轿车起动充电双功能系统设计

摘要摘要随着电动汽车的发展，采用一体化起动机/发电机（ISG）是降低汽车燃油 消耗和尾气排放的关键技术。介绍了 ISG 系统结构组成、工作原理，基于对国 内外车用 ISG 系统发展现状的分析，分析了世界各个国家汽车起动/发电研究和 开发情况及其发展趋势。车用起动机和发电机是两个独立的电器设备,用于起动 和发电,起动/发电一体化是将起动与发电功能集于一体,具有在蓄电池低电流下 起动转矩大,在发动机转速范围内,发电机功率大,效率高,体积小,适于安装等优 点。 本文通过对启动/发电系统的结构原理进行分析，实现启动发电的双功能。关键字关键字：电动汽车； 启动发电一体化； AbstractWith the electric vehicle development, use of integrated starter/generator (ISG) is to reduce fuel consumption and exhaust emissions of key technologies. Describes the structure and composition, ISG system works, based on the current development of automotive ISG system analysis, analysis of the world's Nations auto starting/power research and development of the situation and development trends. Automotive starter motor and generators are two separate electrical equipment, for starting and power generation, starting/power generation integration is starting and power generation feature set, with the battery low current starting torque, engine speed range, generator power, high efficiency, small size, suitable for installation, etc.Keywords: electric cars； start generating integrated； 目录目录第一章第一章 绪论绪论 .41.1 引言.4 1.2 研究的背景及目的.41.3 ISG 技术发展现状及研究方案4 1.4 ISG 系统作用、性能要求和意义61. 5 ISG 的功能.6第二章第二章 启动发电机结构方案设计启动发电机结构方案设计 .82.1 引言.8 2.2 启动发电机结构方案设计.82.2.1 启动-发电机的基本方案82.2.2 对一体化启动-发电机系统的独特要求112.2.3 启动发电机的结构设计12第三章第三章 ISG 发展趋势发展趋势 .193.1 引言.19 3.2 ISG 及其相关技术发展状况19 3.2.1 ISG 技术的发展 .19 3.2.2 国外 ISG 技术发展现状 20 3.2.3 国内 ISG 技术发展现状 21总结总结 .24致谢致谢 .25参考文献参考文献 .26第一章第一章 绪论绪论1.11.1 引言引言本章将首先介绍起动/发电一体化系统的发展背景及研究现状，并在此基础 上提出本课题的研究意义和方案选择的理由。1.21.2 研究的背景及目的研究的背景及目的起动/发电一体机（Integrated Starter Generator，简称ISG） ，也有称ISA （Integrated Starter Alternator） ，是用一个电机代替发动机上传统的起动机 和发电机，具有起动和发电两种基本功能。随着人们对汽车舒适性要求的提高，车上用电设备越来越多，需求的电功 率超出 1.5 kW，可达 3kW 甚至更高，采用 42电源系统也是汽车的发展方向。 传统发电机的电压、功率和效率都不能满足未来汽车的需求。ISG 技术将发动 机的起动与发电功能有效组合，利用先进的电力电子技术、检测技术和现代控 制技术，可以很方便地根据汽车在不同运行状态，实现快速起动、宽变速大容 量发电、发动机助力、能量再生制动等功能。国内外汽车公司开始竞相研制或 采用 ISG 技术，提升自己汽车品牌的技术内涵，同时也顺应了环保和节能的趋 势。1.31.3 ISGISG 技术发展现状及研究方案技术发展现状及研究方案ISG 技术将发动机的起动与发电功能有效组合，利用先进的电力电子技术、 检测技术和现代控制技术，可以很方便地根据汽车在不同运行状态，实现快速起 动、宽变速大容量发电、发动机助力、能量再生制动等功能。国内外汽车公司开 始竞相研制或采用ISG 技术，提升自己汽车品牌的技术内涵，同时也顺应了环保 和节能的趋势。现在，已有几家公司开始量产ISG，德国零部件制造商大陆 （Continental）公司下属的 Tocher 公司首先开发出了 ISAD（Integrated Stater Alternator Damer）系统，并于 1997 年装机试验，大陆公司因此而获 得 1997 年度工业革新奖，1999 年在法兰克福国际展览会上，ISG 作为汽车系统 零部件首次亮相。 随后，博世、西门子、萨克斯和德尔福、法雷奥等公司也开发出这种系统。 其中，大陆和西门子公司选用的是异步电机，42V 电源系统，采用直接传动方 式，即把 ISG 安装在发动机和变速箱之间的曲轴上；博世公司选用的是永磁同 步电机，14 V 和 42 V 混合电源系统，也采用曲轴直接传动方式，工作效率在 8%以 上；萨克斯选用永磁同步电机，定子和定子支架直接安装在发动机曲轴凸缘上， 转子则固定在飞轮上，发电效率高达 80%90%；法雷奥开发的 ISG 选用 42V 电 源系统，采用皮带连接的间接传动方式，与传统车相比，可节省 20%的燃料， 在 30%的停顿过程中实现“零”排放。 1999 年，本田推出了应用了 ISG 技术的 Insight 第一代混合电动汽车。该 ISG 系统采用矩形波永磁电机，电源系统采用144V 的蓄电池组，电机与发动机曲 轴直接连接，可产生与发动机相位相反的转矩，降低振动，使运转更平稳。 国内包括中科院电工所、西北工业大学、南京航空航天大学及长安、东风、 奇瑞等公司都在研究 ISG 技术，已有部分混合动力电动汽车样车应用了 ISG 技 术。 ISG 系统性能提高的关键在于以下几个方面： （1）适合 ISG 系统的电机种类选择、设计与制造，应保证电机具有高起动 转矩、高发电效率及高转矩密度； （2）高性能 ISG 控制技术，包括快速起动、高效发电和电动、发电模式自 由切换的控制； （3）发电运行时能在宽速度范围内发出恒定的电压供给蓄电池充电； 4）电 机控制器设计要结构合理紧凑、安装快捷、便于调试、安全性好 。 ISG 系统由电机、整流/逆变功率变换器和储能元件（主要为蓄电池）组成。 电机是系统的执行机构，目前可选择的主要有异步电机、永磁电机、开关磁阻电 机和爪极电机。功率变换器主要由微处理 器、功率主电路、信号检测及调理电路 构成，对电机功能转换及电压有效调整起重要的控制作用。 在发动机起动过程中， 电能由蓄电池经功率变换器逆变供给 ISG 电机，快速拖动发动机到起动速度后 进行点火，完成起动过程；发动机起动后，拖动 ISG 电机运行，此时电机处于 发电状态，电能通过功率变换器整流后给蓄电池充电，并给车用负载供电。 从电机本身的角度来看，可以用作起动发电系统的有很多种，如有刷直流 电机、开关磁阻电机、电励磁同步电机、无刷直流电机等。下面对这些电机作一个简单的比较。 （1）有刷直流电机 有刷直流电机作起动发电机用时，与一般的直流电动机和直流发电机略有 不同，起动时，以复励（串励为主）直流电动机方式工作，要求有足够的起动 转矩和起动电流，起动结束后，电机的串励绕组被切除改为并励方式，作发电 机运行。早期的起动/发电系统多采用有刷直流电机，其优点是起动性能良好、 控制简单，但由于电刷和换向器的存在，使得这种起动/发电系统维护复杂，使 用寿命短；另一方面发电功率和起动功率也受到很大限制。 （2）开关磁阻电机 开关磁阻电机(SRM)的转子是简单的迭片结构，结构坚固且经济，由于转子 没有绕组和磁钢，因此可在高速下运行，其定子集中绕组可以预先绕制好再嵌 入定子槽，这使得定子装配工艺简单，制造成本低，冷却方便。由于开关磁阻 电机转子没有绕组和永磁体，转子结构对温度不敏感，电机的最高运行温度取 决于绝缘系统，因此其高温环境的运行能力优良。但开关磁阻电机转矩脉动大， 电机存在严重的非线性，优化控制有一定的难度，电动和发电时均需功率变换 器工作，发电的可靠性有所降低。 （3）电励磁同步电机 电励磁交流同步电机作为发电机已经得到了广泛的应用，即可以用于变频 恒速电源，也可以用于直流供电。只要在现有基础上研究其起动方案，就可以 将其改造成起动/发电系统。这种结构可以充分利用现有电源装置，对系统改造 较小。电励磁交流同步电机静止时，无法得到励磁，因而要额外增加一套辅助 起动绕组，起动时，先在辅助绕组中通以电流，提供励磁，起动完成后退出运 行。这样就要重新设计电机结构，增加了电机体积和重量。 （4）永磁同步电机 与传统的电励磁同步电机相比，永磁同步电机运行原理和电励磁同步电机 运行原理相同，但它不需要励磁绕组励磁，这样就取消了容易出问题的集电环 和电刷装置，因此，结构简单，运行更加可靠。又因无需励磁电流，省去了励 磁损耗，提高了电机的效率和功率密度。因而，它是近年来研究较多并且应用 越来越广的一种电机。 （5）无刷直流电机 无刷直流电机用电子换向器取代了普通直流电机的电刷和换向器的机械换 相，拥有普通直流电机的控制性能和调速性能，没有了由于机械换相带来的诸 多限制。具有起动方便，能量密度大，效率高，可以输出高质量的直流电压等 优点。 基于 ISG 系统的功能特点，该系统电机应满足大起动转矩和宽调速范围、 体积和质量小、发电效率高、可靠性高的要求。永磁磁阻混合同步电机是ISG 电机的最优选择之一。这种电机是同步磁阻电机和同步永磁电机的结合体，转子 结构有一段普通永磁转子和一段不对称的磁阻转子同轴连接而成，电枢反应电感 Ld>Lq，且Ld值较大。针对永磁电机磁场气隙难以调节和高温易退磁的缺点，混 合励磁永磁同步电机也是永磁 ISG 研究的热点之一。混合励磁永磁同步电机的 磁场由转子上的永磁体和定子上的直流励磁绕组共同提供，调节直流励磁绕组 就可以调节气隙磁场。因此，该电机综合了永磁电机和电励磁电机的优点，克 服了各自的缺点。 为了满足永磁 ISG 系统快速起停、高效电动、高效发电和强鲁棒性等要求， 永磁 ISG 主要采用的控制策略是：电动运行时的最大转矩/电流控制和发电运行 时的弱磁控制。直接式曲轴传动能输出大功率，效率也更高，是 ISG 系统传动 的发展方向。1.41.4 ISGISG 系统作用、性能要求和意义系统作用、性能要求和意义ISG 系统功率较大，达 435 kW；快速起动功能能够提高燃油效率并降低 尾气排放。ISG 系统可以使发动机结构更紧凑，能实现车辆快速起停、高效发 电、辅助动力、减速和制动时能量回收等功能，因而，该技术研究受到国内外 众多学者及汽车公司的广泛关注。ISG 电动/发电机的作用为：（1）发动机启 动时作为发动机的启动机，带动发动机启动；（2）发动机运转时被发动机带动 作为发电机，可以为蓄电池组充电和为驱动电动机提供电力；（3）在某些 HEV 上 ISG 还参与车辆的驱动，为车辆加速或爬坡提供辅