由于常規(guī)發(fā)電機性能的限制，未來的42V車用電源不得不考慮采用新型的啟動-發(fā)電機。該啟動-發(fā)電機除了具有更大的功率和更高的效率之外，還肩負著其它功能。本文將對比各種不同類型的啟動-發(fā)電機，闡述由西門子VDO汽車公司（位于德國維茨堡）研制的采用異步發(fā)電機的啟動-發(fā)電機系統(tǒng)。
一、啟動-發(fā)電機的基本方案
如果可以選擇，人們情愿選擇外部解決方式，利用這種解決方式，電機經(jīng)過傳動帶或齒輪傳動變速與動力傳動系相連。不過，一般這種傳動大大限制了可傳送的功率，而且還必須考慮機械傳動時的其它損耗。根據(jù)各汽車制造商的意見，外部啟動-發(fā)電機與電源電壓無關(guān)，一般只適用于傳送較小的功率。為此，西門子VDO汽車公司研發(fā)出這一一體化解決方式。圖2顯示的是建立在12V基礎(chǔ)之上的帶有一個雙離合器系統(tǒng)的一體化啟動-發(fā)電機。
啟動過程中，兩個離合器處于分離狀態(tài)；電機轉(zhuǎn)子首先被單獨加速；其慣量矩將幫助發(fā)動機和啟動-發(fā)電機之間的離合器閉合（飛輪啟動）。
過渡到42V電源電壓可以顯著提高啟動-發(fā)電機的功率。在這種情況下，可以放棄第二個離合器；直接啟動發(fā)動機，既可以應(yīng)用圖3帶有離合器的手動換擋變速機構(gòu)，也可以應(yīng)用帶有變矩器的自動變速機構(gòu)。但原則上42V啟動-發(fā)電機也可以采用雙離合器系統(tǒng)。
西門子VDO公司追求的目標(biāo)是，用啟動-發(fā)電機提高電源供電能力。出于這方面的緣故，采用42V制式的一體化啟動-發(fā)電機具有這樣的優(yōu)先解決辦法（圖1中用粗線來強調(diào)）。在多數(shù)情況下，采用第二個離合器的費用太高了，以至于生產(chǎn)廠商更偏愛直接啟動的離合器閉合式解決辦法。在這種情況下，電機和整個系統(tǒng)大多要放在一起考慮，一方面要考慮冷啟動時電源能夠提供的電瓶功率，另一方面還要考慮提供足夠高的發(fā)電機功率。所以接下來的考慮涉及到了如圖3所示的直接啟動的42V啟動-發(fā)電機。
二、對一體化啟動-發(fā)電機系統(tǒng)的獨特要求
2、機械限制
在車內(nèi)的安裝空間原則上有限制，尤其是對電機而言。因為它直接布置在曲軸上，一般電機運動部分的最大許用外徑在250～350mm之間，最小許用內(nèi)徑在150～250mm之間，允許電機軸向總長在60～120mm之間變化。甚至對電子控制單元（ECU）也有安裝體積限制。但因為ECU可以安裝在車內(nèi)不同的位置上，因此具有較大的靈活性。
3、特殊邊界條件
在汽車的整個壽命期內(nèi)，一體化啟動-發(fā)電機系統(tǒng)必須保持其功效性。為了獲得相應(yīng)的證書，必須按照ICE68第二部分進行一系列試驗。
這些試驗對電機的要求極高，電機必須能夠無妨害地吸收發(fā)動機和傳動裝置的震動，甚至在高達14000r/min的轉(zhuǎn)速情況下出現(xiàn)的離心力也必須得到機械控制。電機繞組必須能夠承受得住180℃的持續(xù)高溫和高達200℃的最大高溫，而且必須進行高溫老化試驗。電機必須能耐大量的化學(xué)制品，這一要求涉及到全部電機部件，特別是繞組的絕緣部分。此外，還必須證明其耐金屬粉末性，這些金屬粉末將導(dǎo)致機械磨損和損害繞組。
三、一體化啟動-發(fā)電機可使用的各種電機
異步電機具有許多優(yōu)勢，因此，西門子VDO汽車公司為一體化啟動-發(fā)電機的應(yīng)用推薦了異步電機，只有在安裝空間極其有限的情況下才可能采用同步電機。因為西門子VDO汽車公司認為，目前還無法解決安全性問題，而且同步電機也不可能制作得任意小。對異步電機有利的起決定性作用的是結(jié)實程度、人員安全性和價格等方面的優(yōu)點。采用異步電機的一體化啟動-發(fā)電機系統(tǒng)已在各汽車制造廠家的試驗車上成功地通過了夏季和冬季試驗。
四、采用異步電機的一體化啟動-發(fā)電機
目前，仍然需要保留普通的14V電源，因為幾乎所有用電設(shè)備都是為該電壓制式設(shè)計的。為此，在從14V到42V的過渡階段，一體化啟動-發(fā)電機需要提供一種額外的DC/DC（直流/直流）換流器，以供標(biāo)準(zhǔn)14V用電設(shè)備用。一般在汽車上除安裝著42V蓄電瓶之外，還配備有一個額外的14V蓄電瓶作為額外的儲能器用。西門子VDO汽車公司使用的DC/DC換流器以標(biāo)準(zhǔn)方式融合在電子控制單元里，并以標(biāo)準(zhǔn)方式將持續(xù)功率設(shè)計為2kW。一般采用的是雙向作用的換流器。采用這種換流器，14V的蓄電瓶功率既可額外提供冷啟動，也可以從14V蓄電瓶向42V蓄電瓶補充電。為了避免DC/DC換流器中不必要的損耗，尤其是裝備有42V一體化啟動-發(fā)電機的大功率用電設(shè)備將直接采用42V電平工作。
異步電機將根據(jù)電磁場的取向而調(diào)整其運作。為了進行電磁場定向調(diào)整，必須了解曲軸轉(zhuǎn)數(shù)，該轉(zhuǎn)數(shù)將由曲軸傳感器提供。該傳感器也使適時調(diào)整發(fā)動機點火正時成為可能。
除了啟動過程之外，發(fā)動機還給其規(guī)定了轉(zhuǎn)數(shù)。調(diào)整一體化啟動-發(fā)電機，通過局域網(wǎng)絡(luò)總線收到了扭矩值，該扭矩值在處于發(fā)電狀況時取消了負面影響，借助下面的電流調(diào)節(jié)回路將把該額定值調(diào)整到與曲軸的一致。
通過局域網(wǎng)絡(luò)總線可以同車上的上級調(diào)節(jié)裝置完全連通。該監(jiān)控裝置不僅肩負著扭矩管理，而且還肩負著車上電源管理。此外，該監(jiān)控裝置經(jīng)過局域網(wǎng)絡(luò)總線進行發(fā)動機控制、變速箱控制（僅在自動變速箱時）、蓄電瓶管理、負荷管理和并非最后的一體化啟動-發(fā)電機調(diào)節(jié)。
監(jiān)控裝置的必要性是很明顯的：假如駕駛員想用力加速，則一體化啟動-發(fā)電機可以提供一部分必需的扭矩。但是，如果同時有許多電器設(shè)備在工作，則必須具有很高的發(fā)電機功率。就啟動-發(fā)電機系統(tǒng)而言，存在著目標(biāo)沖突：它必須同時進行啟動和發(fā)電。在這種情況下，監(jiān)控裝置通過預(yù)先規(guī)定的相應(yīng)的扭矩值作出裁決，一體化啟動-發(fā)電機系統(tǒng)應(yīng)該執(zhí)行兩個功能的哪一個。這種裁決將受蓄電瓶充電狀況的影響，或者受異步電機繞組溫度的影響，一體化啟動-發(fā)電機系統(tǒng)除了將一系列其他數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)達給監(jiān)控裝置之外，也將該繞組溫度轉(zhuǎn)達給監(jiān)控裝置。
五、采用異步電機的一體化啟動-發(fā)電機性能
下面的結(jié)果都是從外面模擬取得的。不過，西門子VDO汽車公司的實踐經(jīng)驗表明，一般來說，計算和測量之間的一致性極高。這里繪出了作為轉(zhuǎn)數(shù)函數(shù)的最大允許持續(xù)功率。同樣繪出的還有屬于該工作點的制動力矩和系統(tǒng)效率。整個系統(tǒng)的效率由電機和電子控制單元組成，而非僅僅是電機的效率。
必須指出，雖然在小轉(zhuǎn)數(shù)時可以有很高的輸出功率。所以必須保障發(fā)動機在低轉(zhuǎn)數(shù)時也能提供這樣的扭矩。否則，一體化啟動-發(fā)電機系統(tǒng)必須工作在半負荷區(qū)。
在小轉(zhuǎn)數(shù)區(qū)發(fā)動機具有高效率的扭矩支撐，在800r/min時，扭矩為100N·m，而在1000r/min時至少還能達到75N·m。這一額外扭矩可以用于提高汽車行駛動力性。不過，通常在會車時該發(fā)動機扭矩將被監(jiān)控裝置收回。結(jié)果，提高了總效率并降低了油耗和廢氣排放。另外，也可以有針對性地利用一體化啟動-發(fā)電機的額外扭矩，以便人們從一開始便將發(fā)動機做得較小。
為了實現(xiàn)啟動-停機功能，在從停機到600r/min的怠速轉(zhuǎn)數(shù)范圍內(nèi)必須具有很高的扭矩。因為在重新啟動時，發(fā)動機必須在200～300ms的極短時間內(nèi)啟動起來。在這么短的時間間隔內(nèi)發(fā)動機必須由一體化啟動-發(fā)電機以怠速轉(zhuǎn)數(shù)加速；當(dāng)達到這一轉(zhuǎn)數(shù)時，才開始噴油過程。只要采用這種方法便可以達到想要的低油耗和低廢氣排放。為了實現(xiàn)啟動-停機功能，通常停機狀態(tài)的200N·m和怠速狀態(tài)的72N·m間的扭矩已經(jīng)繪在了圖9上。熱啟動也不存在任何問題。如果按照圖10提供極高的扭矩，也不對蓄電瓶功率加以限制，兩個功能便可以極其順暢地實施。
目前，西門子VDO汽車公司的一體化啟動-發(fā)電機系統(tǒng)正在接受各汽車生產(chǎn)廠家的啟動功能、再生制動試驗，主要是啟動-停機功能的考核試驗。這些廠家公布了試驗循環(huán)中燃油節(jié)省值和廢氣排放下降值分別高達15%至20%。
六、結(jié)束語
新型一體化啟動-發(fā)電機系統(tǒng)為未來汽車提供了極大的改進潛力。一方面它可以完全滿足汽車內(nèi)對電能的增長需求，進而提高駕駛舒適性。另一方面通過使用一體化啟動-發(fā)電機系統(tǒng)可以使燃油節(jié)省高達15％至20％，并使廢氣排放減少同樣高的數(shù)量。
在考慮到所有優(yōu)缺點后，采用異步電機是一體化啟動-發(fā)電機系統(tǒng)的最佳解決辦法。西門子VDO汽車公司通過成熟的解決辦法提供了相應(yīng)的一體化啟動-發(fā)電機系統(tǒng)。采用異步電機的一體化啟動-發(fā)電機系統(tǒng)符合汽車業(yè)要求的價格低廉、結(jié)實、安全的解決方案。
