潘惠豐　邱洪亮

摘要：文章通過對(duì)傳統(tǒng)汽車發(fā)電機(jī)工作控制存在問題的分析，擬合多種汽車發(fā)電機(jī)智能控制改造方案，制定了多種傳統(tǒng)汽車發(fā)電機(jī)的工作模式，結(jié)合測控電路和蓄電池技術(shù)設(shè)計(jì)了新型的智能反饋控制系統(tǒng)，通過檢測汽車蓄電池的電量，智能調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)的出入轉(zhuǎn)速，進(jìn)而控制輸出電壓。在實(shí)際的模擬試驗(yàn)中取得了良好的實(shí)驗(yàn)成果，節(jié)能效果明顯。

關(guān)鍵詞：傳統(tǒng)汽車；發(fā)電機(jī)；智能化控制；測控電路；蓄電池技術(shù) 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

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

現(xiàn)階段傳統(tǒng)汽車的發(fā)電機(jī)的智能化控制是汽車節(jié)能研究領(lǐng)域的一部分，如何實(shí)現(xiàn)汽車發(fā)電機(jī)輸入轉(zhuǎn)速的控制以及輸出電壓的變壓輸出，是傳統(tǒng)汽車智能化控制以及改造研究的重點(diǎn)，也是當(dāng)前汽車電子和電源供給系統(tǒng)發(fā)展的趨勢。當(dāng)前，傳統(tǒng)汽車發(fā)電機(jī)的智能控制技術(shù)不夠完善，主要受到汽車發(fā)電機(jī)性質(zhì)和機(jī)械結(jié)構(gòu)的限制。傳統(tǒng)汽車發(fā)電機(jī)多數(shù)應(yīng)用經(jīng)濟(jì)耐用的勵(lì)磁式發(fā)電機(jī)，受到制造成本的限制，在很多車型沒用應(yīng)用智能反饋控制系統(tǒng)，發(fā)動(dòng)機(jī)與發(fā)電機(jī)直接嚙合，無法實(shí)現(xiàn)智能分離，因此在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)動(dòng)之后，汽車發(fā)電機(jī)一直處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。其輸出電壓由電壓調(diào)節(jié)器調(diào)控，由于沒有智能反饋系統(tǒng)，電壓調(diào)節(jié)控制器輸出電壓一般為定值電壓，只能實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓的功能。當(dāng)汽車蓄電池飽和時(shí)，不能有效地對(duì)發(fā)電機(jī)輸出電壓進(jìn)行控制，因此傳統(tǒng)汽車發(fā)電機(jī)的智能化控制系統(tǒng)研究的目的就是實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)的智能啟停，保證汽車蓄電池在飽和狀態(tài)時(shí)，能智能斷開汽車發(fā)電機(jī)的能量輸入，防止汽車蓄電池出現(xiàn)電能過充，對(duì)能量造成浪費(fèi)。

國內(nèi)外很多汽車研究大多都致力于傳統(tǒng)汽車發(fā)電機(jī)的智能化控制，其研究的發(fā)電機(jī)智能控制系統(tǒng)的控制理論基本相同，利用上位控制器控制汽車發(fā)電機(jī)的輸出電壓，通過LIN總線實(shí)現(xiàn)測控系統(tǒng)信息的傳遞。另外，寶馬公司研制的傳統(tǒng)汽車發(fā)電機(jī)智能控制的機(jī)械傳動(dòng)中添加了離合器，在汽車蓄電池飽和或者不需要供電的轉(zhuǎn)態(tài)下，離合器實(shí)現(xiàn)自動(dòng)斷開，切斷汽車發(fā)電機(jī)的能量輸入。通用汽車公司與豐田汽車公司研制的汽車發(fā)電機(jī)控制系統(tǒng)的理論體系相似，是汽車電源管理系統(tǒng)的一部分，首先勵(lì)磁發(fā)電機(jī)輸出電壓可以通過改變磁場的空占比實(shí)現(xiàn)變壓，像豐田推出的雷克薩斯LS430轎車，通過對(duì)汽車發(fā)電機(jī)空占比的頻率調(diào)節(jié)在0～150Hz之間浮動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了發(fā)電機(jī)輸出電流在0～12A之間的調(diào)節(jié)，進(jìn)而控制輸出電壓。傳統(tǒng)汽車發(fā)電機(jī)智能控制系統(tǒng)的改造和應(yīng)用具有很多局限性，首先是智能控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成需要對(duì)傳統(tǒng)汽車進(jìn)行結(jié)構(gòu)改裝，改變汽車核心的控制單元，生產(chǎn)成本過高，因此不能在經(jīng)濟(jì)車型上廣泛應(yīng)用。我國汽車工業(yè)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(shù)都由國外企業(yè)掌握。

1 智能化控制實(shí)現(xiàn)的功能

1.1 穩(wěn)定電壓

汽車電子元器件對(duì)電壓的浮動(dòng)較為敏感，因此汽車電源供電系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)電壓的穩(wěn)定，避免過大的電壓浮動(dòng)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(diào)節(jié)輸出電壓

傳統(tǒng)的汽車發(fā)電機(jī)不能根據(jù)汽車對(duì)電能的要求實(shí)時(shí)的調(diào)節(jié)，對(duì)能源的消耗較大，不能實(shí)現(xiàn)能量的最大利用。因此智能化控制要實(shí)現(xiàn)的基本功能是智能調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)的輸出電壓，建立實(shí)時(shí)有效的智能反饋系統(tǒng)，通過對(duì)車用電器的用電量以及蓄電池飽和度的檢查，實(shí)時(shí)反饋給控制系統(tǒng)，控制汽車發(fā)電機(jī)電壓的智能調(diào)節(jié)。在汽車蓄電池虧電時(shí)，智能調(diào)高汽車發(fā)電機(jī)的輸出電壓，實(shí)現(xiàn)蓄電池的快速充電，同理在汽車蓄電池飽和時(shí)，智能降低汽車發(fā)電機(jī)的輸出電壓，降低能量的消耗，同時(shí)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(fā)展的趨勢，要求汽車要節(jié)約能源，提高能量的利用率。因此傳動(dòng)汽車發(fā)電機(jī)的智能化控制能實(shí)現(xiàn)提高汽車能量利用的目的，首先是提高了發(fā)電機(jī)的發(fā)電效率，其次在制動(dòng)或者下坡時(shí)能實(shí)現(xiàn)能量的智能回收。

2 傳統(tǒng)汽車發(fā)電機(jī)的智能化控制系統(tǒng)原理

2.1 傳統(tǒng)汽車發(fā)電機(jī)智能控制的工作模式

汽車電源的智能控制系統(tǒng)可以根據(jù)反饋環(huán)節(jié)信息分為五種工作狀態(tài)。標(biāo)準(zhǔn)供電模式，是正常狀態(tài)下的工作模式，輸出電壓穩(wěn)定持續(xù)，為蓄電池充電，此時(shí)汽車發(fā)電機(jī)輸出電壓為標(biāo)準(zhǔn)電壓。極限供電模式，當(dāng)汽車蓄電池的電力不足時(shí)，在反饋系統(tǒng)信號(hào)的調(diào)解下，智能調(diào)高汽車發(fā)電機(jī)的輸出電壓，達(dá)到蓄電池快速充電的目的。欠壓供電模式，是在汽車短時(shí)需要較大動(dòng)力輸出時(shí)，智能地降低汽車發(fā)電機(jī)的輸出電壓，降低發(fā)電機(jī)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力的需求。電能回收模式，當(dāng)汽車在行駛中出現(xiàn)下坡路段或者制動(dòng)狀態(tài)時(shí)，通過提高汽車發(fā)電機(jī)的輸入轉(zhuǎn)速或者輸出電壓的方式，增強(qiáng)對(duì)能量的回收效率。斷開模式，在汽車蓄電池飽和的狀態(tài)下，汽車正常行駛中切斷汽車發(fā)電機(jī)的能量輸出（調(diào)節(jié)勵(lì)磁電機(jī)的勵(lì)磁輸入為0），降低能量的損耗。

2.2 傳統(tǒng)汽車發(fā)電機(jī)智能控制理論

利用現(xiàn)代測控技術(shù)建立車輛運(yùn)行狀態(tài)、電池蓄電量與汽車發(fā)電機(jī)之間的智能反饋系統(tǒng)，通過智能控制，實(shí)現(xiàn)不同模式之間的自動(dòng)轉(zhuǎn)換，達(dá)到汽車發(fā)電機(jī)最佳的發(fā)電能力，因此傳統(tǒng)汽車發(fā)電機(jī)智能控制理論體系基于現(xiàn)代測控技術(shù)和勵(lì)磁控制原理。

2.2.1 測控技術(shù)理論。傳統(tǒng)汽車發(fā)電機(jī)智能控制測控技術(shù)的應(yīng)用主要體現(xiàn)在蓄電池電量狀態(tài)分區(qū)的檢測和車輛的運(yùn)行狀態(tài)方面。根據(jù)蓄電池電量的多少可將其分為4個(gè)區(qū)間，分別為回收區(qū)SR、循環(huán)區(qū)SC、保留區(qū)SP以及虧電區(qū)SL。利用Impedance Track電量檢查芯片對(duì)蓄電池的電量進(jìn)行檢測，并轉(zhuǎn)化為電信號(hào)反饋給控制系統(tǒng)。車輛運(yùn)行狀態(tài)可分為靜止、起步、加速、巡航、制動(dòng)五個(gè)狀態(tài)，測控系統(tǒng)通過檢測汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速以及汽車車速，確定車輛運(yùn)行的狀態(tài)并生成反饋信號(hào)，調(diào)節(jié)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的工作狀態(tài)。

2.2.2 汽車發(fā)電機(jī)智能控制策略。汽車發(fā)電機(jī)的智能控制的基本策略就是根據(jù)測控系統(tǒng)檢測蓄電池和汽車運(yùn)行狀態(tài)，運(yùn)用反饋原理，實(shí)現(xiàn)對(duì)汽車發(fā)電機(jī)的準(zhǔn)確控制。因此根據(jù)蓄電池的工作狀態(tài)和汽車的運(yùn)行狀態(tài)可以建立控制策略的關(guān)系圖表，見表1：

表1 汽車發(fā)電機(jī)智能控制關(guān)系

狀態(tài)分區(qū) 靜止 啟動(dòng) 加速 巡航 制動(dòng)

充滿 關(guān)閉 關(guān)閉 關(guān)閉 關(guān)閉 關(guān)閉

回收區(qū) 關(guān)閉 關(guān)閉 關(guān)閉 關(guān)閉 回收

循環(huán)區(qū) 關(guān)閉 關(guān)閉 關(guān)閉 標(biāo)準(zhǔn) 回收

保留區(qū) 關(guān)閉 關(guān)閉 標(biāo)準(zhǔn) 標(biāo)準(zhǔn) 回收

虧電區(qū) 關(guān)閉 關(guān)閉 快充 快充 回收

不確定 關(guān)閉 關(guān)閉 標(biāo)準(zhǔn) 標(biāo)準(zhǔn) 回收

3 傳統(tǒng)汽車發(fā)電機(jī)智能化改造

在傳統(tǒng)汽車發(fā)電機(jī)的智能控制上，添加勵(lì)磁控制系統(tǒng)，將原有的電壓調(diào)節(jié)器去除，用勵(lì)磁智能控制系統(tǒng)對(duì)發(fā)電機(jī)的工作狀態(tài)精確控制，并能實(shí)現(xiàn)工作狀態(tài)的實(shí)時(shí)切換。研究改造中所用的勵(lì)磁控制原理如圖1所示：

圖1 發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁控制原理圖

傳統(tǒng)汽車發(fā)電機(jī)的部分勵(lì)磁線圈與智能化改造的發(fā)電機(jī)相同，在傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)智能化改造的過程中主要的改進(jìn)點(diǎn)是勵(lì)磁線圈的控制系統(tǒng)，包括反饋系統(tǒng)參數(shù)的收集與測量、電壓輸出控制模塊。通過實(shí)驗(yàn)研究智能化改進(jìn)的傳統(tǒng)汽車發(fā)電機(jī)能適應(yīng)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(fā)電機(jī)智能控制原理，只采用電子控制，機(jī)械傳動(dòng)中沒有添加離合器裝置，因此，汽車發(fā)電機(jī)在改造過程中不會(huì)干擾機(jī)械傳動(dòng)部分，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩輸出和傳動(dòng)裝置沒有影響。

4 實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果

4.1 汽車發(fā)電機(jī)工作模式轉(zhuǎn)換實(shí)驗(yàn)

發(fā)電機(jī)的工作模式轉(zhuǎn)換實(shí)驗(yàn)在實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)儀器有四種狀態(tài)的蓄電池、勵(lì)磁電機(jī)、勵(lì)磁控制模塊、轉(zhuǎn)速控制儀器，實(shí)現(xiàn)蓄電池不同轉(zhuǎn)臺(tái)下發(fā)電機(jī)的電壓輸出。如圖2所示：

圖2

4.2 汽車發(fā)電機(jī)穩(wěn)壓輸出調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)

在汽車發(fā)電機(jī)的輸入轉(zhuǎn)速不變的狀態(tài)下，對(duì)汽車發(fā)電機(jī)設(shè)定不同的標(biāo)準(zhǔn)輸出電壓，探究勵(lì)磁控制模塊的控制精度。在試驗(yàn)中，汽車發(fā)電機(jī)的輸出電壓在10～16V之間時(shí)，勵(lì)磁控制器能準(zhǔn)確地控制汽車發(fā)電機(jī)的輸出電壓，超過這個(gè)范圍電壓的波紋幅值會(huì)顯著增大，波動(dòng)性超出額定范圍0.05V，因此在汽車發(fā)電機(jī)額定輸出電壓的范圍內(nèi)能實(shí)現(xiàn)輸出電壓的準(zhǔn)確控制。

4.3 汽車燃油消耗實(shí)驗(yàn)

汽車燃油消耗實(shí)驗(yàn)通過對(duì)比試驗(yàn)的方式進(jìn)行，兩輛相同的車型，一輛采用傳統(tǒng)的汽車發(fā)電機(jī)，另一輛采用智能控制的發(fā)電機(jī)，同時(shí)在平坦的測試跑道上進(jìn)行測試，測試的方法為：同時(shí)加速到60公里每小時(shí)，然后制動(dòng)到20公里每小時(shí)，重復(fù)操作多次，利用計(jì)算機(jī)對(duì)車輛的順時(shí)油耗進(jìn)行記錄，通過數(shù)據(jù)分析，傳統(tǒng)汽車智能發(fā)電機(jī)能節(jié)約3.7%的能量，如圖3、圖4所示，分別為智能發(fā)電機(jī)車輛油耗和傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)車輛油耗。

圖3 圖4

5 結(jié)語

針對(duì)國內(nèi)缺乏汽車電源核心控制技術(shù)的現(xiàn)狀，本文著重研究了傳統(tǒng)汽車發(fā)電機(jī)的智能控制與能量的回收，實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)輸出電壓的反饋調(diào)節(jié)，科學(xué)地控制發(fā)電機(jī)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(shí)驗(yàn)證明智能汽車發(fā)電機(jī)能準(zhǔn)確地控制電壓輸出，實(shí)現(xiàn)能量的有效回收，降低車輛燃油的消耗。

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（責(zé)任編輯：周 瓊）