摘 要：該文深入探討發(fā)電機調(diào)節(jié)器與整車系統(tǒng)的匹配問題，著重分析如何通過調(diào)節(jié)器參數(shù)調(diào)整優(yōu)化整車能效和性能。圍繞城市交通峰值時段的案例展開分析，定義調(diào)節(jié)器響應(yīng)系數(shù)與電壓穩(wěn)定系數(shù)，建立優(yōu)化目標函數(shù)，并以此為基礎(chǔ)，通過實際數(shù)據(jù)調(diào)整參數(shù)。結(jié)果表明，適當(dāng)提升響應(yīng)系數(shù)和電壓穩(wěn)定系數(shù)能顯著降低電壓波動與達到穩(wěn)定所需時間，從而提升整車系統(tǒng)的響應(yīng)性和穩(wěn)定性。

關(guān)鍵詞：汽車發(fā)電機；調(diào)節(jié)器；參數(shù)；整車性能；匹配設(shè)計

中圖分類號：U463.631 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2024）31-0088-04

Abstract： This paper discusses in depth the matching problem between the generator regulator and the vehicle system， focusing on how to optimize the vehicle energy efficiency and performance through adjustment of regulator parameters. Focusing on the case during peak urban traffic pe8WTNPrKqh/xa2tjNbyL+uQ==riods， the regulator response coefficient and voltage stability coefficient are defined， and the optimization objective function is established. Based on this， parameters are adjusted through actual data. The results show that appropriately increasing the response coefficient and voltage stability coefficient can significantly reduce voltage fluctuations and the time required to achieve stability， thereby improving the responsiveness and stability of the vehicle system.

Keywords： automobile generator; regulator; parameters; vehicle performance; matching design

在新能源汽車和智能化汽車技術(shù)迅猛發(fā)展的背景下，對發(fā)電機調(diào)節(jié)器的技術(shù)要求也在不斷提高。發(fā)電機調(diào)節(jié)器作為控制發(fā)電機輸出電壓和電流的核心部件，其性能直接影響到整車的動力輸出、能耗以及電氣設(shè)備的穩(wěn)定運行。合理的參數(shù)設(shè)置和故障管理不僅能提高車輛的運行效率，還能保證駕駛安全。因此，研究發(fā)電機調(diào)節(jié)器的參數(shù)優(yōu)化及其與整車性能的匹配設(shè)計顯得尤為重要。

1 汽車發(fā)電機調(diào)節(jié)器的技術(shù)參數(shù)分析

1.1 調(diào)節(jié)器基本功能與工作原理

汽車發(fā)電機調(diào)節(jié)器的主要功能是電壓調(diào)節(jié)和電流平衡。這2項功能能夠確保汽車發(fā)電系統(tǒng)在各種操作條件下能夠穩(wěn)定供電，保護電氣設(shè)備免受電壓波動和過載的影響[1]。具體來說：

1）電壓調(diào)節(jié)是發(fā)電機調(diào)節(jié)器的核心功能。調(diào)節(jié)器通過控制發(fā)電機的勵磁電流來調(diào)整輸出電壓，以適應(yīng)車輛不同運行狀態(tài)下的電力需求。勵磁電流的調(diào)節(jié)原理如公式（1）

Vout=k·n·？準（E）， （1）

式中：Vout表示發(fā)電機的輸出電壓，k表示與發(fā)電機設(shè)計相關(guān)的常數(shù)，n表示轉(zhuǎn)速，？準（E）是勵磁電流的函數(shù)，表征勵磁磁通的強度。調(diào)節(jié)器通過改變勵磁電流E，調(diào)整磁通？準，從而控制輸出電壓。公式（1）的邏輯關(guān)系如圖1所示。

2）電子控制單元（ECU，Electronic Control Unit）是調(diào)節(jié)器的核心組件，它通過接收發(fā)電機的實時反饋信號來動態(tài)調(diào)整勵磁電流。該過程通常涉及比例－積分－微分（PID）控制算法，用于優(yōu)化調(diào)節(jié)過程，減少穩(wěn)態(tài)誤差，并提高響應(yīng)速度。PID控制器的工作原理可表示為

式中：E（t）表示調(diào)節(jié)器輸出的勵磁電流，e（t）表示設(shè)定電壓與實際電壓之間的誤差，Kp、Ki和Kd分別表示PID控制器的比例、積分和微分系數(shù)。為了更加清晰地分析這一調(diào)節(jié)機制的原理，可以作如下假設(shè)：比如在某個瞬間，車輛電氣系統(tǒng)由于突加負載導(dǎo)致輸出電壓從14 V下降到13 V，即e（t）=1 V。如果設(shè)定的Kp、Ki、Kd值分別為0.1、0.01、0.05，則PID控制器將計算出新的勵磁電流調(diào)整量，公式（2）代入數(shù)據(jù)后的表達式如下

E（t）=0.1·1+0.01·1，dt+0.05。

上述表達式表明，假設(shè)過去1 s內(nèi)e（t）始終為1 V，則積分項將貢獻額外的0.01 V，而微分項在e（t）沒有變化的情況下為0。因此，新的勵磁電流調(diào)整量為0.11 V?；谏鲜稣{(diào)節(jié)過程，調(diào)節(jié)器能夠快速響應(yīng)系統(tǒng)負載變化，保持發(fā)電機輸出電壓的穩(wěn)定，從而確保整車電氣系統(tǒng)的正常運行和電氣設(shè)備的安全。

圖1 磁力電流調(diào)節(jié)邏輯圖

1.2 參數(shù)設(shè)定與性能影響

發(fā)電機調(diào)節(jié)器的關(guān)鍵參數(shù)，如設(shè)定電壓、響應(yīng)時間和穩(wěn)定性，對發(fā)電機的整體性能有著決定性的影響[2]。這些參數(shù)不僅影響發(fā)電效率，還直接關(guān)系到電力的質(zhì)量和系統(tǒng)的可靠性。具體如下。

1）設(shè)定電壓。此為調(diào)節(jié)器控制系統(tǒng)中最基礎(chǔ)的參數(shù)，用于定義發(fā)電機能夠維持的目標電壓水平。設(shè)定電壓的選擇對發(fā)電機的運行效率和輸出電壓的穩(wěn)定性有顯著影響。理論上，設(shè)定電壓應(yīng)接近車輛電氣系統(tǒng)最優(yōu)運行電壓。設(shè)定電壓的公式可以表示為

， （3）

式中：Vopt表示系統(tǒng)的最優(yōu)運行電壓，？駐V是考慮到負載變化和電壓損失后的一個安全邊際值。例如，如果Vopt=14.2 V，考慮到負載波動可能帶來的0.2 V的電壓降，理想的設(shè)定電壓Vset應(yīng)該為14 V。

2）響應(yīng)時間。此為衡量調(diào)節(jié)器性能的關(guān)鍵指標之一，用于反映調(diào)節(jié)器從檢測到電壓變化到實際響應(yīng)這一變化所需的時間?？焖俚捻憫?yīng)時間對于維持電壓穩(wěn)定至關(guān)重要，尤其是在負載突然變化時。響應(yīng)時間（τ）通常用以下公式描述

τ=，（4）

式中：？棕c表示系統(tǒng)的截止頻率，與PID控制器的參數(shù)和系統(tǒng)的整體動態(tài)特性有關(guān)。響應(yīng)時間越短，意味著系統(tǒng)可以更快地調(diào)整至穩(wěn)定狀態(tài)，從而提高電力質(zhì)量和系統(tǒng)的可靠性。

3）穩(wěn)定性。這一參數(shù)與系統(tǒng)在面對擾動時保持輸出不變的能力有關(guān)。系統(tǒng)的穩(wěn)定性可以通過增益裕度和相位裕度來量化。穩(wěn)定性的計算依賴于開環(huán)傳遞函數(shù)的Bode圖分析，通常表示為

式中：GM表示增益裕度，PM表示相位裕度，G（j？棕）表示開環(huán)增益，？棕c和？棕分別表示截止頻率和系統(tǒng)的實際運行頻率?？傮w來說，穩(wěn)定性指標始終處于穩(wěn)定狀態(tài)，能夠確保在系統(tǒng)動態(tài)變化或負載波動時，輸出電壓能夠迅速穩(wěn)定。

1.3 故障模式與風(fēng)險管理

發(fā)電機調(diào)節(jié)器的故障模式多樣，其中最常見的包括電壓調(diào)節(jié)失敗和熱過載。這些故障不僅威脅到發(fā)電機本身的效率和壽命，還可能對整車的性能和安全造成嚴重影響[3]。具體如下。

1）電壓調(diào)節(jié)失敗。通常是由于調(diào)節(jié)器組件的損壞或設(shè)置錯誤引起的。當(dāng)調(diào)節(jié)器無法正確調(diào)整勵磁電流以響應(yīng)負載變化時，會導(dǎo)致系統(tǒng)電壓不穩(wěn)定。這種故障的影響可以通過系統(tǒng)的電壓響應(yīng)函數(shù)來分析

， （7）

式中：Vnom表示系統(tǒng)的名義電壓，？駐V表示由于調(diào)節(jié)失敗引起的電壓偏差，e表示自然對數(shù)，t表示系統(tǒng)的時間常數(shù)，代表系統(tǒng)恢復(fù)到穩(wěn)態(tài)所需的時間。例如，如果電壓調(diào)節(jié)失敗導(dǎo)致電壓偏差為-0.5 V，系統(tǒng)的時間常數(shù)為2 s，則電壓會在初始偏差后按指數(shù)規(guī)律逐漸恢復(fù)，但性能和穩(wěn)定性在此期間受到影響。公式（7）的邏輯原理如圖2所示。

2）熱過載。通常因調(diào)節(jié)器內(nèi)部或附屬電路的過熱造成。過熱不僅損害電子元件，還可能觸發(fā)安全保護機制，導(dǎo)致調(diào)節(jié)器功能中斷[4]。熱過載的熱動力學(xué)可以通過以下方程描述

式中：T表示調(diào)節(jié)器的溫度，P表示產(chǎn)生的熱功率，h表示熱傳遞系數(shù)，A表示散熱表面積，Tenv表示環(huán)境溫度，m和Cp分別表示調(diào)節(jié)器的質(zhì)量和比熱容。這個方程表明，散熱不足或過高的環(huán)境溫度都可能導(dǎo)致熱過載。熱過載風(fēng)險控制邏輯如圖3所示。

為了管理這些風(fēng)險，故障診斷技術(shù)如電壓監(jiān)測和溫度傳感已被廣泛應(yīng)用于調(diào)節(jié)器的設(shè)計中。實時監(jiān)測電壓和溫Zq/na//WPm/KOO8UImg6Iw==度可以及時發(fā)現(xiàn)異常，啟動保護機制，比如通過降低輸出或暫停操作來防止進一步損害。此外，預(yù)防措施如改進散熱設(shè)計和使用更高質(zhì)量的電子元件也是提高系統(tǒng)可靠性的關(guān)鍵。優(yōu)化散熱設(shè)計可通過提高熱傳遞系數(shù)h和增大散熱面積 A來實現(xiàn)，從而有效減少由熱過載引起的故障概率。

2 匹配設(shè)計與整車性能優(yōu)化

2.1 整車電氣系統(tǒng)需求分析

整車電氣系統(tǒng)的需求復(fù)雜多樣，主要包括動力電池的充電需求、車載電子設(shè)備的功率要求，以及整體系統(tǒng)的穩(wěn)定性和效率。這些需求對發(fā)電機調(diào)節(jié)器的參數(shù)設(shè)置提出了特定的要求，確保整車電氣系統(tǒng)的最優(yōu)運行。具體來說：

1）動力電池的充電需求。這一需求通常決定了發(fā)電系統(tǒng)的輸出電壓和電流規(guī)格。動力電池的充電電壓和最大充電電流是核心參數(shù)，通常依據(jù)電池管理系統(tǒng)（BMS）的指令進行調(diào)節(jié)。充電電流Ichange的需求可以根據(jù)電池容量C和希望的充電時間tchange計算得出

Ichange=。 （9）

假設(shè)一個50 kWh的電池如果需要在5 h內(nèi)充滿，則其充電電QLhWYXBWRhJiOQHQJXQGpA==流相關(guān)設(shè)置代入公式（9）后，可計算出具體值為50/5=10 A。此外，為了優(yōu)化充電效率并延長電池壽命，充電電壓必須精確控制，避免對電池造成過充或欠充的風(fēng)險。發(fā)電機的輸出電壓Vout必須精確匹配電池的充電電壓Vbattery，需要通過調(diào)節(jié)器來實現(xiàn)精細控制。

2）車載電子設(shè)備的功率要求。這一要求涵蓋了從基礎(chǔ)的照明和儀表顯示到高級的信息娛樂系統(tǒng)和自動駕駛輔助系統(tǒng)。設(shè)備的總功率需求Ptotal可以表示為各個設(shè)備功率Pi的總和

。 （10）

對于一個典型的現(xiàn)代汽車來說，Ptotal值可能從幾百瓦到超過一千瓦不等。發(fā)電機的輸出功率必須足以滿足這一需求，在設(shè)計時需考慮到最高負載情況下的功率儲備。

結(jié)合上述2項整車性能需求，發(fā)電機調(diào)節(jié)器的優(yōu)化參數(shù)設(shè)置必須考慮以下幾點。

電壓穩(wěn)定性。發(fā)電機的輸出電壓必須穩(wěn)定在充電電壓和最高電子設(shè)備使用電壓的適當(dāng)范圍內(nèi)，通常通過調(diào)節(jié)器的精確控制來實現(xiàn)。電壓穩(wěn)定性的公式可以通過控制系統(tǒng)的設(shè)計指標來定義，例如可以是：

， （11）

式中：Vset表示設(shè)定電壓，？啄V表示允許的電壓波動范圍。相關(guān)邏輯如圖4所示。

響應(yīng)速度。調(diào)節(jié)器必須快速響應(yīng)負載變化，以防電壓或電流突變影響電池充電和設(shè)備運行。響應(yīng)時間τ需要通過調(diào)節(jié)系統(tǒng)的動態(tài)特性來優(yōu)化，確保電壓調(diào)節(jié)迅速而準確。

散熱能力。鑒于發(fā)電機調(diào)節(jié)器在工作時可能產(chǎn)生的熱量，其散熱設(shè)計必須能夠有效地處理高功率下的熱負荷，保證調(diào)節(jié)器的長期穩(wěn)定運行。

總體來說，通過精確分析整車電氣系統(tǒng)的需求并據(jù)此設(shè)定發(fā)電機調(diào)節(jié)器的參數(shù)，可以大幅提升整車系統(tǒng)的性能和效率。這種系統(tǒng)的優(yōu)化不僅提高了能源利用效率，還確保了車輛運行的可靠性和安全性。

2.2 發(fā)電機調(diào)節(jié)器與整車系統(tǒng)的匹配

根據(jù)上文所述可知，發(fā)電機調(diào)節(jié)器作為整車電氣系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分，通過其參數(shù)的精準調(diào)整，能夠優(yōu)化整車系統(tǒng)的能效和性能。為確保調(diào)節(jié)器與整車系統(tǒng)的最佳匹配，必須綜合考慮發(fā)電機的工作特性、電池充電狀態(tài)和車輛的實際用電需求。具體的匹配設(shè)計案例分析如下：需要設(shè)定一種特定的行駛模式——城市交通峰值時段行駛。在這種模式下，車輛頻繁啟停，電氣負載的變化大且快速。此時，發(fā)電機調(diào)節(jié)器必須能夠快速響應(yīng)，實時調(diào)整輸出，以滿足動態(tài)變化的電力需求。

1）定義調(diào)節(jié)器的關(guān)鍵性能參數(shù)。①調(diào)節(jié)器響應(yīng)系數(shù)Kr，表示調(diào)節(jié)器對負載變化的響應(yīng)速度。Kr值越高，調(diào)節(jié)器對電壓波動的調(diào)整越快。②電壓穩(wěn)定系數(shù)KV，代表調(diào)節(jié)器維持電壓穩(wěn)定的能力。KV值越高，輸出電壓越穩(wěn)定。

2）根據(jù)城市交通峰值時段的特點，設(shè)定調(diào)節(jié)器的優(yōu)化目標函數(shù)：

，（12）

式中：？駐V（Kr）代表電壓波動值，與響應(yīng)系數(shù)成反比；Tr（Kr，KV）表示達到穩(wěn)定電壓所需時間，與響應(yīng)系數(shù)和電壓穩(wěn)定系數(shù)有關(guān)；？琢和？茁均為權(quán)重因子，根據(jù)使用場景的具體需求進行調(diào)整。具體的邏輯如圖5所示。

以此優(yōu)化目標函數(shù)為基礎(chǔ)，通過實際數(shù)據(jù)調(diào)整Kr和KV。例如，如果在峰值時段車輛的電氣系統(tǒng)反應(yīng)慢導(dǎo)致儀表盤等功能短暫失效，可能需要提高Kr值以增強系統(tǒng)的響應(yīng)速度。

假設(shè)初始狀態(tài)下，調(diào)節(jié)器的響應(yīng)系數(shù)Kr設(shè)定為0.8，電壓穩(wěn)定系數(shù)KV設(shè)定為0.9。在此狀態(tài)下，車輛在城市峰值期間的實測數(shù)據(jù)顯示電壓波動？駐V為0.1 V。通過實驗和動態(tài)仿真，確定？琢和？茁的適宜值分別為0.6和0.4。則原始優(yōu)化目標函數(shù)值為

F（0.8，0.9）=0.6·0.1+0.4·Tr（0.8，0.9）。

如果實驗確定Tr（0.8，0.9）為2 s，則原始狀態(tài)下的優(yōu)化目標函數(shù)值為

F（0.8，0.9）=0.6·0.1+0.4·2=0.86。

通過調(diào)整Kr和KV，減少Tr并降低？駐V，可以找到更優(yōu)的參數(shù)設(shè)置。設(shè)定Kr增加到0.95，KV提高到0.95，如果這樣調(diào)整后？駐V減少到0.05 V，同時Tr降低到1.5 s，則

F（0.95，+0.95）=0.6·0.05+0.4·1.5=0.63。

顯然，優(yōu)化后的目標函數(shù)值降低，表明整車系統(tǒng)的能效和性能得到了提升。

3 結(jié)論

綜上所述，本文從發(fā)電機調(diào)節(jié)器的基本功能和工作原理入手，詳細討論了調(diào)節(jié)器的參數(shù)設(shè)定對其性能的影響以及常見故障模式的風(fēng)險管理策略。此外，本文還分析了整車電氣系統(tǒng)的具體需求，并探索了發(fā)電機調(diào)節(jié)器參數(shù)如何與整車系統(tǒng)進行有效匹配。未來，隨著汽車電氣化和智能化水平的不斷提高，發(fā)電機調(diào)節(jié)器的設(shè)計將更加注重與車輛控制系統(tǒng)的整合，以實現(xiàn)更高效、更環(huán)保的汽車性能。

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