蘭 鎮(zhèn)，徐曉玲

（上海法雷奧汽車電器系統(tǒng)有限公司，上海 201201）

發(fā)電機(jī)是整車不可分割的組成部分，它在正常工作時(shí)，對(duì)車內(nèi)的用電設(shè)備供電，并向蓄電池充電，以補(bǔ)充蓄電池在使用中消耗的電能。汽車發(fā)電機(jī)集高技術(shù)、高難度于一身，是保證汽車迅速可靠起動(dòng)和正常運(yùn)行至關(guān)重要的產(chǎn)品，是體現(xiàn)汽車技術(shù)的標(biāo)志之一［1］。汽車技術(shù)的發(fā)展日新月異，在節(jié)能降噪、減排等方面的要求越來(lái)越高，同時(shí)新能源技術(shù)迅猛發(fā)展，純電動(dòng)、油電混動(dòng)、BSG等技術(shù)層出不窮。這對(duì)發(fā)電機(jī)的發(fā)展既是機(jī)會(huì)又是挑戰(zhàn)，想在競(jìng)爭(zhēng)的浪潮中立于不敗之地，需要的是不斷地創(chuàng)新和適應(yīng)市場(chǎng)的靈活策略。

1 緒論

發(fā)電機(jī)是發(fā)動(dòng)機(jī)前端驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的一部分，通過(guò)轉(zhuǎn)子軸和皮帶輪形成輪系中的一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)節(jié)點(diǎn)，與曲軸、空調(diào)壓縮機(jī)、水泵等相連 （圖1），將發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能，給整車電氣負(fù)載提供電流，并給蓄電池充電。

追溯到上世紀(jì)90年代開(kāi)始上海汽車電器總廠與法國(guó)共同投資成立的“上海法雷奧”汽車電器系統(tǒng)有限公司，開(kāi)始制造具有當(dāng)時(shí)領(lǐng)先水平的雙風(fēng)扇發(fā)電機(jī)，使中國(guó)的汽車發(fā)電機(jī)與世界水平處在同一起跑線上。直至現(xiàn)在，上海法雷奧仍然是中國(guó)發(fā)電機(jī)技術(shù)和市場(chǎng)的領(lǐng)跑者。

隨著整車技術(shù)日新月異的發(fā)展，對(duì)發(fā)電機(jī)的要求也日益增高：首先對(duì)于傳統(tǒng)的發(fā)電機(jī)，整車要求更大電量、更智能的控制策略和更可靠的品質(zhì)；其次在電動(dòng)化的大趨勢(shì)下，必須緊跟其步伐，開(kāi)發(fā)適配于微混、中混甚至純電動(dòng)車的電機(jī)，搶占電動(dòng)車市場(chǎng)的發(fā)電機(jī)份額。

圖1 發(fā)電機(jī)在輪系中示意圖

2 整車對(duì)發(fā)電機(jī)的關(guān)注點(diǎn)

2.1 法雷奧發(fā)電機(jī)的簡(jiǎn)單分類

法雷奧的發(fā)電機(jī)基于結(jié)構(gòu)的不斷進(jìn)化和技術(shù)的進(jìn)步在以下幾個(gè)方面不斷改進(jìn)和發(fā)展。

發(fā)電機(jī)的類型：早期的JFZ、SG系列電機(jī)，體積大、效率低。發(fā)展到中堅(jiān)力量TG、FGN系列電機(jī)，其中TG電機(jī)采用了灌膠技術(shù)，將定子和前端蓋粘合，起到減振降噪作用，應(yīng)用廣泛；FGN電機(jī)是代表法雷奧成熟技術(shù)實(shí)力的六相電機(jī)，其定子設(shè)計(jì)為72槽 （圖2），整流電路由正負(fù)各6只二極管組成，大大提高了電機(jī)的發(fā)電量和整流效率。與此同時(shí)由于六相電機(jī)的相位抵消作用，使得FGN的電機(jī)噪音遠(yuǎn)優(yōu)于三相電機(jī)，達(dá)到國(guó)內(nèi)的領(lǐng)先水平，同時(shí)效率達(dá)到70%以上，發(fā)電范圍、適用的車型更廣，深受整車廠歡迎。

法雷奧并沒(méi)有滿足于現(xiàn)有的成熟產(chǎn)品，在電機(jī)的廣度和深度上也不斷擴(kuò)充：EG電機(jī)是近幾年開(kāi)發(fā)的高智能電機(jī)，采用了獨(dú)特的Mosfet集成電路板整流，歷史性地將傳統(tǒng)電機(jī)的效率提高到80%以上，使上海法雷奧在國(guó)際發(fā)電機(jī)領(lǐng)域進(jìn)入一流水準(zhǔn)行列。

圖2 FGN定子繞嵌線 （72槽）

上海法雷奧在引進(jìn)國(guó)外先進(jìn)技術(shù)的同時(shí)，也在努力打破法國(guó)的技術(shù)壟斷。 NRG11、NRG12兩個(gè)平臺(tái)是具有代表性的具有自主產(chǎn)權(quán)的電機(jī)平臺(tái)。其低成本、小體積的特點(diǎn)更適合國(guó)內(nèi)市場(chǎng)，滿足了其排放要求、降低油耗和舒適化駕駛等環(huán)保要求。這是發(fā)電機(jī)國(guó)產(chǎn)化的重要的嘗試，為平臺(tái)本身的開(kāi)發(fā)，以及平臺(tái)向外拓展提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)和強(qiáng)勁的動(dòng)力。

2.2 整車關(guān)注點(diǎn)介紹

發(fā)電機(jī)制造商作為整車的一級(jí)供應(yīng)商，一切產(chǎn)品和服務(wù)都要以整車為中心，各種技術(shù)創(chuàng)新必須以整車需求為基礎(chǔ)。結(jié)合電機(jī)在整車上的應(yīng)用和積累客戶的反饋經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)了下面幾條客戶關(guān)注的要素并加以介紹。

2.2.1 噪音

噪音問(wèn)題放在首位，說(shuō)明噪音在整車中的重要地位，它是乘用車駕駛員的最直觀的感受［2］。耳朵對(duì)于頻率十分敏感，不同相數(shù)的電機(jī)在對(duì)應(yīng)階次的噪音是我們研究的對(duì)象。發(fā)電機(jī)噪音由電磁噪音、風(fēng)噪和機(jī)械噪音組成，主要是前兩種合成而來(lái)。

電磁噪音是發(fā)電機(jī)感應(yīng)磁場(chǎng)的旋轉(zhuǎn)，定子漆包線切割磁感線等動(dòng)作產(chǎn)生的電磁類噪音，是一類比較復(fù)雜的噪音，形成示意如圖3所示。磁極的形狀、厚度，轉(zhuǎn)子軸的剛度、平衡度，定子的壓裝工藝等均能對(duì)其產(chǎn)生影響。

風(fēng)噪是空氣流動(dòng)產(chǎn)生的噪音，轉(zhuǎn)子和風(fēng)葉的轉(zhuǎn)動(dòng)配合發(fā)電機(jī)殼體和罩蓋上的散熱窗口，使得發(fā)電機(jī)在工作的時(shí)候內(nèi)外產(chǎn)生空氣流動(dòng)形成噪音，形成示意如圖4所示。影響它的直接因素有風(fēng)葉、散熱窗口的數(shù)量和形狀，間接因素有轉(zhuǎn)子極爪形狀、定子繞嵌線工藝等。

除了上述所提，發(fā)電機(jī)噪音還包括一些機(jī)械噪音，比如軸承轉(zhuǎn)動(dòng)、碳刷與軸的摩擦產(chǎn)生的噪音等，在風(fēng)噪和電磁噪音背景下機(jī)械噪音經(jīng)常被忽略處理。所以，確定好階次后，風(fēng)噪與電磁噪音組成了發(fā)電機(jī)的整體噪音，如圖5所示。

圖3 電磁噪音形成示意

圖4 風(fēng)噪形成示意

圖5 噪音合成示意

2.2.2 尺寸和質(zhì)量

隨著緊湊化和輕量化的發(fā)展，整車發(fā)動(dòng)機(jī)艙的布置越來(lái)越緊湊，驅(qū)使發(fā)電機(jī)朝小型化，輕質(zhì)化發(fā)展。設(shè)計(jì)和工藝是電機(jī)能否實(shí)現(xiàn)“瘦身”的關(guān)鍵因素，小型化實(shí)質(zhì)上是提高發(fā)電機(jī)的單位發(fā)電密度，比如改善定子繞嵌線工藝、采用扁銅線增加槽滿率、增加轉(zhuǎn)子磁條、提高勵(lì)磁密度等，然后通過(guò)設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)化來(lái)確保同平臺(tái)尺寸的一致性。

上海法雷奧的發(fā)電機(jī)一直朝著更小更優(yōu)的方向發(fā)展，較早風(fēng)葉外置的JFZ，體形較大的SG平臺(tái)電機(jī)，主要是從滿足整車用電量的角度考慮設(shè)計(jì)。第3代TG電機(jī)，通過(guò)改進(jìn)繞嵌線工藝，提高槽滿率，并在轉(zhuǎn)子上加以改進(jìn)，能夠在與SG平臺(tái)相比尺寸變化不大的情況下大大提高發(fā)電量。到第4代FGN電機(jī)，進(jìn)行了大量的設(shè)計(jì)改進(jìn)和創(chuàng)新，例如增加轉(zhuǎn)子永磁體，增大了發(fā)電磁場(chǎng) （圖6）；定子從36槽升級(jí)為72槽，使得單位發(fā)電量大大增加；整流電路采用了正負(fù)各6只二極管，提升了交轉(zhuǎn)直的效率。

通過(guò)以上3個(gè)因素，F(xiàn)GN電機(jī)將質(zhì)量和尺寸大大減少。在與TG平臺(tái)電機(jī)同樣大小和質(zhì)量的前提下，發(fā)電量輸出增加了30～50A，在國(guó)內(nèi)處于領(lǐng)先地位。EG平臺(tái)電機(jī)通過(guò)其極高的轉(zhuǎn)換效率，使得電機(jī)在尺寸適量增加的基礎(chǔ)上發(fā)電量提升到200A以上，得到了很多高端車型的好評(píng)。

2.2.3 性能和效率

圖6 “磁條”轉(zhuǎn)子

性能和效率是發(fā)電機(jī)開(kāi)發(fā)中最基礎(chǔ)的要求之一，隨著發(fā)電機(jī)技術(shù)的發(fā)展，大多數(shù)發(fā)電機(jī)生產(chǎn)商已經(jīng)基本可以滿足大多數(shù)整車的用電需求，故性能和效率已經(jīng)不是整車廠優(yōu)先考慮的因素，從側(cè)面也反映了國(guó)內(nèi)發(fā)電機(jī)技術(shù)的成熟發(fā)展。

法雷奧的各個(gè)平臺(tái)的發(fā)電機(jī)構(gòu)成了從90A到250A發(fā)電范圍的產(chǎn)品網(wǎng)，發(fā)電效率也在不斷提升，這與電氣技術(shù)的發(fā)展是密不可分的。比如整流電路的不斷進(jìn)化，從普通二極管到雪崩二極管，不但可以提高電流轉(zhuǎn)換效率，又能避免反向高電壓沖擊。EG平臺(tái)的Mosfet整流板采用了低損耗二極管將整流電路的壓降降低，與普通二極管壓降對(duì)比如圖7所示：將整個(gè)發(fā)電機(jī)的整流效率提升到80%以上。

圖7 Mosfet與普通二極管壓降對(duì)比

以上列舉的幾個(gè)要素為常見(jiàn)的整車關(guān)鍵需求，除此之外，對(duì)于發(fā)電機(jī)的控制策略、溫升表現(xiàn)、振動(dòng)狀況、帶輪的選擇等也是整車匹配發(fā)電機(jī)時(shí)需要考慮的重要問(wèn)題，將一款合適的發(fā)電機(jī)匹配到相應(yīng)的整車上是一個(gè)系統(tǒng)性的工作［3］。

3 從傳統(tǒng)車到混合動(dòng)力車

整車技術(shù)日新月異的發(fā)展對(duì)發(fā)電機(jī)提出了新要求：

隨著國(guó)家減少燃油排放的政策推進(jìn)，輕混、中混、電動(dòng)汽車成為熱點(diǎn)，發(fā)電機(jī)也扮演起了不一樣的角色。純電動(dòng)車大多采用高壓驅(qū)動(dòng)電機(jī)提供動(dòng)力，已經(jīng)蠶食了傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)的一部分市場(chǎng)份額，所以必須在輕中混領(lǐng)域，抓住市場(chǎng)先機(jī)。

3.1 BSG領(lǐng)導(dǎo)者

在混和動(dòng)力汽車的發(fā)展過(guò)程中，更大的功率要求和電能效率的要求使得我們向高電壓的方向發(fā)展。但電壓越高，成本越高 （圖8），48V系統(tǒng)是一種降低成本方法的優(yōu)化設(shè)計(jì)，是目前中低壓混動(dòng)起發(fā)電機(jī)優(yōu)秀的解決方案。

圖8 動(dòng)力總成成本隨電壓變化示意圖

BSG為48V混動(dòng)車型應(yīng)用的皮帶傳動(dòng)起發(fā)電一體機(jī)，工作過(guò)程中能夠提供持續(xù)功率3～15kW、平均功率8kW的輸出，通過(guò)回收制動(dòng)能量，提供扭矩助力等方式達(dá)到節(jié)油減排的效果?；诓煌陌l(fā)動(dòng)機(jī)和車輛，能源存儲(chǔ)大小，不同的減速比，燃油經(jīng)濟(jì)性可以達(dá)到13%～15%。

出于成本、集成和安全方面考慮，中國(guó)市場(chǎng)正快速推進(jìn)48V BSG混動(dòng)系統(tǒng)，據(jù)預(yù)測(cè)在2022年，48V的BSG將占到73%的輕度混合動(dòng)力e-machines的應(yīng)用市場(chǎng)，將有超過(guò) 400萬(wàn)輛汽車配備48V混合動(dòng)力技術(shù)?；?0多年的14V BSG（包括集成和分離逆變器）生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)和超過(guò)120萬(wàn)的車輛匹配經(jīng)驗(yàn)，法雷奧正成為一個(gè)48V混動(dòng)系統(tǒng)BSG領(lǐng)導(dǎo)者。

BSG之后非皮帶傳動(dòng)混動(dòng)方案將被用來(lái)進(jìn)一步加強(qiáng)混動(dòng)功能并降低油耗，而且法雷奧正研發(fā)用于純電動(dòng)車的48V動(dòng)力系統(tǒng)，該方案對(duì)于低成本電動(dòng)車將極具吸引力。在上海技術(shù)體驗(yàn)活動(dòng)中法雷奧將領(lǐng)圖、寶駿以及知豆原來(lái)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)換成48V系統(tǒng)作為唯一的驅(qū)動(dòng)源，汽車起步時(shí)有明顯的起步感、響應(yīng)很快，在跑道上多次加速、制動(dòng)時(shí)動(dòng)力依然很靈敏，展示了 其48V動(dòng)力總成系統(tǒng)對(duì)于純電動(dòng)城市汽車的意義，也向世界顯示了其48V動(dòng)力系統(tǒng)的巨大潛力。

3.2 展望

在汽車電子架構(gòu)飛速發(fā)展的今天，抓住時(shí)代的脈搏，開(kāi)發(fā)出符合市場(chǎng)需求的電機(jī)，是發(fā)電機(jī)制造廠商的重要競(jìng)爭(zhēng)力所在。作為電機(jī)行業(yè)的從業(yè)者，我們必須保持前瞻的眼光、靈活的頭腦和與時(shí)俱進(jìn)的策略，為行業(yè)的電氣化發(fā)展貢獻(xiàn)自己的一份力量。