【正文】 G 控制技術，包括快速起動、高效發(fā)電和電動、發(fā)電模式自由切換的控制； （ 3）發(fā)電運行時能在寬速度范圍內(nèi)發(fā)出恒定的電壓供給蓄電池充電； 4）電機控制器設計要結構合理緊湊、安裝快捷、便于調(diào)試、安全性好 。電機是系統(tǒng)的執(zhí)行機構，目前可選擇的主要有異步電機、永磁電機、開關磁阻電機和爪極電機。 在發(fā)動機起動過程中，電能由蓄電池經(jīng)功率變換器逆變供給 ISG 電機，快速拖動發(fā)動機到起動速度后進行點火，完成起動過程；發(fā)動機起動后，拖動 ISG 電機運行，此時電機處于發(fā)電狀態(tài)，電能通過功率變換器整流后給蓄電池充電，并給車用負載供電。下面對這些電機作一個簡單的比較。早期的起動 /發(fā)電系統(tǒng)多采用有刷直流電機，其優(yōu)點是起動性能良好、控制簡單，但由于電刷和換向器的存在，使得這種起動 /發(fā)電系統(tǒng)維護復雜，使用壽命短；另一方面發(fā)電功率和起動功率也受到很大限制。由于開關磁阻電機轉(zhuǎn)子沒有繞組和永磁體，轉(zhuǎn)子結構對溫度不敏感，電機的最高運行溫度取決于絕緣系統(tǒng)，因此其高溫環(huán)境的運行能力優(yōu)良。 （ 3）電勵磁同步電機 電勵磁交流同步電機作為發(fā)電機已經(jīng)得到了廣泛的應用，即可以用于變頻恒速電源，也可以用于直流供電。這種結構可以充分利用現(xiàn)有電源裝置，對系統(tǒng)改造較小。這樣就要重新設計電機結構，增加了電機體積和重量。又因無需勵磁電流，省去了勵磁損耗，提高了電機的效率和功率密度。 （ 5）無刷直流電機 無刷直流電機用電子換向器取代了普通直流電機的電 刷和換向器的機械換相，擁有普通直流電機的控制性能和調(diào)速性能，沒有了由于機械換相帶來的諸多蘭州工業(yè)學院畢業(yè)設計（論文） 6 限制。 基于 ISG 系統(tǒng)的功能特點，該系統(tǒng)電機應滿足大起動轉(zhuǎn)矩和寬調(diào)速范圍、體積和質(zhì)量小、發(fā)電效率高、可靠性高的要求。這種電機是同步磁阻電機和同步永磁電機的結合體，轉(zhuǎn)子結構有一段普通永磁轉(zhuǎn)子和一段不對稱的磁阻轉(zhuǎn)子同軸連接而成，電樞反應電感 LdLq，且 Ld值較大。混合勵磁永磁同步電機的磁場由轉(zhuǎn)子上的永磁體和定子上的直流勵磁繞組共同提供，調(diào)節(jié)直流勵磁繞組就可以調(diào)節(jié)氣隙磁場。 為了滿足永磁 ISG 系統(tǒng)快速起停、高效電動、高效發(fā)電和強魯棒性等要求，永磁 ISG 主要采用的控制策略是：電動運行時的最大轉(zhuǎn)矩 /電流控制和發(fā)電運行時的弱磁控制。 ISG 系統(tǒng)作用 、性能要求 和意義 ISG 系統(tǒng)功率較大 ，達 4～ 35 kW；快速起動功能能夠提高燃油效率并降低尾氣排放。 ISG 電動 /發(fā)電機的作用為：（ 1）發(fā)動機啟動時作為發(fā)動機的啟動機，帶動發(fā)動機啟動；（ 2）發(fā)動機運轉(zhuǎn)時被發(fā)動機帶動作為發(fā)電機，可以為蓄電池組充電和為驅(qū)動電動機提供電力；（ 3）在某些 HEV 上 ISG 還參與車輛的驅(qū)動，為車輛加速或爬坡提供輔助動力；（ 4）在車輛制動時作為發(fā)電機，回收制動反饋的能量。 2）質(zhì)量和體積與傳統(tǒng)內(nèi)燃機汽車飛輪相當，連續(xù)功率： 8— 10KW，峰值功率 15KW 左右，發(fā)電狀態(tài)效率大于 70%，電動狀態(tài)效率大于 80%，起動發(fā)動機時間小于 。 ISG 系統(tǒng)可用于 42 V 系統(tǒng)、 14 V 系統(tǒng)和 14V/42V 混合電源系統(tǒng)當中?？紤]安全電壓 的前提下，采用42 Ｖ電源更適合提高 ISG 系統(tǒng)的工作效率。磁場可控的永磁同步 ISG 系統(tǒng)是發(fā)展方向。 ISG 的功能 （ 1） 自動起停功能 傳統(tǒng)的車用起動機只將內(nèi)燃機加速至起動轉(zhuǎn)速 (例如200r/min)， ISG 作為電動機在短時間內(nèi) (通常加速時間僅為 ～ s)將內(nèi)燃機加速至怠速轉(zhuǎn)速 (例如 800r/min)，然后內(nèi)燃機才開始 缸內(nèi)的燃燒過程。自動起停功能的實現(xiàn)過程如下：如果汽車較長時間處于空載狀態(tài)，例如在路口等紅燈時，內(nèi)燃機一直處于怠速，控制系統(tǒng)自動使內(nèi)燃機停止運行，同時 ISG 也停止工作，需要起步時， ISG 在 ～ s 的短時間內(nèi)完成起動任務。 （ 2） 功率補償功能 內(nèi)燃機在低速大負荷時 的燃油經(jīng)濟性和排放性能均不佳，通常情況下內(nèi)燃機在此工況下的轉(zhuǎn)矩輸出有限，如果需要內(nèi)燃機在低速大負荷時能夠提供較大的功率就必須選用更大排量的內(nèi)燃機，這樣雖然滿足了動力性要求，但犧牲了燃油經(jīng)濟性。例如，當內(nèi)燃機以較低轉(zhuǎn)速運轉(zhuǎn)時，如果加速踏板的行程大于滿行程的 90%， ISG 就開始進行功率補償，當加速踏板達到滿行程時， ISG 提供最大瞬時功率。普通車用發(fā)電機通常由內(nèi)燃機曲軸通過皮帶驅(qū)動，最大輸出功率僅為 ～ kW，發(fā)電機的最大效率為 70%，而高速時僅為 30%，無法滿足現(xiàn)代汽車電子產(chǎn)品功率需求。 （ 4） 其余功能 除了以上 3 個主要功能以外 ， ISG 還可以將汽車減速或制動時的動能轉(zhuǎn)換成電能，為車載電池進行充電，提高燃油經(jīng)濟性。內(nèi)燃機附件全部采用電動方式驅(qū)動，齒形皮帶及齒輪組可以全部省掉，同時可以省去傳統(tǒng)的發(fā)電機和電動機，內(nèi)燃機附件的布置可以更加靈活。 混合動力汽車整車結構和動力系統(tǒng)參數(shù)的合理匹配對整車動力性、燃油經(jīng)濟性有決定性的影響。不同結構的混合動力系統(tǒng)，對動力部件參數(shù)的匹配具有不同的要求。 ISG 系統(tǒng)由于其結構和 性能上的優(yōu)勢，逐漸成為當今混合動力研究和開發(fā)的熱點。目前使用較多的有直流有刷、永磁無刷、交流感應和開關磁阻等四種電機。日本研制的電動汽車幾乎全部使用永磁無刷電機，其主要優(yōu)點是效率可以比交流感應電機高 6 個百分點，但價格較貴，永磁材料一般僅耐熱 120℃以下。 對于電動汽車而言，由于電能是由各類電池提供，價格昂貴而彌足珍貴，所以使用相對效率最高的永磁無刷電機是較為合理的，它已被廣泛用于功率小于100kW 的現(xiàn)代電動汽車上。該啟動 發(fā)電機除了具有更大的功率和更高的效率之外，還肩負著其它功能。 ISG 將傳統(tǒng)的啟動機、發(fā)電機和發(fā)動機飛輪重新布置 ,緊湊地裝配在一起 ,可以直接裝在位于發(fā)動機和變速箱之間的曲軸上。由于系統(tǒng)的無電刷定子和轉(zhuǎn)子設計 ,該系統(tǒng)的組成部件不會磨損和撕裂 ,因此是免維護的。 IGS 的發(fā)電機最大輸出功率為 8kW,在整個速度范圍內(nèi)輸出效率高于 80%,而傳統(tǒng)發(fā)電機的最大輸出功率是 ,最大效率為 70%。圖 21介紹了啟動 發(fā)電機可能的方案概況。因為啟動 發(fā)電機主要承擔啟動機和發(fā)電機的功能，所以可將電機直接布置到發(fā)動機的曲軸上，為此設計出了融入動力傳動系的啟動 發(fā)電機 。不過，一般這種傳動大大限制了可傳送的功率，而且還必須考慮機械傳動時的其它損耗。為此，西門子 VDO 汽車公司研發(fā)出這一一體化解決方式。 起 動過程中，兩個離合器處于分離狀態(tài)；電機轉(zhuǎn)子首先被單獨加速；其慣量矩將幫助發(fā)動機和啟動 發(fā)電機之間的離合器閉合（飛輪啟動）。在這種情況下，可以放棄第二個離合器；直接啟動發(fā)動機，既可以應用帶有離合器的手動換擋變速機構，也可以應用帶有變矩器的自動變速 機構。 而由于 采用第二個離合器的費用太高了，以至于生產(chǎn)廠商更偏愛直接啟動的離合器閉合式解決辦法。所以接下來的考慮涉及到了直接啟動的 42V 啟動 /發(fā)電機。 圖 22 直接起動的 42V啟動發(fā)電機 因為一體化啟動一發(fā)電機系統(tǒng)基本上由電機和電子控制單元兩部分組成，所以對整個系統(tǒng)所提的要求都涉及到了有效功率。特別是在低溫時，啟動將變得尤為困難。 m 之間。對于發(fā)電機來說，要求達到 4 一 10kw 的功率，顯然已超過了傳統(tǒng)發(fā)電機的極限。在啟動時，圖 21 啟動 /發(fā)電機方案 蘭州工業(yè)學院畢業(yè)設計（論文） 10 同樣將把所需的扭矩視作轉(zhuǎn)數(shù)的函數(shù)。 m。 m 之間。甚至再生制動也與高功率相關連。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?；谄饎訖C /發(fā)電機一體化的 ISG 電機（ Integrated Starter Generator）布置在發(fā)動機 與離合器之間，電機的轉(zhuǎn)子與發(fā)動機曲軸輸出端直接連接，取代了原來的發(fā)動機起動機和發(fā)電機，同時作為汽車的輔助動力源。 圖 23 ISG型混合動力汽車結構簡圖 ISG 混合動力系統(tǒng)中發(fā)動機和電動機在一根軸上進行轉(zhuǎn)矩耦合，結構簡單，系統(tǒng)集成度高。當汽車起步時，電機把發(fā)動機快速拖轉(zhuǎn)到怠速轉(zhuǎn)速以上噴油點火。當松開制動踏板后，發(fā)動機快速恢復噴油。 （ 4）高效發(fā)電 在電池 SOC 較低時，可由發(fā)動機利用停車時間或在滿足駕駛要求以外提供額外轉(zhuǎn)矩驅(qū)動 ISG 電機發(fā)電，滿足輔助設備用電要求。 ISG 電機參數(shù)的確定 在確定 ISG 電機參數(shù)時需要考慮以下幾個因素：在汽車加速和爬坡時助力、確保發(fā)動機起動、與發(fā)動機轉(zhuǎn)速匹配和與電池充放電匹配。因此根據(jù) ISG 電機工作條件，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。一般來說，隨著電機功率的增大，汽車的經(jīng)濟性隨著提高，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。 根據(jù)前述的參數(shù)匹配原則， ISG 混合動力汽車中的電動機主要提供汽車加速和 爬坡時的峰值功率，由汽車行駛方程式求得電機的峰值功率為： vDm pvdtdvmm g iAvCm g fp ????? )(3600 12max ?? （ ） 式中： maxmp— 電機峰值功率； i— 汽車最大爬坡度； δ — 汽車旋轉(zhuǎn)質(zhì)量轉(zhuǎn)換系數(shù)。 ISG 混和動力系統(tǒng)中，電機額定功率的確定主要考慮蓄電池的充放電功率需求。 ISG 混合動力系統(tǒng)中， ISG 電機與發(fā)動機在同軸上進行轉(zhuǎn)矩合成，因此電機與發(fā)動機之間速比為 1， ISG 電機的最大轉(zhuǎn)速應等于或大于（主要考慮 ISG 電機的功率儲備）發(fā)動機最大轉(zhuǎn)速，即： maxn和maxen其中： nmaxn、maxen— 電機和發(fā)動機最大轉(zhuǎn)速?？紤]到 ISG 電機在低速時需要大轉(zhuǎn)矩起動發(fā)動機，因此β值可以取的大一些。另外，大轉(zhuǎn)矩需要較大的電機電流和電子設備，增加了功率變換器矽鋼蘭州工業(yè)學院畢業(yè)設計（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)動機起動所要求的電機最大轉(zhuǎn)矩和電子設備損耗來最終確定電機的β值大小。 為了啟動發(fā)動機，必須具有最大扭矩。一方面因為這時出現(xiàn)的摩擦力矩最大，另一方面因為蓄電瓶在低溫條件下限制了有效功率，所以，典型的 30℃ 時的冷啟動扭矩要求在 100～ 300N提供這么高扭矩的蓄電瓶功率一般限定在 5～ 7kW。一般把所需的發(fā)電機功率視作曲軸轉(zhuǎn)數(shù)的函數(shù)。當轉(zhuǎn)數(shù)為 1000r/min 時，典型的啟動扭矩將達到 50～120Nm 之間。 甚至再生制動也與高功率相關連。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 。因為它直接布置在曲軸上，一般電機運動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，允許電機軸向總長在 60～ 120mm 之間變化。但因為 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。為了獲得相應的證書，必須按照 ICE68 第二部分進行一系列試驗。電機繞組必須能夠承受得住 180℃ 的持續(xù)高溫和高達 200℃ 的最大高溫，而且必須進行高溫老化試驗 。此外，還必須證明其耐金屬粉末性，這些金屬粉末將導致機械磨損和損害繞組。 電刷上不加直流電壓，用原動機拖動電樞使之逆時針方向恒速轉(zhuǎn)動，線圈兩邊就分別切割不同極性磁極下的磁力線，而在其中感應產(chǎn)生電動勢，電動勢方向按右手定則確定。由于電樞連續(xù)地 旋轉(zhuǎn)，因此，必須使載流導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，雖然每個線圈邊和整個線圈中的感應電動勢的方向是交變的．線圈內(nèi)的感應電動勢是一種交變電動勢，而在電刷 A， B 端的電動勢卻 為直流電動勢 (說得確切一些，是一種方向不變的脈振電動勢 )。同樣道理，電刷 B 始終有負極性，所以電刷端能引出方向不變的但大小變化的脈振電動勢。這就是直流發(fā)電機的工作原理。 從基本電磁情況來看，一臺直流電機原則上既可工作為 電動機運行，也可以作為發(fā)電機運行，只是約束的條件不同而已。同一臺電機，能作電動機或作發(fā)電機運行的這種原理．在電機理論中稱為可逆原理。其電樞繞組通電后產(chǎn)生反應磁場。我們都知道，有刷直流電機電樞繞組中感應的電勢和實際通過的電流其實是交變的。這就是說，有刷直流電機的電刷起著電樞電流換向位置的檢測作用。在三相橋式中，功率開關元件的導通方式又可以分為兩兩導通 (1200 導通型 )和三三導通 (1800 導通型 )，其輸出的轉(zhuǎn)矩大小不同，但轉(zhuǎn)矩性質(zhì)相同。 直流電機的可逆運行原理 ： 一臺直流電機原則上既可以作為電動機運行 ,也可以作為發(fā)電機運行 ,這種原理在電機理論中稱為可逆原理。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)動轉(zhuǎn)子與連接于其上的機械負載工作，此時電機作直流電動機運行 目前，電動機的電機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，同時功率逆變器又有橋式和非橋式兩種 .因此，電機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。因此，目前以星形連接三相橋式主電路的應用最多。