车载电源系统的现状和探索

车载电源系统的现状和探索

钱晓胜

（西南大学工程技术学院车辆工程系 400716）

摘要：文章介绍了目前车载电源系统的现状，并且提出一种新型车载电源系统的研究思路，即蓄电池12V电源和14V和42V同步输出的永磁发电机，并能保证在发动机转速和电器负载变化范围内，恒定输出14V和42V两种直流电压，满足汽车专用电器的需要。

关键词：车载电源系统 永磁发电机 14V/42V电压同步输出 单片机 三相桥式整流

引言

传统车载电源系统一般是由12V蓄电池和14V硅整流发电机及其调节器组成的。随着人们对汽车的安全性、环保性、经济性、舒适性等性能的要求日益提高，这促使车载电器和电子装置迅速增加，要求电源提供的电功率也越来越大，传统电源系统已越来越不能满足要求，更新功率大、体积小、效率高、多功能的车载电源系统已是大势所趋。要提高车载电源的电功率，自然就要从蓄电池和发电机两方面着手。为此，本文也就蓄电池和发电机做以下研究和探索。

1 传统车载电源系统存在的问题

目前豪华轿车用电一般1～3KW功率，而到2010年高级轿车的使用功率将达到10KW以上。如仍采用12V低压供电，必然要增加线束的截面积，这使制造工艺性和使用安全性均会变差。

目前车用硅整流交流发电机效率不高（约60%），且怠速时输出特征只是满负荷时输出的1/4、低速发电性不好、可靠性差、工艺复杂、寿命短、故障率高等缺点。

2 目前车载电源系统的发展概况

2.1 传统车载电源系统的改进

传统车载电源系统是由蓄电池和励磁发电机及其调节器组成。虽然有许多缺点，但由于技术较成熟，且能满足传统车载电器的使用需要，目前应用还很广泛。但自身存在的缺陷，迫切需要改进，主要措施有：

1）改有电刷励磁电路为无电刷励磁电路，减少了电刷和电刷环，避免炭刷的与电刷环的摩擦和接触不良。

2）改传统的六管整流电路为九管、八管和十一管整流电路，提高输出功率；

3）双“Y ”绕组二整流桥串并联转换可以提高输出功率；

4）改传统的机械触点式调节器为晶体管或集成电路调节器。

但这些措施并没有根本解决励磁发电机效率低，低速发电性不好、可靠性差、工艺复杂等问题。

2.2 车载电源系统电压升级的概况

车载电源电压全面升级越来越受到世界各国的重视，提高电压，减小电流，线束截面积也大为减小。但电压全面升级，必然使车载电器设备的电压也相应提高，这显然也会带来的安全问题。

蓄电池的升级涉及诸多难题，譬如体积、可靠性、成本等，本文不作复述。车载发电机主要包括励磁发电机和永磁发电机，而传统励磁发电机一般采用硅整流交流发电机，由于自身存在的缺陷以及成本和安装空间限制也不可能仅靠增大发电机的体积来增加功率。所以业界广泛考虑采用永磁发电机取代硅整流发电机，永磁发电机具有结构简单、比功率高、低速特性好、可靠性好等优点。

2.3 永磁发电机的研究概况

永磁发电机虽然拥有诸多优点，但目前迫切需要解决的关键问题有：

1）车用永磁发电机输出电压的的控制：车用发电机由于使用中的转速和负载变化范围都很大，而且还与蓄电池并联工作，因此，对其输出端电压的稳定性有很高的要求。永磁发电机的整流恒压是面向主电路的控制，必然面临直接控制大电流的问题，这对电子元器件提出了更高的要求。所以永磁发电机对电压的控制是关键问题，也是目前研制永磁发电机的重点问题。永磁发电机虽然不需外界能量即可维持其磁场，但也造成从外部调节、控制其磁场极为困难，这使永磁发电机的应用范围受到了限制。永磁发电机的电压调节方法很多，目前典型的电压调节方法主要有：（1）)采用可控饱和电抗器来稳定和调整电压；（2）混合励磁；（3）调节电枢绕组；（4）调节有效磁场；（5）并联式、串连式电子调节器：通过控制电路控制可控硅导通角的大小，来保证发电机输出设定的电压。

2）车用永磁发电机结构设计及永磁材料的选择：如果设计或使用不当永磁发电机在过高或过低温度时在冲击电流产生的电枢反应作用下或在剧烈的机械振动时有可能产生不可逆退磁(或叫失磁)，使电机性能降低，甚至无法使用。为此永磁材料的选择也很重要，永磁材料的磁稳定性和经济性是首要考虑的问题。

3 新型车载电源系统的研究思路

3.1双电压供电的新型车载电源系统

因为汽车的用电器有很多类型，不同电器设备对电源有不同要求，有的可以采用14V，有的采用42V或其它多种电压。这种情况下，可以考虑双电压或多电压供电系统，目前的存在问题是：需要配置12V和高压蓄电池组，因而增加了车辆的承载，占用更大的空间及增加造价；还有DC/DC变换器产生的电磁干扰；高电压瞬态现象及抑制控制方法；双电压电器系统在车辆运行时的功率流向及分配问题等等。

鉴于以上问题，我认为可以采用一种新型双电源供电方案，即蓄电池仍采用传统的12V 电源，而在发电机的电枢绕组采用14V和42V两组，从而可以同时获得两种输出电压。12V蓄电池主要在启动时用于启动机、点火系统及一些传统用电设备使用，发电机的14V电压供传统用电器并及时给12V蓄电池补充充电，而42V电压供一些大功率或一些新型用电器使用。采用这种方案可以保证在不升级蓄电池和部分用电器的前提下推行高压电气设备，当然这也是权宜之计，最终车载电源的全面升级是必然的，不过在目前情况下这种方案还是较为理想的。

3.2新型车载电源系统永磁发电机的电压控制

发电机的电压调节，由14V和42V两套电压调节装置实现整流稳压，为了简化控制线路及良好的控制效果，这两套电压调节装置是由单片机统一调配晶闸管控制的三相全控桥式整流电路。每一个电压采用一组独立的三相全控桥式整流稳压电路，可控硅的触发电路由单片机不同的I/O端口根据基准电路、采样检测电路、比较电路和保护电路来控制。由于单片机需要5V直流电源供电，可以直接由蓄电池经变压后提供，也可由发电机单独的5V绕组并经整流稳压提供。

4 结束语

车载电源系统性能直接影响着汽车行驶的安全性、环保性、经济性和舒适性，因此也受到业界的广泛关注，我提出这种折中的车载电源系统也还有很多值得深究的地方，这里不过是抛砖引玉，希望借此有助于我国汽车电源系统向全面升级平稳过渡，并最终使人们逐步接受车载电源系统全面升级的观念。

参考文献：

【1】黄延充，黎庆昌，汽车用永磁发电机综述，城市车辆，2001（1）