汽車充電系統(tǒng)的發(fā)展歷程、現(xiàn)狀及未來趨勢(shì)

張培杰

摘 要：傳統(tǒng)汽車上普遍具有兩個(gè)電源，一個(gè)是蓄電池，另一個(gè)是發(fā)電機(jī)。蓄電池的主要作用是汽車起動(dòng)時(shí)，向起動(dòng)機(jī)、點(diǎn)火系統(tǒng)、電控單元等供電;或者在發(fā)電機(jī)不發(fā)電、發(fā)動(dòng)機(jī)不工作時(shí)供電。而發(fā)電機(jī)基本承擔(dān)著汽車行駛過程中所有用電設(shè)備的供電，同時(shí)對(duì)蓄電池充電，始終保持蓄電池的電量處于富足的狀態(tài)，以便下一次起動(dòng)用。蓄電池和發(fā)電機(jī)共同組成為汽車充電系統(tǒng)，為汽車的所有工作狀態(tài)提供了可靠的電源保證。隨著時(shí)代的發(fā)展，充電系統(tǒng)的組成和工作原理方案，從早期的機(jī)械觸點(diǎn)式電壓調(diào)節(jié)發(fā)展到了現(xiàn)代的智能電源管理系統(tǒng)。本文將從汽車充電系的組成及原理角度簡(jiǎn)要闡述其發(fā)展歷程和現(xiàn)狀，并總結(jié)其未來發(fā)展趨勢(shì)。

關(guān)鍵詞：充電系統(tǒng) 負(fù)荷 原理

1 汽車充電系統(tǒng)的組成及原理

汽車充電系一般由發(fā)電機(jī)、蓄電池、點(diǎn)火開關(guān)、充電指示燈等。發(fā)電機(jī)在發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)后開始發(fā)電，并向汽車電氣、電控系統(tǒng)供電，同時(shí)給蓄電池進(jìn)行充電。

發(fā)電機(jī)由轉(zhuǎn)子、定子、整流器、電壓調(diào)節(jié)器等組成。定子發(fā)出的三相交流經(jīng)過整流器整流后變成脈動(dòng)的直流電，因?yàn)樵撾妷簳?huì)隨著發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速變化而變化，因此發(fā)電機(jī)當(dāng)中的電壓調(diào)節(jié)器通過控制轉(zhuǎn)子勵(lì)磁繞組的通斷實(shí)現(xiàn)了對(duì)于電壓的穩(wěn)定調(diào)節(jié)，使其始終保持在14V左右，對(duì)車載電氣系統(tǒng)進(jìn)行供電。

從發(fā)展歷程來看，發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子、定子、整流器這三大組成部分基本沒變。但是電調(diào)節(jié)器隨著時(shí)代的發(fā)展不斷地進(jìn)行演變，其類型以及在整個(gè)充電系統(tǒng)中的控制方式?jīng)Q定著充電系統(tǒng)方案的差異。

現(xiàn)代汽車充電系統(tǒng)中，更是引入了負(fù)荷管理和智能充電，整個(gè)充電系的組成又進(jìn)一步擴(kuò)大到車身控制單元、發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元等。其對(duì)于汽車充電系統(tǒng)的功能相對(duì)于傳統(tǒng)的有了進(jìn)一步的突破。

2 充電系統(tǒng)的分類

依照充電系統(tǒng)的功能及組成，將其分為以下三類：

2.1 純電壓調(diào)節(jié)型充電系統(tǒng)

該類型的充電系統(tǒng)也最傳統(tǒng)的充電系統(tǒng)，由發(fā)電機(jī)、蓄電池、點(diǎn)火開關(guān)、充電指示燈組成。在該系統(tǒng)當(dāng)中，扮演關(guān)鍵角色的電壓調(diào)節(jié)器。

該系統(tǒng)原理方案圖如圖1：

當(dāng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速上升時(shí)，電壓調(diào)節(jié)器檢測(cè)到發(fā)電電壓超過預(yù)定值，通過控制轉(zhuǎn)子線圈電路的平均閉合時(shí)間減少（即達(dá)到減小發(fā)電機(jī)平均勵(lì)磁電流目的，以減小磁通量）使得發(fā)電機(jī)的輸出電壓保不變。當(dāng)發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速降低時(shí)，電壓調(diào)節(jié)器檢測(cè)到發(fā)電電壓低于預(yù)定值，通過控制轉(zhuǎn)子線圈電路的平均閉合時(shí)間增加（即達(dá)到增大發(fā)電機(jī)平均勵(lì)磁電流目的，以增加磁通量）使得發(fā)電機(jī)的輸出電壓保不變。

電壓調(diào)節(jié)器最早采用觸點(diǎn)式電壓調(diào)節(jié)器，因其觸點(diǎn)振動(dòng)頻率慢、機(jī)械慣性和電磁慣性大、電磁干擾大、可靠性差、壽命短、早已淘汰。取而代之的是晶體管式的電壓調(diào)節(jié)器。隨著集成電路技術(shù)的發(fā)展，晶體管式的電壓調(diào)節(jié)器被集成式的取代。集成電路調(diào)節(jié)器除具有晶體管調(diào)節(jié)器的優(yōu)點(diǎn)外，還超小型，可安裝于發(fā)電機(jī)的內(nèi)部，減少了外接線，并且冷卻效果得到了改善。

本質(zhì)上來講，帶有這三種電壓調(diào)節(jié)器的充電系統(tǒng)其實(shí)可以算是一個(gè)類型。因其功能只是簡(jiǎn)單的講發(fā)電機(jī)發(fā)電電壓限制值規(guī)定之內(nèi)，只是電路原理方法不一樣而已。對(duì)于外部電氣負(fù)載變化時(shí)無法起到積極主動(dòng)的調(diào)節(jié)作用，見圖2。

從發(fā)電機(jī)的外特性和空載特性可以知道：發(fā)動(dòng)機(jī)處于怠速的時(shí)候，其輸出電壓一定，若電氣負(fù)荷變大，會(huì)導(dǎo)致發(fā)電機(jī)的端電壓下降。若負(fù)載過大，最終會(huì)造成發(fā)電機(jī)供電不穩(wěn)。若想有效解決這個(gè)問題，從發(fā)電機(jī)的空載特性入手，可以采用提高發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速，以此可提高供電電流。

因此對(duì)于這一類的充電系統(tǒng)，顯然無法解決這個(gè)讓發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速隨著電氣負(fù)荷進(jìn)行調(diào)節(jié)的功能。

2.2 負(fù)荷反饋型充電系統(tǒng)

為解決前一種類型充電系統(tǒng)出現(xiàn)的問題，帶負(fù)荷反饋的充電系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。該類型的充電系統(tǒng)的組成中多了發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元，其原理圖如下圖3：

該系統(tǒng)方案保留了原有的結(jié)構(gòu)類型，在調(diào)節(jié)器這個(gè)零部件上做更改。該類型的調(diào)節(jié)器帶有負(fù)荷反饋功能，將發(fā)電機(jī)的負(fù)荷情況發(fā)送給發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元，發(fā)動(dòng)機(jī)一旦判斷電氣負(fù)荷在目前轉(zhuǎn)速下過大，就會(huì)發(fā)出指令提高發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，已達(dá)到提高發(fā)電量的目的。

典型的系統(tǒng)有比如豐田車系的充電系，如下圖。早期豐田車系發(fā)電機(jī)的電壓調(diào)節(jié)器為三線制，分別為S、IG、L。S接蓄電池，作為檢測(cè)蓄電池電壓用;IG接點(diǎn)火開關(guān)，為電壓調(diào)節(jié)器提供工作電壓;L充電指示燈。后來豐田車系上發(fā)電機(jī)電壓調(diào)節(jié)器多了M端子，連接至發(fā)動(dòng)機(jī)ECU（或空調(diào)放大器），主要進(jìn)行負(fù)荷反饋。同類型系統(tǒng)方案在同時(shí)期三菱、本田、通用等品牌亦有使用。

2.3 智能型充電系統(tǒng)

伴隨著電控技術(shù)的、車載網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展以及日益嚴(yán)格的法規(guī)對(duì)于汽車性能的要求，充電系統(tǒng)逐漸發(fā)展成智能型。該系統(tǒng)類似于新能源汽車上動(dòng)力電池管理系統(tǒng)，既能進(jìn)行負(fù)荷管理，又能對(duì)蓄電池進(jìn)行監(jiān)控和充電控制，充分協(xié)調(diào)系統(tǒng)的均衡性，延長蓄電池的使用壽命，提高整車電氣系統(tǒng)的穩(wěn)定性。該類型充電系統(tǒng)的故障指示也不再類似于前兩者依賴于電壓調(diào)節(jié)器控制充電指示燈來指示充電狀態(tài)。其在系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)上加入蓄電池傳感器及電源管理系統(tǒng)，當(dāng)電源管理系統(tǒng)根據(jù)電機(jī)、蓄電池工作狀況以及負(fù)荷情況等綜合分析判斷系統(tǒng)出現(xiàn)問題則儲(chǔ)存相應(yīng)故障碼，并通過通訊網(wǎng)絡(luò)報(bào)告儀表使其點(diǎn)亮充電指示燈。典型的系統(tǒng)有大眾的負(fù)荷管理充電系統(tǒng)、福特的智能再生充電系統(tǒng)（奔馳、寶馬、豐田、本田、日產(chǎn)的與福特類似）。

2.3.1 大眾車系的負(fù)荷管理充電系統(tǒng)

大眾車系的充電系統(tǒng)原理圖如下圖5：

該充電系統(tǒng)中，控制單元根據(jù)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、電瓶電壓、發(fā)電機(jī)的DFM信號(hào)來進(jìn)行綜合控制。DFM針腳，為發(fā)電機(jī)負(fù)載報(bào)告接口，以脈寬調(diào)制的方式（占空比），向發(fā)動(dòng)機(jī)管理系統(tǒng)報(bào)告自己當(dāng)前轉(zhuǎn)速下的負(fù)荷。ECU會(huì)通過負(fù)荷數(shù)據(jù)來調(diào)整發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩和轉(zhuǎn)速。如發(fā)電機(jī)報(bào)告負(fù)荷接近100%，則ECU會(huì)提高轉(zhuǎn)速，以提升發(fā)電量，降低發(fā)電機(jī)相對(duì)負(fù)荷值。L針腳為發(fā)電機(jī)充電指示燈控制端，該信號(hào)輸入到車載網(wǎng)絡(luò)單元J519，然后J519以總線的通訊形式輸送到儀表控制單元，從而控制充電指示燈的亮滅。

負(fù)荷能量管理的任務(wù)是在保證安全的前提下，適當(dāng)?shù)年P(guān)閉舒適功能的用電設(shè)備，以確保蓄電池有足夠的電能使發(fā)動(dòng)機(jī)順利起動(dòng)和正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

2.3.2 福特車系的智能充電系統(tǒng)

智能電池充電結(jié)合智能電池管理系統(tǒng)，能夠監(jiān)控電池的狀態(tài)，提高電池的利用率，防止電池出現(xiàn)過充電和過放電，延長電池的使用壽命。同時(shí)，對(duì)于燃油經(jīng)濟(jì)性和排放特性，也有一定的改善作用。

福特車系的充電系統(tǒng)原理圖如下：

智能再生充電系統(tǒng)的最大元件存儲(chǔ)在BCM模塊內(nèi)。它通過LIN數(shù)據(jù)總線接收蓄電池檢測(cè)傳感器發(fā)出的所有重要的蓄電池工況信息（蓄電池電壓、電流、溫度）并計(jì)算發(fā)電機(jī)充電電壓的要求設(shè)定值。然后通過HS-BCM數(shù)據(jù)總線由CAN將設(shè)定值送給PCM。如果有必要?jiǎng)t調(diào)整接受值，將其通過LIN數(shù)據(jù)總線傳送至發(fā)電機(jī)。

PCM同時(shí)控制并監(jiān)控發(fā)電機(jī)輸出。當(dāng)電流補(bǔ)償高或蓄電池放電時(shí)，PCM需要根據(jù)需要提高發(fā)動(dòng)機(jī)速度，從而增加發(fā)電機(jī)輸出。在發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)過程中，PCM關(guān)閉發(fā)電機(jī)，以降低發(fā)電機(jī)載荷并提高啟動(dòng)速遞。一旦發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)，PCM緩慢將發(fā)電機(jī)輸出提高到預(yù)期電壓值。蓄電池低溫時(shí)以高壓充電和溫度高時(shí)以低壓充電可以保證蓄電池充電更高效。

配備BMS（蓄電池管理系統(tǒng)）除了管理發(fā)電機(jī)給蓄電池充電并監(jiān)控蓄電池充電狀態(tài)，還可以使用甩負(fù)荷測(cè)量幫助控制蓄電池放電，并在可能的情況下防止蓄電池充電狀態(tài)過低。

3 汽車充電系統(tǒng)的未來發(fā)展趨勢(shì)

目前汽車充電系統(tǒng)已經(jīng)很好地和車載網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)聯(lián)合在一起，實(shí)現(xiàn)了更加智能化的控制。提高汽車電源系統(tǒng)性能的同時(shí)，更大化地延長了零部件的使用壽命，相對(duì)于傳統(tǒng)的充電系統(tǒng)有了很大的提升。未來的充電系統(tǒng)當(dāng)中，電控上必將是在現(xiàn)有的基礎(chǔ)上進(jìn)行進(jìn)一步的完善和改進(jìn)，旨在提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和耐用性。

新能源汽車上充電、管理系統(tǒng)系統(tǒng)的先進(jìn)技術(shù)同樣可以應(yīng)用到傳統(tǒng)燃油車充電系統(tǒng)上，使其更加完善;發(fā)動(dòng)機(jī)減速、汽車滑行、汽車制動(dòng)等工況下的能量回收系統(tǒng)，同樣可以與充電系統(tǒng)進(jìn)行結(jié)合，進(jìn)一步提升汽車性能，節(jié)能減排;無線充電技術(shù)在各領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用未來在汽車上的應(yīng)用未嘗不可。

除了系統(tǒng)上的發(fā)展，在設(shè)計(jì)布置上、零部上同樣也可以進(jìn)步一的優(yōu)化。如發(fā)電機(jī)中引入電磁離合器的控制以減少高轉(zhuǎn)速下的NVH（福特已使用）;新型電池的投入使用以提高系統(tǒng)的耐用性（如大容量鋰電池）;電池中內(nèi)置BMS模塊以減少系統(tǒng)復(fù)雜程度（比亞迪新能源電壓電池中已使用）;ISG電機(jī)的投入使用以便于更緊湊的結(jié)構(gòu)布置建設(shè)能耗和更好地能量回收（微混系統(tǒng)）。

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