混合动力汽车ISG电机工作特性分析.docx

混合动力汽车ISG电机工作特性分析第1章绪论i・i概述冃前世界汽车工业可持续发展所面临的两大难题是环境污染、石油资源匮乏，环保 和节能是21世纪汽车技术的一个重耍发展方向，同时各国的排放法规也日趋严格混 合动力汽车(HEV)正是具有低污染、低油耗特点的新一代清洁能源汽车冃前制造成本 最低、最容易实现批量生产的是采用起动机发电机/电动机一体化(ISG)技术的轻度混合 动力汽车(1SG-MHV)O它只需要对内燃机进行改造，比较容易在现有传统内燃机汽车上 实现，混合程度小、电机功率低，尤其适合在轿车上实现1.2组成结构ISG型轻度混合动力汽车动力单元主要包括发动机、牵引电机、能量管理系统、动 力传动系统ISG-MHV中一般使用较低功率的发动机，因为加速和爬坡吋并不只由发动机单独提 供功率，而是由电动驱动装置及能量存储单元(电池组、储能飞轮或者超能电容器)与发 动机一起驱动汽车行驶发动机的额定功率一般在50 kW左右电机是电气驱动系统的核心，电机的性能、效率直接影响电动汽车的性能此外， 电机的尺寸、重量也影响汽车的整体效率由于空间布置有限，最好采用扁平形结构， 同时功率不能太人，当前成功开发的ISG-MHV多采用直流永磁无刷电机，其峰值功率约 为 10〜15 kWo能量管理系统是提高混合动力汽车经济性、动力性和减少废气排放水平的关键，该 系统包括储能、能量管理和混合动力系统中央控制单元。

常用的储能单元有电化学电池、 燃料电池、飞轮电池及超大容量电容等ISG-WIV多采用电化学电池，包括铅酸电池、 鎳氢电池、银离子电池和钠硫电池等，其技术比较成熟，成本相对较低动力传动系统用于均衡、传递并调节混合动力源的输出转矩与功率，以满足整车动 力驱动的需要主耍包括扭矩或转速合成器、离合器、变速器、传动轴、驱动车轮等ooool i|CVT/MT发动机ECU电r•油门1 I1 -h 1CVT栓制;8 |::篡能憑： | |动力总成| ! ft理系统!CAN总线电池组上面4个单元都有各口的控制管理器所有控制子系统通过CAN总线向多能源动力 总成管理系统发送子系统运行信息，同时接受多能源总成管理系统的控制命令，混合动 力系统的控制协调通过多能源总成管理系统实现，如图1.1所示 ISG控制花1 1电池件理系统1 /j ISG"统1 111电池组子系统j 门V用电系统ISG骡动舀图1. 1混合动力系统多能源总成管理系统DC/DC 变換发动机和电机的布置方式也不尽相同一种是将电机直接安装在内燃机曲轴输出 端，并且ISG转子要与曲轴固结，取代飞轮及原有的起动机和发电机，如图1・2所示 一种是在发动机前端用皮带传动机构，将ISG电机和发动机联结起來，并把起动机同样 连接在ISG电机的机构中，节省了内部空间，如图1・3所示。

图1・2 •整车系统方案图1. 3外挂盘式电机与发动机曲轴相连型ISG1.3 1SC功能分析ISG-MHV可以实现自动起停、功率补偿及高效大功率电能输出功能1.3.1自动起停功能传统的车用起动机只将内燃机加速至起动转速（例如200r/min）, 1SG作为电动机 在短时间内（通常加速时间仅为0. 1〜0. 2 s）将内燃机加速至怠速转速（例如800r/min）, 然后内燃机才开始缸内的燃烧过程高转速电起动过程不仅降低了内燃机起动时的燃料 消耗，还改善了排放自动起停功能的实现过程如下：如果汽车较长时间处于空载状态, 例如在路口等红灯时，内燃机一直处于怠速，控制系统自动使内燃机停止运行，同时ISG 也停止工作，需要起步时，ISG在0. 1〜0. 2 s的短时间内完成起动任务在城市工况下, 汽车不停地起步和停车以及内燃机处丁怠速的情况非常多，自动起停系统利用电动机快 速起动的特点避开了内燃机低速起动和长时间怠速，提高了整车燃油经济性和排放性 能1.3.2功率补偿功能内燃机在低速大负荷时的燃油经济性和排放性能均不佳，通常情况下内燃机在此 工况下的转矩输出有限，如果需要内燃机在低速大负荷时能够提供较大的功率就必须选 用更大排量的内燃机，这样虽然满足了动力性要求，但牺牲了燃油经济性。

ISG可以在 内燃机低速大负荷时工作在电动机状态，提供一部分辅助功率，提高低速吋内燃机的动 力性能例如，当内燃机以较低转速运转时，如果加速踏板的行程大于满行程的90%,ISG就开始进行功率补偿，当加速踏板达到满行程时，ISG提供最人瞬时功率1.3.3高效大功率电能输出功能ISG用作发电机时可以提供6〜10 kW功率输出，全转速范囤内的效率80%以上 普通车用发电机通常由内燃机曲轴通过皮带驱动，最大输出功率仅为1・5〜2・5 kW,发 电机的最大效率为70%,而高速时仅为30%,无法满足现代汽车电子产品功率需求ISG 高效大功率的电能输出能力远远优丁•传统车用发电机，不仅能使电动助力转向、电动制 动以及电子动气门等需耍较大功率供电的新兴汽车电子技术得到充分应用，而且原先由 齿形皮带驱动的汽车附件，如空调压缩机等，都可以由专用的电动机带动，并控制电动 机运行在最住工况点，提高整车效率1.3.4其余功能除了以上3个主要功能以外，ISG还可以将汽车减速或制动时的动能转换成电能， 为车载电池进行充电，提高燃油经济性ISG取代飞轮的作用，可以通过口身的转动惯 量以及在电动机和发电机Z间来凹切换状态，平衡内燃机曲轴的波动，成为有源飞轮起 到减震器的作用。

内燃机附件全部采用电动方式驱动，齿形皮带及齿轮组可以全部省掉, 同时可以省去传统的发电机和电动机，内燃机附件的布置可以更加灵活1. 4控制策略发动机效率在低速时偏低，扭矩也较小，而在中高负荷时效率较高，负荷再大时效 率乂会下降，见图1・4为了尽量使发动机在高效率下工作，可以根据ISG的结构特点 制定具体控制策略起动时，ISG作为电动机状态在短时间内（通常为0. 1〜0.2s）将内燃机加速至怠速转速，然后内燃机开始缸内燃烧过程，随后离合器结合，开始行驶循环1000 2 000 3000 4 000 5 000 6 000AT(r/min)图1.4发动机特性曲线汽车巡航或以较低速度行驶时，如果此时蓄电池的荷电状态值Bsoc低于其限定的 最大值Bsoctop时，ISG转换至发电机状态，向电池组充电但若此时蓄电池Bsoc等于 或大于其限定值时，为了延长舊电池的使用寿命，ISG不能向蓄电池充电当汽车加速或爬坡时，令ISG工作在电动机工况，提供一部分辅助扭矩；但在1档 时，ISG均不助力当汽车处于怠速空载状态时，内燃机停止运行，同时ISG也停止工 作；需起步时，JLSG作为电动机在短时间内完成起步任务。

当汽车减速或制动时，ISG 处于再生制动T况1.5国内外ISC研究现状和实际应用在混合动力汽车研究领域，日木汽车公司是国际混合动力汽车制造企业的一个标 杆上世纪90年代以来，国外所有知名汽车公司均投入巨资开始进行电动汽车和混合 动力汽车实用车型的研发从新世纪初开始，在“863”计划的推动下，中国汽车制造 企业和科研机构在混合动力汽车方面也取得了很大的发展下面对各国在ISG方面的研 究和发展现状作一个概括介绍木田自1999年11月开始在日木推出安装ISG系统的混合动力轿车Insighto本［H Insight的动力系统包括一台作为主动力源的1.0 L稀薄燃烧汽油机(空燃比为26： 1) 和作为辅助动力的10MV的ISG, ISG釆用了抗热性强的永磁体，薄型线圈，风冷，超薄 型电机的厚度仅为60mmo此后，本出共推岀了 3款混合动力产品2001年12月，在主 力车型CIVIC上加载混合动力技术的CIVIC Hybrid开始在日本市场销售2004年12 月，安装可变气缸系统的V6发动机和ISG系统的Accord Hybrid开始在北美销售2000年2月，戴克公司在华盛顿的国家博物馆推出了其轻度混合型概念车Dodge ESX3O ESX3采用先进的共轨式柴油高圧供油系统、变截面涡轮增压系统和多气门顶置双 凸轮轴的直喷式柴油机，并采用铝合金结构降低重量，达到了最好的燃料经济性。

安装 ISG系统可减少系统重量、优化启动性能、冋收制动能量，并通过怠速关机来降低燃料 消耗和排放，使动力系统的兀配达到最优组合2006年1月奇瑞汽车有限公司承担“ISG混合动力轿车用汽油发动机研发”和 "B-1SG轿车关键技术与核心零部件研发”两个项冃顺利通过验收奇瑞JLSG动力系统 由“1.3L汽油机+5速手动变速器+10kW电机+144V镰氢电池”组成，电机采用永磁同步 电机并带有电机控制系统、逆变器以及DC/DC转换器最高稳定车速2180km/h,0〜100km 加速时间W11.3s,加速行驶吋车外最大噪声W71dB,在城郊综合工况下油耗 4. 95L/100kmo参照联邦德国提案，该类型车排放达到欧V标准奇瑞B-ISG动力系统 由“1.6L汽油机+5速手动变速器+2kW电机+12V铅酸电池”组成，电机采用爪极电机并 带有电机控制系统最高稳定车速N180km/h, 0〜100km加速时间W12.8s,在城郊综合 工况下油耗为6. 3 L/100km,排放达到欧IV标准长安汽车（集团）有限责任公司在科技部、重庆市科委、中国兵器装备集团公司的大 力支持下，联合清华大学、北京理工大学、重庆大学、北航等高校和科研单位共同承担 “JLSG混合动力长安轿车整车项冃”,冃前也已通过国家级验收。

其油耗已降低了 30%, 排放已达欧川标准样车最大时速可达160km/h,整车成本的增加有效地控制在30%以 内，加速性能与同档次的汽车相当，续驶里程大T 500km,最大爬坡度可达25%吉利华普海尚MA（海尚305）在第7届上海工业博览会上登场这款车是由上海交通 大学口主知识产权的混合动力技术改造开发的一台中度混合动力轿车该车采用发动机 曲轴ISG方案，1.5发动机曲轴并联电动机的一体化设计，优点是结构紧凑、可靠性高、 成本低，可节省燃料20%左右1.6论文选题的意义和研究内容1. 6.1论文选题的意义混合动力汽车动力部件的合理选配，在很大程度上影响了整车系统在节能和环保方面的潜力发挥，ISG系统作为一•种轻度混合动力系统，其结构特点比较独特，动力系 统的参数选配与高混合比混合动力汽车有较大差异，具有比较明显的特点，因此有必要 针对ISG系统的特点进行参数匹配的研究另外，ISG混合动力系统部件众多，协调复 杂，行驶路况和驾驶员操作的随机性，不同驾驶习惯和风格都给驾驶意图判断带了困难 为了克服这些困难，需要制定合适的控制策略以保证ISG混合动力系统在满足驾驶需求 （动力性、驾驶平稳性等）的前提下，合理分配各动力部件的输出，以求达到良好的整 车性能要求。

作为关键技术Z—的控制策略早已成为研究混合动力汽车的重要课题，木 文以ISG系统实用性为突破口，主要研究了 ISG混合动力系统能量分配及控制算法在 实车上的应用1.6.2论文研究内容木论文选题主要就ISG混合动力汽车的参数匹配、建模与仿真、控制策略的制定 及优化等方面进行研究，冃标是为ISG混合动力汽车的设计和试制提供理论依据具 体技术路线和研究内容如下：（1） 分析1SG混合动力系统的结构特点，确定本文1SG混合动力系统的结构形式 以预期的动力性指标和燃油经济性为冃标，通过汽车行驶方程式初选整车动力系统主要 部件的参数，采取合理的优化方法对选择的参数进行优化匹配，最终确定各参数2） 建立ISG混合动力系统各动力部件的模型，最后根据整车的仿真模型建模 仿真是汽车动力系统研发的重耍手段通过仿真分析可灵活调整设计方案，合理优化参。