池放電能力與其維護使用條件的關系，則發電機誤判會層出不窮。

3" "負載使用頻度變化的影響

3.1" "負載的相關概念

在車輛上有很多用電器，我們通常按其用電狀態將其分為：持續負載需求功率;間歇負載需求功率和長期負載需求功率。屬于持續負載需求的用電器有：點火、燃油系統，組合儀表，冷卻風扇等。屬于間歇負載需求的用電器有：門燈、倒車燈、電動車窗等。屬于長期負載需求的用電器有：近光燈、遠光燈、制動燈以及娛樂系統等。

與這些功率需求和負載種類相對應的還有其使用頻度。不同的OEM有不同的參考系數，業內一般推薦參考Bosch公司的倍數規則。在SAE標準中也有關于用電器使用頻度系數的描述可供參考（SAE J1343-2000）[1]。

3.2" "商用車中負載使用頻度的變化

一般商用車上，除了上面提到的不同負載及其使用頻度，還需要考慮季節因素的影響。在夏季，南方的車輛會增加使用空調等電器的頻度;在冬季，南北穿越的車輛會增加使用取暖用電器的頻度。那么，就需要根據夏季和冬季兩種情況來校核用電量及使用頻度，然后取最大值。使用頻度的改變會對發電機發電量的分配產生影響。所以，對用電器使用頻度的把握可幫助發電機預留適當的后備功率，有效規避“發電機不發電”的誤判出現。

3.3" "工程機械中負載使用頻度的變化

工程機械車輛在某些特殊工況下作業時，其車載用電器的使用頻度也會變化。以挖掘機為例，挖掘機經常夜間作業，照明燈有前大燈（遠光燈通常45～60W，近光燈通常20～55W）、工作燈（一般功率在21W左右）[2]，有時司機頭頂上還需要照明燈，此時各燈的使用頻度較匹配時發生了明顯變化。那么對發電機功率的需求也隨之加大，機型越大要求功率越大。若匹配時不根據其特點預留一定的后備功率，則發電機在實際使用過程中會出現“發電量不足”的假象。

3.4" "案例

國內某車企，由于未識別到某車型在使用過程中用電器的使用頻度會發生相應變化，而在其發電機匹配中預留了較小的后備功率，這導致了此車型在市場上被大量投訴。投訴的主要原因——發電機發電不足。后經調研確認，問題并非出自發電機自身。這也是典型的誤判。

3.5" "小結

對于整車電氣系統而言，當實際負載大于匹配負載（發電機發電能力）時，會出現發電機誤判;當實際負載小于或等于匹配負載（發電機發電能力）時，不會出現發電機誤判。

4" "電磁兼容的影響

發電機發出的電能是為整車上各用電器服務的，同樣整車上的很多用電器也會給發電機“回饋”。這就是我們通常提到的電磁兼容性。電磁兼容性一般分為兩種：對其他用電器產生干擾的強弱和抵御其他用電器干擾的能力，這里重點分析后者。

4.1" "來自整車電源總開關的影響

很多車輛為防止漏電，會為蓄電池配上一個電源總開關，但是當電源開關開啟時會對發電機產生一定的影響。當開關打開時，外部的異常大電流可能會擊穿發電機的雪崩二極管，造成發電機失效。如引言所說，這也屬于誤判的范疇。

4.2" "來自電路狀態變化時感抗元件的影響

整車電路中有很多用電器，其中含有感抗元件的用電器對發電機的影響較大，如：電磁線圈、各種繼電器等。

4.3" "案例

國內某知名卡車廠生產的一款卡車在剛投放市場時就出現過批量的發電機失效，失效模式是發電機雪崩二極管擊穿，后經調查發現是其電源總開關開啟時產生的外部異常大電流所致。

某知名國外品牌主機廠所配的發電機也出現了雪崩二極管擊穿的失效，后經試驗確認，擊穿雪崩二極管的外部大電流來自于起動時的起動機。其內部的繼電器線圈會在起動時釋放一定的能量，而這部分能量會對發電機內部的電子件產生極大破壞。

4.4" "小結

基于上述兩點，可在整車相關線路或零件中加裝緩流電阻或二極管用以保護發電機免遭外部大電流的破壞，減少誤判。

5" "結束語

綜上所述，只有對發動機和發電機之間的轉速、蓄電池、負載使用頻度以及電磁兼容這幾方面進行深入研究，明確其作用機理和需求，合理匹配才能從最大限度上減少發電機誤判的發生。由于發電機不工作會導致停機，而發電機不工作經常是誤判，這對于主機廠和發動機企業來說會造成誤會和經濟損失，甚至影響企業聲譽。所以，如何減少誤判的問題，應該引起主機廠相關人員的重視，并與發動機廠的技術人員一起合作減少誤判的比例。

參考文獻

[1] SAE J1343-2000 Information Relating to Duty Cycles and AveragePower Requirements of Truck and Bus Engine Accessories： 2-6.

[2] 陳繼文，范文利.工程機械電氣控制系統[M].北京：化學工業出版社，2013：134.