吳顏飛，畢　鋒，李蔚超

（襄陽航力機(jī)電技術(shù)發(fā)展有限公司，湖北 襄陽　441021）

汽車高壓直流發(fā)電機(jī)調(diào)壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

吳顏飛，畢鋒，李蔚超

（襄陽航力機(jī)電技術(shù)發(fā)展有限公司，湖北 襄陽441021）

簡介高壓直流發(fā)電機(jī)在汽車上的應(yīng)用及趨勢，講述發(fā)電機(jī)調(diào)壓系統(tǒng)的工作原理。以現(xiàn)有高壓無刷直流發(fā)電機(jī)配用電壓型控制調(diào)壓系統(tǒng)為具體實(shí)例，提出PWM電流型控制調(diào)壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案并進(jìn)行結(jié)果驗(yàn)證。

汽車高壓直流發(fā)電機(jī)；發(fā)電機(jī)調(diào)壓系統(tǒng)；PWM電流型控制

1　概述

目前，國內(nèi)外汽車發(fā)電機(jī)多采用24V低壓直流發(fā)電機(jī)。我國汽車主流發(fā)電機(jī)多采用佩特來24V直流發(fā)電機(jī)，其工作電流150 A，可滿足一般使用要求。隨著汽車空調(diào)及整車電器的發(fā)展，汽車系統(tǒng)尤其是大型豪華客車或特種車輛對(duì)電源功率的要求越來越高，并且對(duì)節(jié)能環(huán)保性指標(biāo)要求也越來越重視，傳統(tǒng)24V電壓直流電源系統(tǒng)已逐漸不能滿足要求。如新一代SONATA領(lǐng)翔混合動(dòng)力、豐田SCION iQEV純電動(dòng)車、沃爾沃XC90T8等已采用270 V直流電源；宇通客車、安凱客車等新能源車型則已采用500V以上直流電源。2008年，520V高壓直流發(fā)電機(jī)以大功率、高效率、節(jié)能環(huán)保等特點(diǎn)首先在武漢公交汽車空調(diào)上得到應(yīng)用，至今已擴(kuò)展到上海、長沙、鄭州、合肥等地；2012年，開始應(yīng)用于特種車輛伺服系統(tǒng)、二次電源系統(tǒng)等其它領(lǐng)域。

近來，受限于當(dāng)前的技術(shù)發(fā)展水平特別是動(dòng)力電池的技術(shù)瓶頸，純電動(dòng)汽車一直存在續(xù)駛能力不足問題，國內(nèi)外投向了增程式電動(dòng)汽車增程器的應(yīng)用［1］。高壓直流發(fā)電機(jī)作為增程器應(yīng)用也將成為發(fā)展趨勢并受到廣泛關(guān)注。當(dāng)前，增程式汽車電池組的電壓一般為500～600V，考慮到電池組的充電要求，對(duì)增程發(fā)電機(jī)的輸出電壓精度也提出了更高要求。

TB/T 3063—2002標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于DC600V供電電源裝置要求為：輸出額定電壓DC600V，控制精度±5%，電壓允許變化范圍DC520～630V［2］。目前，汽車電驅(qū)空調(diào)直流電壓多為460～600 V，部分系統(tǒng)中間具有逆變模塊，電壓控制精度一般在±8%范圍內(nèi)，對(duì)于直接應(yīng)用于增程器尚有不足。

2　發(fā)電機(jī)調(diào)壓系統(tǒng)的工作原理

汽車發(fā)電機(jī)多采用電勵(lì)磁方案，結(jié)構(gòu)簡單、安全、可靠。調(diào)壓系統(tǒng)的工作原理：通過采樣發(fā)電機(jī)輸出電壓Ui（Ui也可為勵(lì)磁電壓源）的變化輸出PWM電壓波形，驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁開關(guān)V導(dǎo)通和截止，以調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流If大小，實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)輸出電壓Ui的穩(wěn)定。其勵(lì)磁開關(guān)V一般采用晶體管調(diào)節(jié)器，其優(yōu)點(diǎn)是：開關(guān)頻率高，不產(chǎn)生火花，調(diào)節(jié)精度高，具有質(zhì)量輕、體積小、壽命長、可靠性高、電波干擾小等優(yōu)點(diǎn)。工作原理見圖1。

現(xiàn)在大多調(diào)壓器采用MOSFET替代三極管使用，這是由于MOSFET具有開關(guān)速度快、導(dǎo)通電阻小、輸

圖1　調(diào)壓系統(tǒng)工作原理

3　發(fā)電機(jī)調(diào)壓系統(tǒng)控制技術(shù)

通常，一個(gè)穩(wěn)定的系統(tǒng)需要對(duì)輸出變量采用閉環(huán)控制，以便輸入電壓變化或負(fù)載電流變化能及時(shí)調(diào)節(jié)，并具有期望的動(dòng)態(tài)響應(yīng)［4］。調(diào)壓系統(tǒng)控制技術(shù)主要是PWM信號(hào)的輸出控制方式。常用的控制方式有電壓型控制、電流型控制。

電壓型控制僅采用輸出電壓反饋的閉環(huán)控制，而系統(tǒng)電流反饋的閉環(huán)控制并沒包含在整個(gè)控制系統(tǒng)中，其穩(wěn)壓響應(yīng)速度較慢，在發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速過大時(shí)可能發(fā)生振蕩。電壓型控制最顯著的特點(diǎn)就是誤差電壓信號(hào)被輸入到PWM比較器，與振蕩器產(chǎn)生的三角波進(jìn)行比較。電壓誤差信號(hào)升高和降低使輸出信號(hào)的脈寬增大或減?。?］。

電流型控制的特點(diǎn)是在電壓型控制的基礎(chǔ)上，增加電流誤差信號(hào)反饋電路進(jìn)行閉環(huán)控制。其優(yōu)點(diǎn)是：①動(dòng)態(tài)響應(yīng)快和穩(wěn)定性高；②輸出電壓精度高；③具有內(nèi)在對(duì)功率開關(guān)電流的控制能力；④良好的并聯(lián)運(yùn)行能力。

目前，隨著電流型控制集成控制器的出現(xiàn)，電流型控制技術(shù)已越來越多地應(yīng)用于實(shí)際當(dāng)中。

4　高壓直流電源調(diào)壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)

以某型520V高壓直流電源調(diào)壓系統(tǒng)為例，采用電流型控制技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)。由于高、低電壓隔離要求，該調(diào)壓系統(tǒng)配用發(fā)電機(jī)的電樞繞組與勵(lì)磁繞組依據(jù)變壓器設(shè)計(jì)原理進(jìn)行設(shè)計(jì)。

4.1PWM電壓型控制方式

高壓直流電源原調(diào)壓系統(tǒng)采用PWM電壓型控制方式。通過采樣勵(lì)磁繞組整流電壓Ui（D+處），經(jīng)分壓、比較電路后輸出PWM電壓信號(hào)，控制勵(lì)磁開關(guān)MOSFET V的導(dǎo)通和截止，以調(diào)節(jié)D+、D-間串接的勵(lì)磁電流If的大小。圖2為局部原理圖，圖3為產(chǎn)品控制系統(tǒng)近似模型。

圖2　局部原理圖

圖3　產(chǎn)品控制系統(tǒng)近似模型

在有負(fù)載的時(shí)候，電樞繞組有電流，它的磁勢使電機(jī)的磁場發(fā)生變化，這種作用稱為電樞反應(yīng)［6］。圖3中采樣電壓Ui為勵(lì)磁繞組輸出整流后的直流電壓，其與發(fā)電機(jī)輸出電壓U0成一定比例關(guān)系（Km/（R+Ls）），并形成電壓型閉環(huán)控制。由于轉(zhuǎn)速變化會(huì)造成Ui與U0的比例關(guān)系Km發(fā)生細(xì)小變化。同時(shí)，電樞反應(yīng)具有消減磁通的作用，而且U0和Ui兩端負(fù)載特性不一致，這將會(huì)加劇比例關(guān)系Km的變化，在轉(zhuǎn)速達(dá)到最大時(shí)，其Km的變化也將達(dá)到最大。表1所示為不同工況不同轉(zhuǎn)速條件下Km的變化情況。

表1　不同條件下Km的變化情況

顯然，當(dāng)比例關(guān)系Km變化后，必然引起電壓誤差信號(hào)變化，即造成了實(shí)際采樣電壓Ui信號(hào)失真 （不能正確反映輸出電壓U0的變化），影響輸出電壓U0的控制精度。

4.2PWM電流型控制方式

設(shè)計(jì)上，在原有調(diào)壓系統(tǒng)電壓控制環(huán)的基礎(chǔ)上增加一個(gè)電流控制環(huán)，以補(bǔ)償勵(lì)磁繞組電壓與電樞繞組電壓比例變化造成的輸出電壓精度降低現(xiàn)象，即采用雙環(huán)電流型控制。其特點(diǎn)是在控制系統(tǒng)中引入了一個(gè)電流誤差放大器，電流誤差放大器的同向端反映了補(bǔ)償電流的要求，檢測到的電流經(jīng)電阻變換網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，送入電流誤差放大器的反向端。該控制方法不僅能改善傳統(tǒng)電壓型控制技術(shù)穩(wěn)壓響應(yīng)速度慢、穩(wěn)定性差的缺點(diǎn)，甚至還能減少大信號(hào)變化時(shí)產(chǎn)生振蕩的弊病，還具有抗噪能力強(qiáng)、不需要斜率補(bǔ)償?shù)奶攸c(diǎn)。圖4為雙環(huán)控制系統(tǒng)模型。

圖4　雙環(huán)控制系統(tǒng)模型

4.3電路設(shè)計(jì)

電路設(shè)計(jì)上，采用T0交流電流互感器采樣電樞繞組隨負(fù)載特性變化的交流電流，經(jīng)變換后通過補(bǔ)償電路的補(bǔ)償電阻R103一端和V03的發(fā)射極與圖2中R01的兩端并聯(lián)連接。R101、R102可根據(jù)負(fù)載情況進(jìn)行分壓參數(shù)設(shè)計(jì)；R103可根據(jù)補(bǔ)償需要進(jìn)行大小調(diào)節(jié)。電路原理如圖5所示。

圖5　電路原理圖

4.4試驗(yàn)驗(yàn)證

圖5中器件選取適當(dāng)?shù)膮?shù)與R01完成接線，分別在空載、負(fù)載條件下進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表2。

表2數(shù)據(jù)表明：對(duì)于高壓直流電源調(diào)壓系統(tǒng)采用PWM電流型控制方式設(shè)計(jì)后，電壓精度在空載和額定負(fù)載下的電壓精度都有所提高，全工況下的電壓精度從原來的±7.7%提高到了±5.23%。

5　結(jié)束語

表2　試驗(yàn)數(shù)據(jù)

該調(diào)壓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、經(jīng)濟(jì)、可靠，可解決高壓直流發(fā)電機(jī)電壓精度過低的問題。產(chǎn)品設(shè)計(jì)案例可作為增程器的重要組成部分應(yīng)用于增程式汽車電源系統(tǒng)。

［1］汪斌，劉寧，孔靈，等.增程式電動(dòng)汽車結(jié)構(gòu)及工作模式淺析［J］.汽車電器，2014（12）：41-42，47.

［2］TB/T 3063—2002，旅客列車DC600V供電系統(tǒng)技術(shù)條件［S］.

［3］黃繼昌，郭繼忠，張海貴，等.電子元器件應(yīng)用手冊(cè)［M］.北京：人民郵電出版社，2007.

［4］徐九玲，謝運(yùn)祥，彭軍.開關(guān)電源的新技術(shù)與發(fā)展前景［J］.電氣時(shí)代，2003（6）：53-55.

［5］Marty Brown.Power Supply Cookbook（2nd edition）［M］. Kidlington：Elsevier Science ltd，2001：62.

［6］章名濤.電機(jī)學(xué)［M］.北京：科技出版社.1964：200-201.

（編輯陳程）

Design of Voltage Regulating System on High Voltage Direct Current Generator

WU Yan-fei，BI Feng，LI Wei-chao
（Xiangyang Hangli Electromechanical Technology Development Co.，Ltd.，Xiangyang 441021，China）

This article introduces application and current trend of high voltage DC generator on automobile，and demonstrates working principals of its voltage regulating system.Based on the example of existing regulating system used on high voltage brushless DC generator，it proposes a design for PWM current-mode regulating system and conducts verification through experiments.

vehicle high voltage direct current generator；generator voltage regulating system；PWM currentmode

U463.631

A

1003-8639（2016）09-0004-03

2015-10-13；

2015-12-05

吳顏飛 （1981-），男，湖北人，助理工程師，主要從事電機(jī)控制及逆變電源系統(tǒng)研制工作；畢鋒 （1985-），男，湖北人，助理工程師，主要從事變頻電源及電機(jī)控制系統(tǒng)研制工作；李蔚超 （1990-），男，湖北人，助理工程師，主要從事電機(jī)控制系統(tǒng)研制工作。入阻抗高、耐壓高及驅(qū)動(dòng)功率小等特點(diǎn)，且有安全工作區(qū)寬、過載能力強(qiáng)及熱穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，在功率放大、電機(jī)調(diào)速、開關(guān)電源等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用［3］。