【文章內(nèi)容簡介】 制動(dòng)也與高功率相關(guān)連。確切地講，短時(shí)間內(nèi)發(fā)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)帶來了較高的功率，典型的再生功率為 15 一 20kw。該功率只只有一部分被反饋給電瓶，而另一部分則被其他電路消耗掉了。 ISG 系統(tǒng)構(gòu)成與主要功能 ISG 型混合動(dòng)力汽車結(jié)構(gòu)簡圖，如圖 23 所示?；谄饎?dòng)機(jī) /發(fā)電機(jī)一體化的 ISG 電機(jī)（ Integrated Starter Generator）布置在發(fā)動(dòng)機(jī) 與離合器之間，電機(jī)的轉(zhuǎn)子與發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸輸出端直接連接，取代了原來的發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)，同時(shí)作為汽車的輔助動(dòng)力源。這樣的結(jié)構(gòu)可以較好的利用汽車現(xiàn)有的安裝空間，不需要對傳動(dòng)系做大的改動(dòng)，是一種比較有前途的混合動(dòng)力模式。 圖 23 ISG型混合動(dòng)力汽車結(jié)構(gòu)簡圖 ISG 混合動(dòng)力系統(tǒng)中發(fā)動(dòng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)在一根軸上進(jìn)行轉(zhuǎn)矩耦合，結(jié)構(gòu)簡單，系統(tǒng)集成度高。 （ 1）怠速停機(jī)及快速啟動(dòng) 當(dāng)汽車停車時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)立即停止噴油而不進(jìn)行怠速，即發(fā)動(dòng)機(jī)沒有怠速工況。當(dāng)汽車起步時(shí)，電機(jī)把發(fā)動(dòng)機(jī)快速拖轉(zhuǎn)到怠速轉(zhuǎn)速以上噴油點(diǎn)火。 （ 2）減速斷油 及制動(dòng)能量回收 汽車在減速行駛時(shí)，車速降到一定程度后，發(fā)動(dòng)機(jī)停噴，并進(jìn)行能量回收。當(dāng)松開制動(dòng)踏板后，發(fā)動(dòng)機(jī)快速恢復(fù)噴油。 （ 3）起步及大負(fù)荷助力 在起步及加速、爬坡等大負(fù)荷工況時(shí)，電機(jī)同發(fā)動(dòng)機(jī)一起提供轉(zhuǎn)矩，滿足轉(zhuǎn)矩不足及大負(fù)荷轉(zhuǎn)矩需求，保證發(fā)動(dòng)機(jī)工作在高效區(qū)域。 （ 4）高效發(fā)電 在電池 SOC 較低時(shí)，可由發(fā)動(dòng)機(jī)利用停車時(shí)間或在滿足駕駛要求以外提供額外轉(zhuǎn)矩驅(qū)動(dòng) ISG 電機(jī)發(fā)電，滿足輔助設(shè)備用電要求。從 ISG 混合動(dòng)力系統(tǒng)的功能要求可以看出，其主要的特點(diǎn)包括：低速大轉(zhuǎn)矩起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，驅(qū)動(dòng)時(shí)提供輔助功率和制動(dòng)能量回收，在 選擇動(dòng)力部件參數(shù)時(shí)需要充分考慮這些因素。 ISG 電機(jī)參數(shù)的確定 在確定 ISG 電機(jī)參數(shù)時(shí)需要考慮以下幾個(gè)因素：在汽車加速和爬坡時(shí)助力、確保發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)、與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速匹配和與電池充放電匹配。具體來說， ISG 系統(tǒng)要求電機(jī)能夠短時(shí)間（一般不超過 ）起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火，因此要求電機(jī)必須具有較大的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩以克服發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)的阻力矩；功率補(bǔ)償要求在汽車加速或爬蘭州工業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 11 坡需要大功率時(shí)電機(jī)能夠提供一部分功率，彌補(bǔ)發(fā)動(dòng)機(jī)功率的不足，電機(jī)的峰值功率也是需要確定的參數(shù)之一；另外，由于 ISG 電機(jī)需要與發(fā)動(dòng)機(jī)在同軸上耦合，電機(jī)的 轉(zhuǎn)速也需與發(fā)動(dòng)機(jī)匹配。因此根據(jù) ISG 電機(jī)工作條件，需要確定的參數(shù)包括：峰值功率、最大轉(zhuǎn)矩、額定轉(zhuǎn)速、最大轉(zhuǎn)速和額定功率。 ISG 混合動(dòng)力汽車行駛時(shí)沒有純電動(dòng)工況，與發(fā)動(dòng)機(jī)功率相比，電機(jī)功率相對較小。一般來說，隨著電機(jī)功率的增大，汽車的經(jīng)濟(jì)性隨著提高，但是隨著 ISG功率的增大，所需電池組數(shù)目也必須增多，這樣不但增加了整車的重量，而且增加了整車的制造成本。 ISG 電機(jī)功率的取值應(yīng)在滿足整車節(jié)能目標(biāo)值的前提下，從經(jīng)濟(jì)性和制造成本兩方面均衡考慮。 根據(jù)前述的參數(shù)匹配原則， ISG 混合動(dòng)力汽車中的電動(dòng)機(jī)主要提供汽車加速和 爬坡時(shí)的峰值功率，由汽車行駛方程式求得電機(jī)的峰值功率為： vDm pvdtdvmm g iAvCm g fp ????? )(3600 12max ?? （ ） 式中： maxmp— 電機(jī)峰值功率； i— 汽車最大爬坡度； δ — 汽車旋轉(zhuǎn)質(zhì)量轉(zhuǎn)換系數(shù)。 一般來說，汽車實(shí)際駕駛過程中，加速和爬坡工況較少同時(shí)出現(xiàn)，電機(jī)的峰值功率計(jì)算可以簡化為： ?3600m ax mgivpm ? （ ）或dtdvmvp m ??3600m a x ? （ ） 電機(jī)峰值功率的最終取值為兩式中的較大值。 ISG 混和動(dòng)力系統(tǒng)中，電機(jī)額定功率的確定主要考慮蓄電池的充放電功率需求?？梢耘c電池參數(shù)選擇綜合考慮加以確定。 ISG 混合動(dòng)力系統(tǒng)中， ISG 電機(jī)與發(fā)動(dòng)機(jī)在同軸上進(jìn)行轉(zhuǎn)矩合成，因此電機(jī)與發(fā)動(dòng)機(jī)之間速比為 1， ISG 電機(jī)的最大轉(zhuǎn)速應(yīng)等于或大于（主要考慮 ISG 電機(jī)的功率儲(chǔ)備）發(fā)動(dòng)機(jī)最大轉(zhuǎn)速，即： maxn和maxen其中： nmaxn、maxen— 電機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)最大轉(zhuǎn)速。 適用于電動(dòng)車輛使用的電動(dòng)機(jī)外特性為：在額定轉(zhuǎn)速rmn以下，電動(dòng)機(jī)以恒轉(zhuǎn)矩模式工作，額定轉(zhuǎn)速rmn以上，以恒功率模式工作，電機(jī)的最高轉(zhuǎn)速與額定轉(zhuǎn)速的比值，稱為電機(jī)擴(kuò)大恒功率區(qū) 系數(shù)β對電機(jī)參數(shù)影響很大，在最大轉(zhuǎn)速確定的基礎(chǔ)上，隨β值增大，額定轉(zhuǎn)速越低，對應(yīng)的電機(jī)額定轉(zhuǎn)矩越高。考慮到 ISG 電機(jī)在低速時(shí)需要大轉(zhuǎn)矩起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，因此β值可以取的大一些。但是隨著β值的增大，對電機(jī)支撐要求也隨之增大。另外，大轉(zhuǎn)矩需要較大的電機(jī)電流和電子設(shè)備，增加了功率變換器矽鋼蘭州工業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 12 片的尺寸和損耗，所以必須協(xié)調(diào)考慮選定的發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)所要求的電機(jī)最大轉(zhuǎn)矩和電子設(shè)備損耗來最終確定電機(jī)的β值大小。 .2 對一體化啟動(dòng) 發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的獨(dú)特要求 因?yàn)橐惑w化啟動(dòng) 發(fā)電機(jī)系統(tǒng)基本上由電機(jī)和電子控制單元兩部分組成，所以對整個(gè)系統(tǒng)所提的要求都涉及到了有效功率。 為了啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，必須具有最大扭矩。特別是在低溫時(shí)，啟動(dòng)將變得尤為 困難。一方面因?yàn)檫@時(shí)出現(xiàn)的摩擦力矩最大，另一方面因?yàn)樾铍娖吭诘蜏貤l件下限制了有效功率，所以，典型的 30℃ 時(shí)的冷啟動(dòng)扭矩要求在 100～ 300Nm 之間。提供這么高扭矩的蓄電瓶功率一般限定在 5～ 7kW。 對于發(fā)電機(jī)來說，要求達(dá)到 4～ 10kW 的功率，顯然已超過了傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)的極限。一般把所需的發(fā)電機(jī)功率視作曲軸轉(zhuǎn)數(shù)的函數(shù)。在啟動(dòng)時(shí)，同樣將把所需的扭矩視作轉(zhuǎn)數(shù)的函數(shù)。當(dāng)轉(zhuǎn)數(shù)為 1000r/min 時(shí)，典型的啟動(dòng)扭矩將達(dá)到 50～120Nm ；當(dāng)轉(zhuǎn)數(shù)為 2020r/min 時(shí)，啟動(dòng)扭矩在 20～ 60Nm 之間。啟動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)一般都與 高機(jī)械功率和高電功率相關(guān)聯(lián)，并且僅在短時(shí)間內(nèi)可行，有代表性的啟動(dòng)時(shí)間通常在 10～ 20s 之間。 甚至再生制動(dòng)也與高功率相關(guān)連。確切地講，短時(shí)間內(nèi)發(fā)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)帶來了較高的功率，典型的再生功率為 15～ 20kW。該功率只有一部分被反饋給電瓶，而另一部分則被其他電路消耗掉了 。 除此之外對啟動(dòng) /發(fā)電機(jī)的要求 : （ 1） 機(jī)械限制 在車內(nèi)的安裝空間原則上有限制，尤其是對電機(jī)而言。因?yàn)樗苯硬贾迷谇S上，一般電機(jī)運(yùn)動(dòng)部分的最大許用外徑在 250～ 350mm 之間，最小許用內(nèi)徑在 150～ 250mm 之間，允許電機(jī)軸向總長在 60～ 120mm 之間變化。甚至對電子控制單元（ ECU）也有安裝體積限制。但因?yàn)?ECU 可以安裝在車內(nèi)不同的位置上，因此具有較大的靈活性。 （ 2） 特殊邊界條件 在汽車的整個(gè)壽命期內(nèi)，一體化啟動(dòng) 發(fā)電機(jī)系統(tǒng)必須保持其功效性。為了獲得相應(yīng)的證書，必須按照 ICE68 第二部分進(jìn)行一系列試驗(yàn)。這些試驗(yàn)對電機(jī)的要求極高，電機(jī)必須能夠無妨害地吸收發(fā)動(dòng)機(jī)和傳動(dòng)裝置的震動(dòng)，甚至在高達(dá) 14000r/min 的轉(zhuǎn)速情況下出現(xiàn)的離心力也必須得到機(jī)械控制。電機(jī)繞組必須能夠承受得住 180℃ 的持續(xù)高溫和高達(dá) 200℃ 的最大高溫，而且必須進(jìn)行高溫老化試驗(yàn) 。電機(jī)必須能耐大量的化學(xué)制品，這一要求涉及到全部電機(jī)部件，特別是繞組的絕緣部分。此外，還必須證明其耐金屬粉末性，這些金屬粉末將導(dǎo)致機(jī)械磨損和損害繞組。 啟動(dòng)發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 直流電機(jī)的工作原理就是把電樞線圈中感應(yīng)產(chǎn)生的交變電動(dòng)勢，靠換向器配合電刷的換向作用，使之從電刷端引出時(shí)變?yōu)橹绷麟妱?dòng)勢的原理。 電刷上不加直流電壓，用原動(dòng)機(jī)拖動(dòng)電樞使之逆時(shí)針方向恒速轉(zhuǎn)動(dòng)，線圈兩邊就分別切割不同極性磁極下的磁力線，而在其中感應(yīng)產(chǎn)生電動(dòng)勢，電動(dòng)勢方向按右手定則確定。這種電磁情況表示在圖上。由于電樞連續(xù)地 旋轉(zhuǎn)，因此，必須使載流導(dǎo)體在磁場中所受到線圈邊 ab和 cd交替地切割 N極和 S極下的磁力線，雖然每個(gè)線圈邊和整個(gè)線圈中的感應(yīng)電動(dòng)勢的方向是交變的．線圈內(nèi)的感應(yīng)電動(dòng)勢是一種交變電動(dòng)勢，而在電刷 A， B 端的電動(dòng)勢卻 為直流電動(dòng)勢 (說得確切一些，是一種方向不變的脈振電動(dòng)勢 )。因?yàn)?，電樞在轉(zhuǎn)動(dòng)過程中，無論電樞轉(zhuǎn)到什么蘭州工業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 13 位置，由于換向器配合電刷的換向作用，電刷 A 通過換向片所引出的電動(dòng)勢始終是切割 N 極磁力線的線圈邊中的電動(dòng)勢，因此，電刷 A 始終有正極性。同樣道理，電刷 B 始終有負(fù)極性，所以電刷端能引出方向不變的但大小變化的脈振電動(dòng)勢。如每極下的線圈數(shù)增多，可使脈振程度減小，就可獲得直流電動(dòng)勢。這就是直流發(fā)電機(jī)的工作原理。同時(shí)也說明子直流發(fā)電機(jī)實(shí)質(zhì)上是帶有換向器的交流發(fā)電機(jī)。 從基本電磁情況來看，一臺直流電機(jī)原則上既可工作為 電動(dòng)機(jī)運(yùn)行，也可以作為發(fā)電機(jī)運(yùn)行，只是約束的條件不同而已。在直流電機(jī)的兩電刷端上，加上直流電壓，將電能輸入電樞，機(jī)械能從電機(jī)軸上輸出，拖動(dòng)生產(chǎn)機(jī)械，將電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能而成為電動(dòng)機(jī)，如用原動(dòng)機(jī)拖動(dòng)直流電機(jī)的電樞，而電刷上不加直流電壓，則電刷端可以引出直流電動(dòng)勢作為直流電源，可輸出電能，電機(jī)將機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能而成為發(fā)電機(jī)。同一臺電機(jī)，能作電動(dòng)機(jī)或作發(fā)電機(jī)運(yùn)行的這種原理．在電機(jī)理論中稱為可逆原理。 眾所周知，一般的直流電動(dòng)機(jī)的定子由永久磁鋼組成，其主要的作用是在電動(dòng)機(jī)氣隙中產(chǎn)生磁場。其電樞繞組通電后產(chǎn)生反應(yīng)磁場。 由于電刷的換向作用，使得這兩個(gè)磁場的方向在直流電動(dòng)機(jī)運(yùn)行的過程中始終保持相互垂直，從而產(chǎn)生最大轉(zhuǎn)矩而驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)不停地運(yùn)轉(zhuǎn)。我們都知道，有刷直流電機(jī)電樞繞組中感應(yīng)的電勢和實(shí)際通過的電流其實(shí)是交變的。在有刷直流電機(jī)中，電刷不僅起著引導(dǎo)電流的作用，而且由于電樞導(dǎo)體在經(jīng)過電刷所在位置時(shí)，其中的電流要改變方向，所以電刷的位置決定著電機(jī)中電流換向的地點(diǎn)。這就是說，有刷直流電機(jī)的電刷起著電樞電流換向位置的檢測作用。 電動(dòng)機(jī)的電樞繞組通常有三種接法，三相非橋式星形接法，三相橋式星形接法，三相封閉式橋式接法 (繞組為三角形接法 )。在三相橋式中，功率開關(guān)元件的導(dǎo)通方式又可以分為兩兩導(dǎo)通 (1200 導(dǎo)通型 )和三三導(dǎo)通 (1800 導(dǎo)通型 )，其輸出的轉(zhuǎn)矩大小不同，但轉(zhuǎn)矩性質(zhì)相同。 電機(jī)的運(yùn)行原理 : 電機(jī)起動(dòng) /發(fā)電系統(tǒng)的工作過程可分為兩個(gè)階段來考慮，第一個(gè)階段，由蓄電池供電，電動(dòng)機(jī)狀態(tài)運(yùn)行，電機(jī)起動(dòng)；第二個(gè)階段，起動(dòng)完成后，由發(fā)動(dòng)機(jī)拖動(dòng)，轉(zhuǎn)為發(fā)電機(jī)狀態(tài)運(yùn)行，向電氣設(shè)備供電。 直流電機(jī)的可逆運(yùn)行原理 ： 一臺直流電機(jī)原則上既可以作為電動(dòng)機(jī)運(yùn)行 ,也可以作為發(fā)電機(jī)運(yùn)行 ,這種原理在電機(jī)理論中稱為可逆原理。當(dāng)原動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電樞繞組在主磁極 N、 S 之間旋轉(zhuǎn)時(shí)，電 樞繞組上感生出電動(dòng)勢，經(jīng)電刷、換向器裝置整流為直流后，引向外部負(fù)載（或電網(wǎng)），對外供電，此時(shí)電機(jī)作直流發(fā)電機(jī)運(yùn)行。如用外部直流電源，經(jīng)電刷換向器裝置將直流電流引向電樞繞組，則此電流與主磁極 互相作用，產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子與連接于其上的機(jī)械負(fù)載工作，此時(shí)電機(jī)作直流電動(dòng)機(jī)運(yùn)行 目前，電動(dòng)機(jī)的電機(jī)本體大多采用三相對稱繞組，由于三相繞組既可以是星形連接，也可以是角形連接，同時(shí)功率逆變器又有橋式和非橋式兩種 .因此，電機(jī)的主電路主要有星形連接三相半橋式、星形連接三相橋式和角形連接三相橋式三種形式。三相半橋 式電路雖然結(jié)構(gòu)簡單，但電機(jī)的本體利用率很低，每相繞組只通電 1/3 周期， 2/3 周期處于關(guān)斷狀態(tài)，繞組沒有得到充分利用，在整個(gè)運(yùn)行過程中轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)也比較大。因此，目前以星形連接三相橋式主電路的應(yīng)用最多。 電動(dòng)機(jī)的定子繞組多做成三相對稱星形接法，同三相異步電動(dòng)機(jī)十分相似。電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子上粘有已充磁的永磁體，為了檢測電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的極性，在電動(dòng)機(jī)內(nèi)蘭州工業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 14 裝有位置傳感器。驅(qū)動(dòng)器由功率電子器件和集成電路等構(gòu)成，其功能是：接受電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)、停止、制動(dòng)信號，以控制電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)、停止和制動(dòng)；接受位置傳感器信號和正反轉(zhuǎn)信號，用來控制逆變橋各 功率管的通斷，產(chǎn)生連續(xù)轉(zhuǎn)矩；接受速度指令和速度反饋信號，用來控制和調(diào)整轉(zhuǎn)速；提供保護(hù)和顯示等等。 電機(jī)的發(fā)電機(jī)狀態(tài) 當(dāng)電機(jī)起動(dòng)完成后，通過控制線路的切換，電機(jī)轉(zhuǎn)入發(fā)電機(jī)狀態(tài)運(yùn)行。電機(jī)相當(dāng)于發(fā)電機(jī)，與傳統(tǒng)的電機(jī)不同，發(fā)出來的三相交流電要通過全波整流橋?qū)⑵湔鞒芍绷麟姟ｋ姍C(jī)空載時(shí)，定子繞組開路不帶負(fù)載，切割主磁通Φ產(chǎn)生對稱三相感應(yīng)電勢 。此時(shí)，定子繞組電流為零，電機(jī)端電壓 U 就是繞組的感應(yīng)電勢 E。 下面具體分析發(fā)電時(shí)電機(jī)帶負(fù)載的運(yùn)行情況： 一般情況下，起動(dòng) /發(fā)電系統(tǒng)在發(fā)電過程中都是通過整流裝置向蓄電池或者其他設(shè)備 提供直流電的。這里也主要討論的是經(jīng)過整流之后帶負(fù)載的情況。由于感應(yīng)電勢為梯形波，經(jīng)過橋式整流后輸出的直流電壓紋波較小，需要的輸出濾波裝置也相對簡單。理想情況下，輸出電壓應(yīng)該是沒有脈動(dòng)的。 圖 24 所示為直流電機(jī)和二極管全波整流橋構(gòu)成的系統(tǒng)，功率管 T 用來進(jìn)行電壓的調(diào)節(jié) , 和 為負(fù)載的等效電路。