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第二章启动发电机结构方案设计8
2.1引言8
2.2启动发电机结构方案设计8
2.2.1启动-发电机的基本方案8
2.2.2对一体化启动-发电机系统的独特要求11
2.2.3启动发电机的结构设计12
第三章ISG发展趋势19
3.1引言19
3.2ISG及其相关技术发展状况19
3.2.1ISG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24
致谢25
参考文献26
第一章绪论
1.1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。
1.2研究的背景及目的
起动/发电一体机（IntegratedStarterGenerator，简称ISG），也有称ISA（IntegratedStarterAlternator），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1.5kW，可达3kW甚至更高，采用42Ｖ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。
1.3ISG技术发展现状及研究方案
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（IntegratedStaterAlternatorDamer）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，14V和42V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。
1.4ISG系统作用、性能要求和意义
ISG系统功率较大，达4～35kW；
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助动力；
（4）在车辆制动时作为发电机，回收制动反馈的能量。
（四象限运转）
ISG的性能要求：
1）能带动发发动机快速起动，避开怠速工况，降低油耗和污染。
2）质量和体积与传统内燃机汽车飞轮相当，连续功率：
8—10KW，峰值功率15KW左右，发电状态效率大于70%，电动状态效率大于80%，起动发动机时间小于0.4S。
3）装置ISG的发动机油耗减小至大于10%，排放达到欧三标准，ISG系统成本增加值小于内燃机成本的15%-20%。
ISG系统可用于42V系统、14V系统和14V/42V混合电源系统当中。
由于ISG系统需要大的起动转矩，起动电流也比较大。
考虑安全电压的前提下，采用42Ｖ电源更适合提高ISG系统的工作效率。
ISG技术作为新一代汽车的关键技术之一，将会得到迅速的发展和应用。
磁场可控的永磁同步ISG系统是发展方向。
ISG技术的研制或采用，既提升了汽车品牌的技术内涵，同时也顺应了环保和节能的趋势，具有良好的发展前景。
1.5ISG的功能
（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），ISG作为电动机在短时间内（通常加速时间仅为0.1～0.2s）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0.1～0.2s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于怠速的情况非常多，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。
（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，提高低速时内燃机的动力性能。
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提供最大瞬时功率。
（3）高效大功率电能输出功能ISG用作发电机时可以提供6～10kW功率输出，全转速范围内的效率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1.5～2.5kW，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于传统车用发电机，不仅能使电动助力转向、电动制动以及电子动气门等需要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佳工况点，提高整车效率。
（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，可以通过自身的转动惯量以及在电动机和发电机之间来回切换状态，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。
第二章启动发电机结构方案设计
2.1引言
混合动力汽车由于在节省燃油和降低排放等方面具备的明显优势，越来越受到人们的重视。
混合动力汽车整车结构和动力系统参数的合理匹配对整车动力性、燃油经济性有决定性的影响。
其动力部件参数之间是否协调匹配将直接决定混和动力汽车能否达到节能和环保的要求，动力部件参数的匹配是混合动力汽车研究的一个重要内容。
不同结构的混合动力系统，对动力部件参数的匹配具有不同的要求。
将要讨论的ISG混合动力汽车从结构上讲，属于轻度并联混合动力系统，可以在不改变传统汽车变速器和驱动桥的条件下由传统汽车改装而成，从而能有效的降低混合动力汽车的制造成本和整车整备质量，在提高汽车的性能方面具有重要意义。
ISG系统由于其结构和性能上的优势，逐渐成为当今混合动力研究和开发的热点。
2.2启动发电机结构方案设计
电动汽车驱动电机是所有电动汽车必不可少的关键部件。
目前使用较多的有直流有刷、永磁无刷、交流感应和开关磁阻等四种电机。
美国和德国开发的电动汽车大多采用交流感应电机，主要优点是价格较低、效率高、重量轻，但启动转矩小。
日本研制的电动汽车几乎全部使用永磁无刷电机，其主要优点是效率可以比交流感应电机高6个百分点，但价格较贵，永磁材料一般仅耐热120℃以下。
开关磁阻电机结构较新，优点是结构简单、可靠、成本较低、起动性能好，没有大的冲击电流，它兼有交流感应电机变频调速和直流电机调速的优点，缺点是噪声较大，但仍有一定改进余地。
对于电动汽车而言，由于电能是由各类电池提供，价格昂贵而弥足珍贵，所以使用相对效率最高的永磁无刷电机是较为合理的，它已被广泛用于功率小于100kW的现代电动汽车上。
由于常规发电机性能的限制，未来的42V车用电源不得不考虑采用新型的启动-发电机。
该启动-发电机除了具有更大的功率和更高的效率之外，还肩负着其它功能。
本文将对比各种不同类型的启动-发电机，阐述由西门子VDO汽车公司（位于德国维茨堡）研制的采用异步发电机的启动-发电机系统。
ISG将传统的启动机、发电机和发动机飞轮重新布置,紧凑地装配在一起,可以直接装在位于发动机和变速箱之间的曲轴上。
它使汽车自动协调启动/停止状态的转换,从而提高燃油效率。
由于系统的无电刷定子和转子设计,该系统的组成部件不会磨损和撕裂,因此是免维护的。
同时,该系统支持14伏至42伏电源系统,满足目前正在日益提高的汽车电器负荷。
IGS的发电机最大输出功率为8kW,在整个速度范围内输出效率高于80%,而传统发电机的最大输出功率是1.5kW,最大效率为70%。
2.2.1启动-发电机的基本方案
启动-发电机由两部分组成：
电机部分和电子控制单元（ECU）部分。
图2-1介绍了启动-发电机可能的方案概况。
出于价格原因，人们原则上力求尽可能简单的机械结构。
因为启动-发电机主要承担启动机和发电机的功能，所以可将电机直接布置到发动机的曲轴上，为此设计出了融入动力传动系的启动-发电机。
如果可以选择，人们情愿选择外部解决方式，利用这种解决方式，电机经过传动带或齿轮传动变速与动力传动系相连。
不过，一般这种传动大大限制了可传送的功率，而且还必须考虑机械传动时的其它损耗。
根据各汽车制造商的意见，外部启动-发电机与电源电压无关，一般只适用于传送较小的功率。
为此，西门子VDO汽车公司研发出这一一体化解决方式。
此设计是建立在12V基础之上的带有一个双离合器系统的一体化启动-发电机。
起动过程中，两个离合器处于分离状态；
电机转子首先被单独加速；
其惯量矩将帮助发动机和启动-发电机之间的离合器闭合（飞轮启动）。
过渡到42V电源电压可以显著提高启动-发电机的功率。
在这种情况下，可以放弃第二个离合器；
直接启动发动机，既可以应用带有离合器的手动换挡变速机构，也可以应用带有变矩器的自动变速机构。
但原则上42V启动/发电机也可以采用双离合器系统。
而由于采用第二个离合器的费用太高了，以至于生产厂商更偏爱直接启动的离合器闭合式解决办法。
在这种情况下，电机和整个系统大多要放在一起考虑，一方面要考虑冷启动时电源能够提供的电瓶功率，另一方面还要考虑提供足够高的发电机功率。
所以接下来的考虑涉及到了直接启动的42V启动/发电机。
如图2-2所示。
图2-2直接起动的42V启动发电机
因为一体化启动一发电机系统基本上由电机和电子控制单元两部分组成，所以对整个系统所提的要求都涉及到了有效功率。
为了启动发动机，必须具有最大扭矩。
特别是在低温时，启动将变得尤为困难。
一方面因为这时出现的摩擦力矩最大，另一方面因为蓄电瓶在低温条件下限制了有效功率，所以，典型的一30℃时的冷启动扭矩要求在100一300N·
m之间。
提供这么高扭矩的蓄电瓶功率一般限定在5一7kw。
对于发电机来说，要求达到4一10kw的功率，显然已超过了传统发电机的极限。
一般把所需的发电机功率视作曲轴转数的函数。
在启动时，同样将把所需的扭矩视作转数的函数。
当转数为I000r/min时，典型的启动扭矩将达到50一120N·
m;
当转数为2000r/niln时，启动扭矩在20一60N·
启动运转一般都与高机械功率和高电功率相关联，并且仅在短时间内可行，有代表性的启动时间通常在10一205之间。
甚至再生制动也与高功率相关连。
确切地讲，短时间内发电机运转带来了较高的功率，典型的再生功率为15一20kw。
该功率只只有一部分被反馈给电瓶，而另一部分则被其他电路消耗掉了。
2.2.1.1ISG系统构成与主要功能
ISG型混合动力汽车结构简图，如图2-3所示。
基于起动机/发电机一体化的ISG电机（IntegratedStarterGenerator）布置在发动机与离合器之间，电机的转子与发动机曲轴输出端直接连接，取代了原来的发动机起动机和发电机，同时作为汽车的辅助动力源。
这样的结构可以较好的利用汽车现有的安装空间，不需要对传动系做大的改动，是一种比较有前途的混合动力模式。
图2-3ISG型混合动力汽车结构简图
ISG混合动力系统中发动机和电动机在一根轴上进行转矩耦合，结构简单，系统集成度高。
（1）怠速停机及快速启动
当汽车停车时，发动机立即停止喷油而不进行怠速，即发动机没有怠速工况。
当汽车起步时，电机把发动机快速拖转到怠速转速以上喷油点火。
（2）减速断油及制动能量回收
汽车在减速行驶时，车速降到一定程度后，发动机停喷，并进行能量回收。
当松开制动踏板后，发动机快速恢复喷油。
（3）起步及大负荷助力
在起步及加速、爬坡等大负荷工况时，电机同发动机一起提供转矩，满足转矩不足及大负荷转矩需求，保证发动机工作在高效区域。
（4）高效发电
在电池SOC较低时，可由发动机利用停车时间或在满足驾驶要求以外提供额外转矩驱动ISG电机发电，满足辅助设备用电要求。
从ISG混合动力系统的功能要求可以看出，其主要的特点包括：
低速大转矩起动发动机，驱动时提供辅助功率和制动能量回收，在选择动力部件参数时需要充分考虑这些因素。
2.2.1.2ISG电机参数的确定
在确定ISG电机参数时需要考虑以下几个因素：
在汽车加速和爬坡时助力、确保发动机起动、与发动机转速匹配和与电池充放电匹配。
具体来说，ISG系统要求电机能够短时间（一般不超过0.4s）起动发动机点火，因此要求电机必须具有较大的启动转矩以克服发动机起动的阻力矩；
功率补偿要求在汽车加速或爬坡需要大功率时电机能够提供一部分功率，弥补发动机功率的不足，电机的峰值功率也是需要确定的参数之一；
另外，由于ISG电机需要与发动机在同轴上耦合，电机的转速也需与发动机匹配。
因此根据ISG电机工作条件，需要确定的参数包括：
峰值功率、最大转矩、额定转速、最大转速和额定功率。
ISG混合动力汽车行驶时没有纯电动工况，与发动机功率相比，电机功率相对较小。
一般来说，随着电机功率的增大，汽车的经济性随着提高，但是随着ISG功率的增大，所需电池组数目也必须增多，这样不但增加了整车的重量，而且增加了整车的制造成本。
ISG电机功率的取值应在满足整车节能目标值的前提下，从经济性和制造成本两方面均衡考虑。
根据前述的参数匹配原则，ISG混合动力汽车中的电动机主要提供汽车加速和爬坡时的峰值功率，由汽车行驶方程式求得电机的峰值功率为：
（2.1）
式中：
—电机峰值功率；
i—汽车最大爬坡度；
δ—汽车旋转质量转换系数。
一般来说，汽车实际驾驶过程中，加速和爬坡工况较少同时出现，电机的峰值功率计算可以简化为：
（2.2）或
（2.3）
电机峰值功率的最终取值为两式中的较大值。
ISG混和动力系统中，电机额定
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