(天津城市建設管理職業(yè)技術學院，天津 300134)

引言

汽車的電子系統(tǒng)具有高度綜合性和集成性，現(xiàn)代汽車電子已經(jīng)發(fā)展為以計算機為核心、集成電路為基礎、傳感器為橋梁的新型格局。汽車越來越智能化，車載音響、車載電視、GPS、安全電子技術、自動空調技術等的應用對汽車供電系統(tǒng)的可靠性提出了更高的要求。這就要求汽車不但要有穩(wěn)定的整流器、高效的發(fā)電機，還需要有高性能的電壓調節(jié)器。

電壓調節(jié)器的作用就是當汽車發(fā)動機轉速變化和負載發(fā)生變化時，能自動控制發(fā)電機輸出電壓穩(wěn)定在規(guī)定范圍內(nèi)?，F(xiàn)代汽車上不斷出現(xiàn)新的電子設備，電壓調節(jié)器的功能也隨之不斷發(fā)展。

一、電壓調節(jié)器的發(fā)展過程

隨著科技的進步和集成電路技術的發(fā)展，電壓調節(jié)器的發(fā)展大致經(jīng)歷了以下階段 。

(一)觸點式調節(jié)器

觸點式調節(jié)器通過電磁振動工作，轉子繞組的勵磁電流由電磁鐵控制，以控制觸頭的斷開和閉合，從而實現(xiàn)對發(fā)電機電壓的調節(jié)。由于結構復雜，觸點式調節(jié)器質量和體積大，長期使用觸點容易燒蝕，壽命短，并且開閉動作緩慢，可靠性不高，對無線電干擾大，現(xiàn)已被淘汰。

(二)分立元件式調節(jié)器

分立元件調節(jié)器，也稱為晶體管電子調節(jié)器,由分立的電子元件組成。它將所有電子元件直接焊接到印刷電路板上，并將電路板固定在用硅橡膠封裝的鐵盒或鋁盒中。調節(jié)器通過晶體管的開關特性控制發(fā)電機的勵磁電流，以保持發(fā)電機輸出電壓恒定。與觸點式調節(jié)器相比，精度更高，體積小，成本更低，而且沒有無線電干擾。但是此類電子調節(jié)器受專業(yè)焊接技術影響較大，電子器件自身穩(wěn)定性對其性能的限制也比較大，產(chǎn)品一致性差、耐反壓能力差、抗沖擊性差，在汽車用電設備較少且功率要求不高的狀況下可以使用。

現(xiàn)在大多數(shù)低端載貨車和農(nóng)用車都使用分立元件電壓調節(jié)器來降低成本，圖1為低端卡車使用的分立元件電壓調節(jié)器原理圖。

圖1 分立元件電壓調節(jié)器原理圖

(三)集成電路調節(jié)器

集成電路電壓調節(jié)器現(xiàn)在廣泛用于汽車，其組成和工作原理類似于分立元件電壓調節(jié)器。不同的是，它將所有電路元件都集成在同一個半導體襯底上，形成獨立的、不可分離的電子電路。電壓調節(jié)器實現(xiàn)了小型化，可以形成整體式交流發(fā)電機安裝在汽車發(fā)電機內(nèi)部，既簡化了外部布線又減小了汽車充電系統(tǒng)的體積。

(四)混合集成電路電壓調節(jié)器

隨著汽車工業(yè)的發(fā)展，混合集成電路調節(jié)器應運而生，它滿足了市場對電壓調節(jié)器可靠性和多功能性的需求。目前市場上的大多數(shù)汽車(如捷達，夏利，桑塔納，卡羅拉等)都使用混合集成電路電壓調節(jié)器。它不僅可以確保發(fā)電機輸出電壓在各種惡劣環(huán)境下的穩(wěn)定性，還可以檢測汽車發(fā)電機、指示燈以及集成電路本身。可以設定預激磁頻率、切入轉速等，以滿足不同類型發(fā)電機的需要；同時，集成電路還帶有短路，過流和過溫保護等功能。

圖2 夏利汽車采用的集成電路電壓調節(jié)器電路圖

圖2顯示了夏利汽車使用的電壓調節(jié)器的電路圖。當VT1周期開啟與關閉時，發(fā)電機轉子電路循環(huán)開啟與關閉，發(fā)電機的輸出電壓被控制在設定范圍。同時電路中還增加了自診斷、電壓保護等功能。當發(fā)電機由于轉子繞組的開路等不發(fā)電時，調節(jié)器引腳P端子的電壓信號為零，控制VT2始終接通，充電指示燈亮起，提醒駕駛員汽車充電系統(tǒng)故障，實現(xiàn)了自診斷。當引腳IG和蓄電池的接線有斷線故障時， IG端子無法檢測到發(fā)電機輸出電壓信號，為了防止發(fā)電機輸出電壓失控，調節(jié)器可以根據(jù)P端子的電壓信號控制VT1導通與關斷。因此，發(fā)電機的輸出電壓能控制在13.6至16.3V的范圍內(nèi)。

圖3 豐田卡羅拉汽車集成電路電壓調節(jié)器原理圖

近年來，日本豐田卡羅拉和其他車輛廣泛使用如圖所示的電壓調節(jié)器。此種調節(jié)器采用發(fā)電機電壓檢測來調節(jié)電壓，許多功能與圖2所示的基本相同，同時增加了M端子和C端子，實現(xiàn)了在增加車輛動力的同時降低燃料消耗的功能，調節(jié)器更加智能化。M端子將晶體管T1的占空比傳送到ECU，ECU可以根據(jù)該信號調節(jié)發(fā)動機速度等。C端子的功能是根據(jù)發(fā)動機運行狀態(tài)將發(fā)電機調節(jié)電壓轉換為高或低電平。當發(fā)動機加速時，ECU內(nèi)的三極管導通，C端子輸出低電平，發(fā)電機輸出低電壓，這樣減少了發(fā)電機的發(fā)電量，提高了車輛的加速性能；當汽車正常運行時，ECU內(nèi)部的三極管斷開，C端子輸出高電平，發(fā)電機輸出高電壓，發(fā)電機正常發(fā)電。

二、電壓調節(jié)器的穩(wěn)壓方式

目前市場上常用的混合集成電路調節(jié)器，主要通過以下幾種方式來實現(xiàn)穩(wěn)壓。

(一)調節(jié)發(fā)電機勵磁電流

該調節(jié)方法主要控制發(fā)電機的勵磁電路接通或斷開或改變勵磁電流的大小，以控制發(fā)電機輸出電壓。當發(fā)電機的輸出電壓UoUmax(輸出電壓上限)時，調節(jié)器切斷勵磁電路，Uo開始下降；當Uo

采用調節(jié)勵磁電流控制的電壓調節(jié)器對發(fā)電機轉速的快速變化處理有延時，當發(fā)電機從無到有的建立中必然出現(xiàn)超調，同時勵磁電流的開關變化容易造成最終輸出電壓的小幅變化，從而降低輸出電壓的精確程度。

(二)LDO線性穩(wěn)壓器

LDO線性穩(wěn)壓器的結構和原理相對簡單，如圖4所示。Vamp將電壓源形成的參考電壓與輸出采樣電路形成的反饋電壓進行比較，輸出信號用于控制與發(fā)電機串聯(lián)連接的調整管，從而保證輸出電壓穩(wěn)定。這種調壓方式具有成本低、噪音低、靜態(tài)功耗小等優(yōu)點，近年來國內(nèi)的電壓調節(jié)器一般采用這種方式，通過不斷改變參考電壓源，比較電路和保護電路等參數(shù)來改善電路性能。但是LDO線性穩(wěn)壓器效率較低，通常只有40%～50%，當輸出電壓越低，其效率越低，不適用于低電壓高效率的系統(tǒng)。

圖4 LDO線性穩(wěn)壓器實現(xiàn)方式

(三)DC/DC轉換器

隨著混合動力汽車的出現(xiàn)，采用傳統(tǒng)穩(wěn)壓方式，發(fā)電機的輸出電壓及功率不能滿足汽車使用電壓的需求。因此，出現(xiàn)了將DC/DC轉換器作為電壓調節(jié)的電子調節(jié)器。DC/DC轉換器將DC輸入電壓轉換為更小或者更大的DC輸出電壓。這種電子調節(jié)器的轉換效率高、可以輸出大電流、靜態(tài)電流小，但是DC/DC轉換器結構比較復雜，高頻開關管噪聲比較嚴重，造價高。2017年由Sergio Saponara等人設計實現(xiàn)的電子調節(jié)器采用DC/DC轉換器結構，將直流2.5～60V的輸入電壓轉換為1～48V的輸出電壓，轉換效率達85%。圖5為具有外部元件的集成DC/DC控制器電路圖。

圖5 具有外部元件的集成DC/DC控制器電路圖

三、電壓調節(jié)器的勵磁控制

如何高效精準地控制發(fā)電機的勵磁電流將會影響調節(jié)器的穩(wěn)壓性能。隨著全控型器件(GTO、MOSFET、IGBT等)的產(chǎn)生，PWM(脈寬調制)控制方法逐漸應用于發(fā)電機的勵磁控制中。國外已經(jīng)推出了相應的電壓調節(jié)器，并且成功應用于實車系統(tǒng)中。通用的林蔭大道轎車，發(fā)動機控制模塊通過調節(jié)占空比發(fā)送PWM信號，以調節(jié)發(fā)電機勵磁電流；豐田的雷克薩斯轎車，發(fā)電機勵磁電流頻率調節(jié)范圍更寬。

勵磁控制器由傳統(tǒng)的集成電路硬件勵磁控制向以單片機、DSP、PLC等為基礎，應用現(xiàn)代控制策略建立仿真模型的數(shù)字控制器發(fā)展。電壓調節(jié)器向更加智能化的方向發(fā)展，既可以保證用電設備的正常工作，還可以提高燃料的利用率并降低車輛成本?，F(xiàn)在主要集中在研究如何產(chǎn)生適合的PWM波形，對發(fā)電機勵磁通斷進行控制。根據(jù)控制理論的發(fā)展，激磁控制方法經(jīng)歷了以下階段。

(一)PID勵磁控制

PID控制是發(fā)電機給定量與反饋量之間偏差的比例積分微分控制。PID控制現(xiàn)在應用比較廣泛，但是PID控制無法有效解決調節(jié)精度和穩(wěn)定性之間的矛盾，在控制非線性、參數(shù)結構不確定的復雜過程時并不理想。

(二)線性最優(yōu)勵磁控制

線性最優(yōu)控制采用二次型性能指標，設計了發(fā)電機線性最優(yōu)控制系統(tǒng)。然而這種控制方式需要系統(tǒng)完全可控，平衡時系統(tǒng)存在最優(yōu)解，參數(shù)確定，擾動只能為脈沖等條件限制，很難普遍應用。

(三)非線性勵磁控制

實際系統(tǒng)通常是一個非線性系統(tǒng)，它真實地反映了系統(tǒng)及其運行條件。仿真結果表明，非線性勵磁控制可以有效提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，對系統(tǒng)參數(shù)，結構和運行方式的變化具有很強的適應性。然而，非線性勵磁控制僅適用于放射非線性系統(tǒng)的理想狀態(tài)，并且采用該方式時要求參數(shù)必須確定。

(四)自適應勵磁控制

自適應勵磁控制系統(tǒng)可以自動跟蹤受控對象結構，參數(shù)等的動態(tài)變化，不斷修改控制器參數(shù)或調整控制策略，實現(xiàn)最優(yōu)控制。研究表明，自適應勵磁控制的控制效果優(yōu)于其他固定參數(shù)控制，但是需要在線學習，對各種工況進行調節(jié)，并用估計參數(shù)替代實際參數(shù)，算法復雜，計算量大。

(五)智能勵磁控制

目前研究比較多的如：模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡控制、專家系統(tǒng)控制以及基于遺傳算法的控制等。它們不依賴于受控對象的精確數(shù)學模型，而是依賴于智能廣義模型，將控制理論和人們的知識、經(jīng)驗和直覺推理相結合。它是一種可以處理非線性、不確定參數(shù)結構和復雜任務的數(shù)學模型。智能控制具有很多優(yōu)點，但是目前仍處于仿真實驗階段，是未來發(fā)展的方向。

汽車隨著負載和轉速變化，運行狀況不斷發(fā)生變化，采用單一固定參數(shù)的PID勵磁控制無法滿足汽車發(fā)電機動態(tài)精準調整電壓的要求。文獻中提出了一種采用簡單自適應勵磁控制與PID控制相結合的方法進行汽車PWM勵磁控制，實驗結果表明，當發(fā)電機突然啟動，發(fā)電機在正常運行后改變發(fā)電機轉速，PWM勵磁控制的發(fā)電機可以平穩(wěn)地建立電壓并具有良好的電壓穩(wěn)定性。

四、結語

全球汽車電壓調節(jié)器的供應鏈主要被歐美等國家控制，國內(nèi)企業(yè)整體規(guī)模較小，以中低端產(chǎn)品為主。經(jīng)過多年的發(fā)展，國產(chǎn)電壓調節(jié)器可以保證基本的電壓調節(jié)功能，同時滿足市場對多功能的需求，增加了過流，過熱保護，發(fā)電機轉子斷開顯示和電子調節(jié)器外部控制。但是由于電路復雜，國內(nèi)制造商還難以實現(xiàn)軟啟動、固定頻率等功能。

近幾年國內(nèi)汽車需求量的急劇上升，汽車的能耗和排放越來越受到重視。這對國內(nèi)汽車電壓調節(jié)器制造商提出了更高的要求，國內(nèi)對智能控制技術不斷研究，文件中提出的智能控制策略，智能化改造了傳統(tǒng)發(fā)電機。實際的車輛測試證明可以實現(xiàn)制動能量回收，并且燃料消耗減少了3.7%。在未來，隨著電子器件和控制理論的進一步發(fā)展，智能電子調節(jié)器能根據(jù)發(fā)電機的工作模式?jīng)Q定發(fā)電機電壓值，以改善汽車發(fā)電系統(tǒng)，達到節(jié)能的效果。