【導(dǎo)讀】耗和尾氣排放的關(guān)鍵技術(shù)。介紹了ISG系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成、工作原理，基于對(duì)國內(nèi)外。情況及其發(fā)展趨勢(shì)。車用起動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)是兩個(gè)獨(dú)立的電器設(shè)備,用于起動(dòng)和發(fā)。轉(zhuǎn)矩大,在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速范圍內(nèi),發(fā)電機(jī)功率大,效率高,體積小,適于安裝等優(yōu)點(diǎn)。本文通過對(duì)啟動(dòng)/發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理進(jìn)行分析，實(shí)現(xiàn)啟動(dòng)發(fā)電的雙功能。

　　

【正文】 已經(jīng)逐漸不能滿足需要，現(xiàn)代汽車的電源系統(tǒng)正在向 42/14 電源系統(tǒng)過渡，最終將發(fā)展到 42 伏電源系統(tǒng)。增加蓄電池的容量，在 42/14 伏或 42 伏電源系統(tǒng)中可蘭州工業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 20 采用更大功率電動(dòng)機(jī)（ 10kw 以上），取代飛輪以及原有的起動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)，這就是集成一體化啟動(dòng) /發(fā)電機(jī)技術(shù)。隨著混合動(dòng)力技術(shù)的成熟以及 42 伏車載電源系統(tǒng)時(shí)代的到來， ISG 技術(shù)會(huì)顯示出其更大的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，將成為未來汽車的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)模塊。 ISG 技術(shù)將傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車中功能單一的起動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)合二為一，電機(jī)能夠在電動(dòng)或發(fā)電 狀態(tài)下運(yùn)行，用一個(gè)電機(jī)取代了發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)。采用ISG 技術(shù)，汽車動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)還可以省掉齒形皮帶以及齒輪組等傳動(dòng)部件，內(nèi)燃機(jī)部件可以全部采用電驅(qū)動(dòng)方式，布置更加靈活。由于電動(dòng)機(jī)具有較大的功率，ISG 電動(dòng)機(jī)對(duì)汽車的動(dòng)力輔助具有重要的作用。 ISG 在形式上與傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車相似，但在汽車節(jié)油、排放、發(fā)動(dòng)機(jī)控制及能源管理等方面都有本質(zhì)的提升。在控制器的控制下， ISG 電機(jī)能在發(fā)電或電動(dòng)狀態(tài)下工作，可以方便地根據(jù)汽車的不同運(yùn)行狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)寬變速大容量發(fā)電、能量再生制動(dòng)、發(fā)動(dòng)機(jī)快速起 /?？刂?、電動(dòng)助力、主動(dòng)減振等主要功能 ，從而提高燃油經(jīng)濟(jì)性、降低排放、增加舒適性。 國外 ISG 技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀 大量的實(shí)驗(yàn)研究及道路測(cè)試證明，采用 ISG 技術(shù)的混合動(dòng)力電動(dòng)汽車具有突出的節(jié)油效果，排放低，快速啟?？刂?，動(dòng)力輔助性強(qiáng)，能量再生利用等優(yōu)點(diǎn)。因此，國內(nèi)外許多著名的汽車公司都競(jìng)相研制、采用自己的 ISG 技術(shù)，以順應(yīng)節(jié)能、環(huán)保的世界大趨勢(shì)，提高自己的品牌競(jìng)爭(zhēng)力。由于 ISG 技術(shù)是一項(xiàng)比較新的技術(shù)，在國外大批量生產(chǎn)的汽車上應(yīng)用較少，只有在小批量生產(chǎn)的車型上用到ISG 技術(shù)，如豐田、本田的混合動(dòng)力轎車，國內(nèi)還沒有成熟的 ISG 技術(shù)，但已經(jīng)有研究 機(jī)構(gòu)在研究、開發(fā)車用 ISG 技術(shù)。 本田（ Honda）的輕度混合動(dòng)力汽車 Insight 采用了 ISG 技術(shù)，動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)中作為輔助動(dòng)力的一體化起動(dòng) /發(fā)電機(jī)（ Integrated Starter Alternator,或Integrated Starter Generator）功率為 10KW。超薄型 ISG電機(jī)的厚度僅為 60 mm，采用了抗熱性強(qiáng)的永磁體，薄型線圈。 ISG 電機(jī)直接安裝在內(nèi)燃機(jī)曲軸輸出端，取代了內(nèi)燃機(jī)的飛輪。 ISG 電機(jī)能實(shí)現(xiàn)怠速自動(dòng)停機(jī)和自動(dòng)起動(dòng)功能，在加速時(shí)提供輔助動(dòng)力，減速或制動(dòng)時(shí)工作在發(fā)電狀態(tài)將動(dòng) 能轉(zhuǎn)換成電能。 美國通用的 Precept 混合動(dòng)力車使用一臺(tái) 10KW 的 ISG 電機(jī)與柴油機(jī)安裝在一起，共同組成輕度并聯(lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng)。福特（ Ford）低儲(chǔ)能型（ Low Storage Requirement,LSR）混合動(dòng)力概念車 Prodigy 屬于輕度混合方式，采用了 ISG 技術(shù)，電機(jī)輸出的連續(xù)功率為 3KW，峰值功率為 25KW，由 28 個(gè)鎳氫電池組供電。 福特的另一款混合動(dòng)力車 Escape 也采用 ISG 并聯(lián)式結(jié)構(gòu)， ISG 電動(dòng)機(jī)的功率為 35KW，由 288 伏 NiMH 電池組供電（如圖 32） 沃爾沃，西門子， Delphi（ 如圖 33Boush）等汽車零配件公司也對(duì) ISG 技術(shù)進(jìn)行了研究，并且其產(chǎn)品已經(jīng)批量投入市場(chǎng)。 西門子 VDO汽車公司為 42V電源系統(tǒng)研發(fā)的 ISG系統(tǒng)采用鼠籠式轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)機(jī)，最大輸出功率為 20 kW，起動(dòng)扭矩可達(dá) 200 Nm， ISG 發(fā)電機(jī)在整個(gè)速度范圍內(nèi)輸出效率高于 80%，可以使汽車燃油經(jīng)濟(jì)性提高。 蘭州工業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 21 圖 32 Escape動(dòng)力組合器式混合動(dòng)力 PSHEV（福特） 圖 33 西門子公司的 ISG系統(tǒng) 國內(nèi) ISG 技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀 國內(nèi)的長(zhǎng)安汽車公司聯(lián)合清華大學(xué)、重慶大學(xué)、北航等高校和科研單位，開展了對(duì) ISG 型混合動(dòng)力長(zhǎng)安轎車整車匹配的研究。長(zhǎng)安 ISG 混合動(dòng)力轎車（圖34）采用并聯(lián)結(jié)構(gòu)和起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)一體化技術(shù)，動(dòng)力系統(tǒng)由永磁直流電動(dòng)機(jī)與JL474Q1 發(fā)動(dòng)機(jī)組成，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)具有高性能，高效率的特點(diǎn)。油耗降低 30%以上，整車排放達(dá)到歐Ⅲ標(biāo)準(zhǔn)，續(xù)駛里程不小于 500KM，加速性能和同類內(nèi)燃機(jī)相當(dāng)，價(jià)格只比同檔次的傳統(tǒng)汽車增加不到 30%。一汽“解放牌”混合動(dòng)力城市客車的樣車采用 ISG 技術(shù)，具有純電動(dòng)驅(qū)動(dòng)、發(fā)動(dòng)機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)（同時(shí)充電）、聯(lián)合驅(qū)動(dòng)、電機(jī)啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)以及滑行再生制動(dòng)五種基本工作模式。 蘭州工業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 22 圖 34長(zhǎng)安 ISG混合動(dòng)力系統(tǒng) 東風(fēng)汽車公司根據(jù)國內(nèi)外相關(guān)技術(shù)，在 2020 年與西北工業(yè)大學(xué)共同研究開發(fā)了載重汽車用稀土永磁 G 電機(jī)力技 。特殊設(shè)計(jì)的 ISG 電機(jī)完全適用于 42V 電源系統(tǒng)，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩可達(dá) 770Nm，能使汽車在 秒內(nèi)啟動(dòng)。 東風(fēng)汽車公司的 EQ7200HEV 混合動(dòng)力轎車采用 ISG 技術(shù)，其中 ISG 控制系統(tǒng)由中科院電工研究所為研制， ISG 電機(jī)使用永磁同步電動(dòng)機(jī)，系統(tǒng)的大轉(zhuǎn)矩可達(dá) 178 Nm，能實(shí)現(xiàn) 4 倍弱磁、高效 (92%)電動(dòng)、高效 (94%)發(fā)電、快速狀態(tài)切換、調(diào)速、轉(zhuǎn)矩對(duì)應(yīng)等控制。 上海華普汽車的海尚 305 是 應(yīng)用上海交通大學(xué)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的混合動(dòng)術(shù)改造開發(fā)的一臺(tái)中度混合動(dòng)力轎車。該車采用了發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸 ISG 方案。該車動(dòng)力系統(tǒng)采用華普 MR479QA 電噴汽油機(jī)， ISG 電機(jī)采用 12KW 永磁 磁阻混合同步電機(jī)，由 288V 鎳氫動(dòng)力電池供電。與原型車相比該車城市工況燃油經(jīng)濟(jì)性可提高 20%以上。 BISG 技術(shù) BISG 技術(shù)是基于起動(dòng)發(fā)電機(jī)一體化的輕度混合動(dòng)力汽車傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，也是當(dāng)今最常用的混合動(dòng)力系統(tǒng)。它在發(fā)動(dòng)機(jī)前端用一個(gè)皮帶傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，將發(fā)電機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)聯(lián)結(jié)起來。 BISG 技術(shù)的特點(diǎn)： BISG 混合動(dòng)力汽車屬于 輕度混合動(dòng)力汽車，在提高汽車性能，降低油耗等方面具有如下優(yōu)點(diǎn)： （ 1）． BISG 系統(tǒng)支持 42V 電源系統(tǒng)，滿足目前正在日益提高的汽車電器負(fù)荷，車輛上的輔助設(shè)備都可以改成直接用電來控制，提高設(shè)備效率。 （ 2）． BISG 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，與現(xiàn)有內(nèi)燃機(jī)汽車的動(dòng)力總成相比改動(dòng)很小，13 可以在現(xiàn)有傳統(tǒng)的動(dòng)力總成結(jié)構(gòu)上進(jìn)行很小的改動(dòng)獲得，大大減小了機(jī)構(gòu)的復(fù)雜程度，降低了成本。 （ 3）． BISG 技術(shù)兼有混合動(dòng)力系統(tǒng)的很多優(yōu)點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)起 /?？刂啤㈦妱?dòng)助力、制動(dòng)能量回收等功能，既可改善整車的燃油效率和排放性能，又可提 高整車的動(dòng)力性。其最主要的就是它改善了汽車在起步時(shí)候的工作狀況，取消了怠速工況，可以使燃料消耗量在城市工況下降 15%～ 25%，降低了排放。 （ 4）． BISG 系統(tǒng)一般采用皮帶驅(qū)動(dòng)作為中間撓性件來傳遞動(dòng)力，皮帶驅(qū)動(dòng)平穩(wěn)、無噪聲，而且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，方便維修，相對(duì)造價(jià)較低，能大大降低整個(gè)動(dòng)力總成結(jié)構(gòu)的質(zhì)量與成本。 蘭州工業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 23 （ 5）．電機(jī)通過皮帶與發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸相連；該傳動(dòng)方式可以節(jié)省空間，安裝方便，但是輸出功率較低，一般在輕度混合動(dòng)力系統(tǒng)中采用。 但是， BISG 采用皮帶驅(qū)動(dòng)，需要增加一定的附件，如張緊裝置。同時(shí)，皮帶的滑動(dòng)以及其 遲滯效應(yīng)，會(huì)出現(xiàn)皮帶滑動(dòng)、發(fā)熱、磨損損壞，功率損失等問題，皮帶的壽命也是一個(gè)比較重要的因素。由于電動(dòng)機(jī)及發(fā)電機(jī)的功率較小，對(duì)燃油經(jīng)濟(jì)性的改善能力有限，只適合在城市工況下使用。 BISG 技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀 BISG 系統(tǒng)對(duì)特定行駛工況下燃油消耗的減少有著突出的作用，適用于對(duì)價(jià)格較為敏感的經(jīng)濟(jì)車型，特別適合城市某些專門用途的車輛。而且， BISG 系統(tǒng)對(duì)原有發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力總成的改裝相對(duì)比較容易，對(duì)于汽車廠商來說更加適合推向市場(chǎng)，適合大規(guī)模的生產(chǎn)。由法雷奧 (Valeo)公司、英國交通部、福特汽車，里卡多 (Ricardo)聯(lián)合有限公司和蓋茨 (Gates)公司共同合作研發(fā)的 HyTrans 是歐洲第一輛采用 BISG 的柴油輕度混合動(dòng)力城市運(yùn)貨車。 HyTrans 是以福特 Transit T280柴油車為基本車型，裝配有由法雷奧提供 4 KW 42V 皮帶驅(qū)動(dòng)的起動(dòng)發(fā)電機(jī)，即BISG 系統(tǒng)（法雷奧公司稱之為 STARS 系統(tǒng)，即 beltdriven binedstarter/alternator），通過蓋茨公司的前端輔助驅(qū)動(dòng) FEAD(Front End AncillaryDrive)系統(tǒng)語言與發(fā)動(dòng)機(jī)連接。 奇瑞集團(tuán)的國家節(jié)能環(huán)保汽車工程 技術(shù)研究中心，自主開發(fā)了奇瑞 BSG 混合動(dòng)力汽車，也采用了類似 BISG 的模式。奇瑞 BSG 動(dòng)力系統(tǒng)由 汽油發(fā)動(dòng)機(jī)， 5 速手動(dòng)變速器， 2 KW 起動(dòng)發(fā)電機(jī)和 12V 的鉛酸蓄電池組成。在城郊綜合工況下油耗為 ，排放達(dá)到歐Ⅳ標(biāo)準(zhǔn)。通用汽車公司也推出了采用皮帶傳動(dòng)起動(dòng)發(fā)電機(jī)的輕度混合動(dòng)力汽車，并稱之為 BeltAlternator Starter(BAS)。通用汽車公司的 BAS 系統(tǒng)包括以下幾個(gè)組件，起動(dòng)發(fā)電機(jī)單元，新的發(fā)動(dòng)機(jī)附件 (兩個(gè)張緊輪和皮帶，用以承受發(fā)電機(jī)和起動(dòng)機(jī)的扭矩 )，一個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)控制模塊，42V 的鎳氫 (NiMH)蓄電池等。通用汽車也會(huì)分別在今年和 2020 年將此系統(tǒng)應(yīng)用于土星。 總結(jié) 直流無刷起動(dòng) /發(fā)電機(jī)系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、高容錯(cuò)性、高功率密度和高速運(yùn)行能力等特點(diǎn)，適合應(yīng)用于混合動(dòng)力汽車 ISAD 系統(tǒng)。本文在混合動(dòng)力汽車起動(dòng) /發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，介紹了直流無刷電機(jī)電動(dòng)運(yùn)行以及發(fā)電運(yùn)行的原理，并對(duì)直流無刷電機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)。 首先介紹了 ISAD 系統(tǒng)的研究背景及各國發(fā)展?fàn)顩r。并在 ISAD 系統(tǒng)研究的基蘭州工業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 24 礎(chǔ)上，對(duì)各種電機(jī)進(jìn)行了比較和分析，由于永磁無刷電機(jī)系統(tǒng)效率較高、電機(jī)體積較小、重量較輕、功率 密度大、可靠性高和免維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)使其在 ISAD 系統(tǒng)應(yīng)用中有很強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力。最終選擇采用永磁無刷直流電機(jī)作為本次設(shè)計(jì)的具體方案。用于代替原始的汽車電源系統(tǒng)中的啟動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)來適應(yīng)當(dāng)代汽車技術(shù)的發(fā)展，介紹了直流無刷電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)及作為啟動(dòng)和發(fā)電時(shí)的工作過程。但對(duì)于設(shè)計(jì)中的有些具體運(yùn)算還不夠完善。 因?yàn)閭€(gè)人能力及知識(shí)水平有限，本設(shè)計(jì)還存在很大不足，誠請(qǐng)各位老師指正，在以后的工作和學(xué)習(xí)中，我會(huì)繼續(xù)努力。 致謝 畢業(yè)設(shè)計(jì)這段期間，我得到了老師和同學(xué)的幫助與指導(dǎo)，這是我能夠順利完成畢業(yè)設(shè)計(jì)的重要保證，使我感受到了的團(tuán)結(jié)合作的氛圍。 通過這次畢業(yè)設(shè)計(jì)，我不但鞏固了以前所學(xué)的專業(yè)知識(shí)，并從中學(xué)到了很多新的東西，在這里，我向在這三年里給予過我巨大幫助的老師和同學(xué)們表示衷心的感謝，正是他們的幫忙才讓我得以圓滿的完成三年的學(xué)業(yè)和這次的畢業(yè)設(shè)計(jì)。 蘭州工業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 25 能夠成功完成自己的課題，首先要感謝 尹新權(quán) 老師花費(fèi)很多寶貴時(shí)間來耐心指導(dǎo)我， 他 不光為我提供了良好的畢業(yè)設(shè)計(jì)的環(huán)境和條件，而且由于 他 的耐心指導(dǎo)使我在這次畢業(yè)設(shè)計(jì)中不僅學(xué)會(huì)了更多的書本及實(shí)踐知識(shí)， 使我明確設(shè)計(jì)思路并確定最終設(shè)計(jì)方案。順利地完成畢業(yè)設(shè) 計(jì)任務(wù)， 更讓我學(xué)會(huì)了做事要認(rèn)真，避免馬虎。 非常感謝我組的全體組員，他們?cè)谡麄€(gè)開發(fā)過程中提出了許多建設(shè)性意見，并給我解決了一些專業(yè)性問題，他們的幫助使我受益匪淺。在以后的學(xué)習(xí)生活中我將以加倍的努力作為對(duì)給予我?guī)椭膶W(xué)校、老師及同學(xué)們的回報(bào)。 最后感謝各位老師和同學(xué)在百忙之中來聽我做畢業(yè)答辯，設(shè)計(jì)中存在許多問題和不足希望各位老師和同學(xué)批評(píng)指正。謝謝！ 參考文獻(xiàn) [1].汽車工程手冊(cè)編委會(huì) .汽車工程手冊(cè)一基礎(chǔ)篇 .北京 :人民交通 出版社 .2020 [2].汽車工程手冊(cè)編委會(huì) .汽車工程手冊(cè)一設(shè)計(jì)篇 .北京 :人民交通出版社 .2020 [3].劉惟信 .汽車設(shè)計(jì) .北京 :清華大學(xué)出版社 .2020 [5].王秀和等編著 .永磁電機(jī) .中國電力出版社， 2020 [6].龍駒 .永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì) .西南交通大學(xué)出版社， 2020 蘭州工業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 26 [7].夏小華，吳小清 .混合動(dòng)力汽車電動(dòng)機(jī)的選擇與仿真比較 .汽車技術(shù)， 2020， [8].周淵深編 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