郝新平1；苏玉明2；杨献木2；李超2；李贤杰2；李玉生3；龚跃年3；钱宝锟4

1、驻中国重型汽车集团公司军事代表室；2、山东精久科技有限公司；

3、中国重型汽车集团有限公司；4、空军第五通信修理所

1 引言

随着我国国民经济和军备建设的快速发展，各行业对汽车产品的要求越来越高。安全、节能、环保、智能化和信息化已成为汽车技术发展的未来趋势。在汽车上，大量采用车载用电设备、集通信、导航、视听娱乐、网络等功能于一体的多媒体信息系统是汽车电子技术领域的未来目标。在车载电控技术方面，国内一些单位已开启了汽车控制、驾驶、信息处理、智能交通等重大核心技术的系统性研究工作，将第三代移动通信、高清晰度数字电视、卫星导航、移动网络等技术应用于汽车产品，以形成汽车工业和电子信息产业良性互动的发展态势。近年来，由于越野车具有性能优良、机动性强和多用途等特点，其应用范围越来越广。军用越野车可用于作战指挥车、物资运输车、兵员乘用车、通信联络车、战地救护车等；社会公务越野车可用于维护治安、工程抢险、森林消防、地质勘探、石油化工等领域，以及民用野外旅游、科考探险等专门用途。由此可见，车载用电设备将不断增加，用电量越来越大，车载用电设备的电能供应难题将会日益突出。

现阶段，国内采取两种方式来解决越野车车载用电设备的电能供应问题：一种方式是通过便携式发电机进行供电。但这种方式存在诸多缺点：一是噪音大、污染环境，二是占用车内的空间，三是独立的油箱、油路、散热器和外置消声系统不易维护；另一种方式是采用国外进口产品对车辆进行改装。据了解，美国、法国、德国和英国等国家在越野车上装配车载式自供电源系统，为越野车车载用电设备供电。该车载式自供电源系统一般包括发电机、电子控制单元、控制盘、发电机连接电缆及安装组件，根据需要，可输出3kW、6kW、8kW、12kW、14kW、16kW、18kW等功率等级。虽然能够满足越野车用电设备的需求，但是自供电源系统产品和车辆改装价格高，同时受到安全性、维修保养等方面的限制，无法得到广泛的使用，因此，也仅限于部分特种车辆使用。

山东精久科技有限公司自主研发和生产的精久牌自供电源系统是一种车载式自供电源系统，主要由发电机（带或不带增速器）、功率补偿单元和电气控制单元等组成。在越野车驻车或行驶状态下，该系统能够稳定地输出车载用电设备所需要的直流电、三相或单相正弦交流电，且电气控制单元设有过热、过载、短路、过/欠压等保护功能，可靠性高，电磁兼容性好。将该车载式自供电源系统应用于越野车，能够为越野车车载用电设备提供电压和频率均稳定、充足的电能。无论车辆在行车还是在驻车状态下，该系统均不受发动机转速瞬间变化或持续变化的影响，可以持续稳定地输出电能。同时，该系统不影响原车结构和性能，具有适应性强、方便快捷、节能环保、可靠性高、输出电能品质优和电磁兼容性好等特点，具有十分广阔的应用前景。

2 系统结构与性能

2.1系统结构

车载式自供电源系统为车载用电设备提供电能，主要由交流发电机（带或不带增速器）、功率补偿单元和电气控制单元等部分组成。其中，增速器用于对发动机的输出转速进行增速，以保证车辆行驶或怠速时，交流发电机均能得到持续稳定的动力；交流发电机将车辆发动机输出的动力转换为交流电；功率补偿单元保障自供电源系统无论是在驻车或行车状态时，均能可靠地向用车载用电设备提供持续而稳定的电能；电气控制单元对发电机发出的交流电进行稳压、稳频。采用模块化结构，可以实现预报警和自动封锁停止工作，具有自我保护功能。电气控制单元采用嵌入式系统，通过彩色显示屏对输入电压、输出电压、频率、电流、功率、功率因数等电气参数进行显示、分析和回放，司乘人员均能方便地观察自供电源系统运行状况。

2.2系统性能

车载式自供电源系统是一种适合越野车使用的新型电源系统，能够为越野车的控制、定位、通信、多媒体、网络等多种用电设备提供稳定的电能。系统采用模块化结构，主要由交流发电机（带或不带增速器）、功率补偿单元和电气控制单元等部分组成，可以实现预报警和自动封锁停止工作，具有自我保护功能，并可以通过彩色显示屏对输入/输出电压、频率、电流、功率、功率因数等电气参数进行显示、分析和回放。车载式自供电源系统的主要技术指标如表1所示。

表1.  主要技术指标

3 主要总成选型

    总成选型主要是根据整车用电量计算结果进行确定。总成选型主要采用两种方案：一是更换原车的硅整流发电机，主要由交流发电机、功率补偿部分和电气控制部分组成，适用于中小型越野车；二是利用取力器作为动力，主要由增速器、交流发电机、功率补偿部分和电气控制部分组成，适用于大型或重型越野车。

3.1 越野车用电负荷图的确定

越野车用电负荷图是进行交流发电机设计的重要依据，越野车配置的所有用电设备一般不会在同一时间全部都投入工作，用电设备的工作时间长短，取决于季节和环境的变化。通常使用电器设备使用频度系数概念来分析计算整车的用电量，其计算公式如下：

为第i个用电设备的电流。

越野车电器设备通过使用频度系数来表示车用电器设备在不同的季节和环境等情况下的使用频度，根据车用电器设备的使用频率系数和额定电流，可统计计算出整车用电量。表2列出了整车电气系统常用电器设备的额定电流及使用频度系数。

表2  越野车常用电器设备的额定电流及使用频度系数。

由表2可统计得出不同季节和环境下的整车用电量计算结果，这只是越野车原车的基本用电量，其它用电设备的用电量，才是越野车自供电源系统的主要设计依据。

3.2 交流发电机的选型

1、发电机类型的选择

交流发电机是车载式自供电源系统中电能的来源，主要依据越野车的安装空间的大小、使用功率和电气控制单元的指标要求而定。目前用于车载式自供电源系统的交流发电机主要采用两种类型：一种是永磁发电机，一种是电励磁发电机。 

永磁发电机是一种由经过磁化处理的永磁体产生磁场的电磁装置。永磁发电机最大优势是它的高效高功率密度，主要表现在：

（1）取消了励磁系统的损耗，提高了效率。

（2）取消了励磁绕组和励磁电源，结构简单，运行可靠。

（3）稀土永磁电机结构紧凑，体积小，重量轻。

（4）电机的尺寸和形状灵活多样。

一般小型越野车由于空间小，底盘下安装不便等原因，我们采用永磁发电机整体替代原车上的硅整流发电机的方案。这种方式只是替换了发电机，其它部位的不受任何影响，整车性能也不会受影响。由于有永磁发电机高效高功率密度特点，我们安装的永磁发电机的功率容量一般是原车硅整流发电机功率容量的两倍以上。

永磁发电机的不足之处是由于采用的是永磁材料长时间使用可能会产生退磁和调磁困难等问题，会影响输出的稳定。

电励磁发电机是一种在电机绕组内通以电流来产生磁场的电磁装置。无论在转速变化或负载变化，均可通过改变励磁绕组电流调节气隙磁场强度，从而实现输出电压稳定。另外，电励磁发电机具有可控性，可通过断开励磁回路有效灭磁，实现电机系统的短路和故障保护。长期以来因电励磁发电机可靠性高、输出稳定性好和性价比好，一直得到市场的青睐。但由于励磁损耗的存在使得电机系统效率相对较低，难以实现高功率密度。

对于大型或重型越野车发电机的选型，我们考虑到安装方式和底盘空间比较大等特点一般推荐选用电励磁发电机。

2、输出功率的选择

考虑到保证用电设备供给、提高电源系统的经济性和发动机动力性，发电机输出功率的选择应以保证越野车行驶时正常用电量、蓄电池所需要的充电量以及车载特殊用电设备用电量为基础。在极限高峰时段时，允许蓄电池向用电设备提供一定量的放电电流，这也是选择发电机输出功率所必需的原则，因此，电气系统负荷图是选择越野发电机功率等级的参考依据。

在整车概念定义阶段，车型总布置工程师选定了整车所装配的动力总成，电气设计工程师将以此为依据来选择汽车电源系统的发电机型式及其输出功率等级。首先，根据越野车发动机机舱总布置的三维空间安装要求或车架部分取力器后部的三维空间安装要求，设计检查所选择的发电机外形，并验算其供电量是否满足整车的用电需要。

在越野车行驶中，发电机的转速与车速及汽车档位有关，随着车速和档位的变化，发电机的转速也作变化，其实际输出特性也相应地改变。这是自供电源系统的研发设计的难点。

越野车发电机的选择包含了输出功率选择和传动比选择匹配，在设计中选择发电机不仅要考虑到输出功率能否满足整车用电设备的要求，还要考虑发电机传动比的有机配合。因此，针对不同车型的不同使用环境要求，可计算并判断二者间的相互关系。