汽車發(fā)電機(jī)調(diào)節(jié)器參數(shù)與整車性能的匹配設(shè)計(jì)

摘 要：該文深入探討發(fā)電機(jī)調(diào)節(jié)器與整車系統(tǒng)的匹配問(wèn)題，著重分析如何通過(guò)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(shí)段的案例展開(kāi)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(biāo)函數(shù)，并以此為基礎(chǔ)，通過(guò)實(shí)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(dòng)與達(dá)到穩(wěn)定所需時(shí)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(jī)；調(diào)節(jié)器；參數(shù)；整車性能；匹配設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：U463.631 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：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(duì)發(fā)電機(jī)調(diào)節(jié)器的技術(shù)要求也在不斷提高。發(fā)電機(jī)調(diào)節(jié)器作為控制發(fā)電機(jī)輸出電壓和電流的核心部件，其性能直接影響到整車的動(dòng)力輸出、能耗以及電氣設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行。合理的參數(shù)設(shè)置和故障管理不僅能提高車輛的運(yùn)行效率，還能保證駕駛安全。因此，研究發(fā)電機(jī)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(jì)顯得尤為重要。

1 汽車發(fā)電機(jī)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(jī)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(xiàng)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(hù)電氣設(shè)備免受電壓波動(dòng)和過(guò)載的影響[1]。具體來(lái)說(shuō)：

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

Vout=k·n·？準(zhǔn)（E）， （1）

式中：Vout表示發(fā)電機(jī)的輸出電壓，k表示與發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)相關(guān)的常數(shù)，n表示轉(zhuǎn)速，？準(zhǔn)（E）是勵(lì)磁電流的函數(shù)，表征勵(lì)磁磁通的強(qiáng)度。調(diào)節(jié)器通過(guò)改變勵(lì)磁電流E，調(diào)整磁通？準(zhǔn)，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(guò)接收發(fā)電機(jī)的實(shí)時(shí)反饋信號(hào)來(lái)動(dòng)態(tài)調(diào)整勵(lì)磁電流。該過(guò)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(guò)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(lì)磁電流，e（t）表示設(shè)定電壓與實(shí)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(jī)制的原理，可以作如下假設(shè)：比如在某個(gè)瞬間，車輛電氣系統(tǒng)由于突加負(fù)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(jì)算出新的勵(lì)磁電流調(diào)整量，公式（2）代入數(shù)據(jù)后的表達(dá)式如下

E（t）=0.1·1+0.01·1，dt+0.05。

上述表達(dá)式表明，假設(shè)過(guò)去1 s內(nèi)e（t）始終為1 V，則積分項(xiàng)將貢獻(xiàn)額外的0.01 V，而微分項(xiàng)在e（t）沒(méi)有變化的情況下為0。因此，新的勵(lì)磁電流調(diào)整量為0.11 V?；谏鲜稣{(diào)節(jié)過(guò)程，調(diào)節(jié)器能夠快速響應(yīng)系統(tǒng)負(fù)載變化，保持發(fā)電機(jī)輸出電壓的穩(wěn)定，從而確保整車電氣系統(tǒng)的正常運(yùn)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(jī)調(diào)節(jié)器的關(guān)鍵參數(shù)，如設(shè)定電壓、響應(yīng)時(shí)間和穩(wěn)定性，對(duì)發(fā)電機(jī)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(jī)能夠維持的目標(biāo)電壓水平。設(shè)定電壓的選擇對(duì)發(fā)電機(jī)的運(yùn)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(yùn)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(yùn)行電壓，？駐V是考慮到負(fù)載變化和電壓損失后的一個(gè)安全邊際值。例如，如果Vopt=14.2 V，考慮到負(fù)載波動(dòng)可能帶來(lái)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(shí)間。此為衡量調(diào)節(jié)器性能的關(guān)鍵指標(biāo)之一，用于反映調(diào)節(jié)器從檢測(cè)到電壓變化到實(shí)際響應(yīng)這一變化所需的時(shí)間?？焖俚捻憫?yīng)時(shí)間對(duì)于維持電壓穩(wěn)定至關(guān)重要，尤其是在負(fù)載突然變化時(shí)。響應(yīng)時(shí)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(dòng)態(tài)特性有關(guān)。響應(yīng)時(shí)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(duì)擾動(dòng)時(shí)保持輸出不變的能力有關(guān)。系統(tǒng)的穩(wěn)定性可以通過(guò)增益裕度和相位裕度來(lái)量化。穩(wěn)定性的計(jì)算依賴于開(kāi)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(kāi)環(huán)增益，？棕c和？棕分別表示截止頻率和系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行頻率。總體來(lái)說(shuō)，穩(wěn)定性指標(biāo)始終處于穩(wěn)定狀態(tài)，能夠確保在系統(tǒng)動(dòng)態(tài)變化或負(fù)載波動(dòng)時(shí)，輸出電壓能夠迅速穩(wěn)定。

1.3 故障模式與風(fēng)險(xiǎn)管理

發(fā)電機(jī)調(diào)節(jié)器的故障模式多樣，其中最常見(jiàn)的包括電壓調(diào)節(jié)失敗和熱過(guò)載。這些故障不僅威脅到發(fā)電機(jī)本身的效率和壽命，還可能對(duì)整車的性能和安全造成嚴(yán)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(cuò)誤引起的。當(dāng)調(diào)節(jié)器無(wú)法正確調(diào)整勵(lì)磁電流以響應(yīng)負(fù)載變化時(shí)，會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)電壓不穩(wěn)定。這種故障的影響可以通過(guò)系統(tǒng)的電壓響應(yīng)函數(shù)來(lái)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(duì)數(shù)，t表示系統(tǒng)的時(shí)間常數(shù)，代表系統(tǒng)恢復(fù)到穩(wěn)態(tài)所需的時(shí)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(shí)間常數(shù)為2 s，則電壓會(huì)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(guò)載。通常因調(diào)節(jié)器內(nèi)部或附屬電路的過(guò)熱造成。過(guò)熱不僅損害電子元件，還可能觸發(fā)安全保護(hù)機(jī)制，導(dǎo)致調(diào)節(jié)器功能中斷[4]。熱過(guò)載的熱動(dòng)力學(xué)可以通過(guò)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(gè)方程表明，散熱不足或過(guò)高的環(huán)境溫度都可能導(dǎo)致熱過(guò)載。熱過(guò)載風(fēng)險(xiǎn)控制邏輯如圖3所示。

為了管理這些風(fēng)險(xiǎn)，故障診斷技術(shù)如電壓監(jiān)測(cè)和溫度傳感已被廣泛應(yīng)用于調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)中。實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電壓和溫Zq/na//WPm/KOO8UImg6Iw==度可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)異常，啟動(dòng)保護(hù)機(jī)制，比如通過(guò)降低輸出或暫停操作來(lái)防止進(jìn)一步損害。此外，預(yù)防措施如改進(jìn)散熱設(shè)計(jì)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(jì)可通過(guò)提高熱傳遞系數(shù)h和增大散熱面積 A來(lái)實(shí)現(xiàn)，從而有效減少由熱過(guò)載引起的故障概率。

2 匹配設(shè)計(jì)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(dòng)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(duì)發(fā)電機(jī)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(yùn)行。具體來(lái)說(shuō)：

1）動(dòng)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(dòng)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(jìn)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(shí)間tchange計(jì)算得出

Ichange=。 （9）

假設(shè)一個(gè)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(jì)算出具體值為50/5=10 A。此外，為了優(yōu)化充電效率并延長(zhǎng)電池壽命，充電電壓必須精確控制，避免對(duì)電池造成過(guò)充或欠充的風(fēng)險(xiǎn)。發(fā)電機(jī)的輸出電壓Vout必須精確匹配電池的充電電壓Vbattery，需要通過(guò)調(diào)節(jié)器來(lái)實(shí)現(xiàn)精細(xì)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(jí)的信息娛樂(lè)系統(tǒng)和自動(dòng)駕駛輔助系統(tǒng)。設(shè)備的總功率需求Ptotal可以表示為各個(gè)設(shè)備功率Pi的總和

。 （10）

對(duì)于一個(gè)典型的現(xiàn)代汽車來(lái)說(shuō)，Ptotal值可能從幾百瓦到超過(guò)一千瓦不等。發(fā)電機(jī)的輸出功率必須足以滿足這一需求，在設(shè)計(jì)時(shí)需考慮到最高負(fù)載情況下的功率儲(chǔ)備。

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

電壓穩(wěn)定性。發(fā)電機(jī)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(guò)調(diào)節(jié)器的精確控制來(lái)實(shí)現(xiàn)。電壓穩(wěn)定性的公式可以通過(guò)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)指標(biāo)來(lái)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(dòng)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(fù)載變化，以防電壓或電流突變影響電池充電和設(shè)備運(yùn)行。響應(yīng)時(shí)間τ需要通過(guò)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性來(lái)優(yōu)化，確保電壓調(diào)節(jié)迅速而準(zhǔn)確。

散熱能力。鑒于發(fā)電機(jī)調(diào)節(jié)器在工作時(shí)可能產(chǎn)生的熱量，其散熱設(shè)計(jì)必須能夠有效地處理高功率下的熱負(fù)荷，保證調(diào)節(jié)器的長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行。

總體來(lái)說(shuō)，通過(guò)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(jī)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(yùn)行的可靠性和安全性。

2.2 發(fā)電機(jī)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(jī)調(diào)節(jié)器作為整車電氣系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分，通過(guò)其參數(shù)的精準(zhǔn)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(jī)的工作特性、電池充電狀態(tài)和車輛的實(shí)際用電需求。具體的匹配設(shè)計(jì)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(shí)段行駛。在這種模式下，車輛頻繁啟停，電氣負(fù)載的變化大且快速。此時(shí)，發(fā)電機(jī)調(diào)節(jié)器必須能夠快速響應(yīng)，實(shí)時(shí)調(diào)整輸出，以滿足動(dòng)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(duì)負(fù)載變化的響應(yīng)速度。Kr值越高，調(diào)節(jié)器對(duì)電壓波動(dòng)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(shí)段的特點(diǎn)，設(shè)定調(diào)節(jié)器的優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)：

，（12）

式中：？駐V（Kr）代表電壓波動(dòng)值，與響應(yīng)系數(shù)成反比；Tr（Kr，KV）表示達(dá)到穩(wěn)定電壓所需時(shí)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(chǎng)景的具體需求進(jìn)行調(diào)整。具體的邏輯如圖5所示。

以此優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)為基礎(chǔ)，通過(guò)實(shí)際數(shù)據(jù)調(diào)整Kr和KV。例如，如果在峰值時(shí)段車輛的電氣系統(tǒng)反應(yīng)慢導(dǎo)致儀表盤(pán)等功能短暫失效，可能需要提高Kr值以增強(qiáng)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(shí)測(cè)數(shù)據(jù)顯示電壓波動(dòng)？駐V為0.1 V。通過(guò)實(shí)驗(yàn)和動(dòng)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(biāo)函數(shù)值為

F（0.8，0.9）=0.6·0.1+0.4·Tr（0.8，0.9）。

如果實(shí)驗(yàn)確定Tr（0.8，0.9）為2 s，則原始狀態(tài)下的優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)值為

F（0.8，0.9）=0.6·0.1+0.4·2=0.86。

通過(guò)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(shí)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(biāo)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(jī)調(diào)節(jié)器的基本功能和工作原理入手，詳細(xì)討論了調(diào)節(jié)器的參數(shù)設(shè)定對(duì)其性能的影響以及常見(jiàn)故障模式的風(fēng)險(xiǎn)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(jī)調(diào)節(jié)器參數(shù)如何與整車系統(tǒng)進(jìn)行有效匹配。未來(lái)，隨著汽車電氣化和智能化水平的不斷提高，發(fā)電機(jī)調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)將更加注重與車輛控制系統(tǒng)的整合，以實(shí)現(xiàn)更高效、更環(huán)保的汽車性能。

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