轿车起动充电双功能系统设计

1、兰州工业学院毕业设计（论文）1摘要摘要随着电动汽车的发展，采用一体化起动机/发电机（ISG）是降低汽车燃油消耗和尾气排放的关键技术。介绍了 ISG 系统结构组成、工作原理，基于对国内外车用 ISG 系统发展现状的分析，分析了世界各个国家汽车起动/发电研究和开发情况及其发展趋势。车用起动机和发电机是两个独立的电器设备,用于起动和发电,起动/发电一体化是将起动与发电功能集于一体,具有在蓄电池低电流下起动转矩大,在发动机转速范围内,发电机功率大,效率高,体积小,适于安装等优点。本文通过对启动/发电系统的结构原理进行分析，实现启动发电的双功能。关键字关键字：电动汽车； 启动发电一体化； 兰州工业学院毕

2、业设计（论文）2AbstractWith the electric vehicle development, use of integrated starter/generator (ISG) is to reduce fuel consumption and exhaust emissions of key technologies. Describes the structure and composition, ISG system works, based on the current development of automotive ISG system analysis, ana

3、lysis of the worlds Nations auto starting/power research and development of the situation and development trends. Automotive starter motor and generators are two separate electrical equipment, for starting and power generation, starting/power generation integration is starting and power generation f

4、eature set, with the battery low current starting torque, engine speed range, generator power, high efficiency, small size, suitable for installation, etc. Keywords: electric cars； start generating integrated； 兰州工业学院毕业设计（论文）3目录目录第一章第一章 绪论绪论 .41.1 引言.41.2 研究的背景及目的.41.3 ISG 技术发展现状及研究方案.41.4 ISG 系统作用、性

5、能要求和意义.6 1. 5 ISG 的功能.6第二章第二章 启动发电机结构方案设计启动发电机结构方案设计 .82.1 引言.82.2 启动发电机结构方案设计.82.2.1 启动-发电机的基本方案.82.2.2 对一体化启动-发电机系统的独特要求.112.2.3 启动发电机的结构设计.12第三章第三章 ISG 发展趋势发展趋势 .193.1 引言.193.2 ISG 及其相关技术发展状况.193.2.1 ISG 技术的发展 .193.2.2 国外 ISG 技术发展现状 .203.2.3 国内 ISG 技术发展现状 .21总结总结 .24致谢致谢 .25参考文献参考文献 .26兰州工业学院毕业设计

6、（论文）4 第一章第一章 绪论绪论1.11.1 引言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。1.21.2 研究的背景及目的研究的背景及目的起动/发电一体机（Integrated Starter Generator，简称ISG） ，也有称ISA （Integrated Starter Alternator） ，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 1.5 kW，可达 3kW 甚至更高，采用 42电源系统也是汽车的发展方向

7、。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。1.31.3 ISGISG 技术发展现状及研究方案技术发展现状及研究方案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

8、、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。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（Integrated Stater Alternator Damer）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

9、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，14 V 和 42 V 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，

10、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。兰州工业学院毕业设计（论文）5ISG 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、

11、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

12、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

13、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

14、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。兰州工业学院毕业设计（论文）6（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

15、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LdLq，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

16、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。1.41.4 ISGISG 系统作用、性能要求和意义系统作用、性能要求和意义ISG 系统功率较大，达 435 kW；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

17、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：810KW，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

18、.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 42 V 系统、14 V 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 42 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。1.51.5 ISGISG 的功能

19、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 0.10.2 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。自动起停兰州工业学院毕业设计（论文）7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 0.10.2 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

20、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

21、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 610 kW 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 1.52.5 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

22、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。兰州工业学院毕业设计（论文）8第二章第二章 启动发电机结构方案设计启动发电机结构方案设计2.12.1 引言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

23、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。2.2.2 2 启动发电机结构方案设计启动发电机结构方案设计电动汽车驱动电机是所有

24、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

25、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

26、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,最大兰州工业学院毕业设计（论文）9效率为 70%。2.2.12.2.1 启动启动- -发电机的基本方案发电机的基本方案 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

27、。 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，

28、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 启动发电机图 2-1 启动/发电机方案兰州工业学院毕业设计（论文）10因为一体化启动一发电机系统基本上由

29、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 300Nm 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 120Nm;当转

30、数为 2000r/niln 时，启动扭矩在 20一 60Nm 之间。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。2.2.1.12.2.1.1 ISGISG 系统构成与主要功能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（Integrated Starter Generator）布置在

31、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 2-3 ISG 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

32、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 混合动力系统的兰州工业学院毕业设计（论文）11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。2.2.1.22.2.1.2 ISGISG 电机参数的确定电机参数的确定在确定 ISG 电机参数时需要考

33、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

34、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）vDmpvdtdvmmgiAvCmgfp)15.21(360012max式中： 电机峰值功率；maxmpi汽车最大爬坡度；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

35、，电机的峰值功率计算可以简化为： （2.2）3600maxmgivpm或 （2.3）dtdvmvpm3600max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，电机额定功率的确定主要考虑蓄电池的充放电功率需求。可以与电池参数选择综合考虑加以确定。ISG 混合动力系统中，ISG 电机与发动机在同轴上进行转矩合成，因此电机与发动机之间速比为 1，ISG 电机的最大转速应等于或大于（主要考虑 ISG 电机的功率储备）发动机最大转速，即：和其中：n、电机和发动机最大转速。maxmnmaxenmaxmnmaxen兰州工业学院毕业设计（论文）12适用于电动车辆使用的电动机外特性为：在额定

36、转速以下，电动机以rmn恒转矩模式工作，额定转速以上，以恒功率模式工作，电机的最高转速与rmn额定转速的比值，称为电机扩大恒功率区系数 对电机参数影响很大，在最大转速确定的基础上，随 值增大，额定转速越低，对应的电机额定转矩越高。考虑到 ISG 电机在低速时需要大转矩起动发动机，因此 值可以取的大一些。但是随着 值的增大，对电机支撑要求也随之增大。另外，大转矩需要较大的电机电流和电子设备，增加了功率变换器矽钢片的尺寸和损耗，所以必须协调考虑选定的发动机起动所要求的电机最大转矩和电子设备损耗来最终确定电机的 值大小。2.22.2 .2.2 对一体化启动对一体化启动- -发电机系统的独特要求发电机

37、系统的独特要求 因为一体化启动-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-30时的冷启动扭矩要求在 100300Nm之间。提供这么高扭矩的蓄电瓶功率一般限定在 57kW。对于发电机来说，要求达到 410kW 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 1000r/min 时，典型的启动扭矩将达

38、到50120Nm；当转数为 2000r/min 时，启动扭矩在 2060Nm 之间。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 1020s 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 1520kW。该功率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。除此之外对启动/发电机的要求:（1）机械限制 在车内的安装空间原则上有限制，尤其是对电机而言。因为它直接布置在曲轴上，一般电机运动部分的最大许用外径在 250350mm 之间，最小许用内径在 150250mm 之间，允许电机轴向总长在

39、60120mm 之间变化。甚至对电子控制单元（ECU）也有安装体积限制。但因为 ECU 可以安装在车内不同的位置上，因此具有较大的灵活性。（2）特殊边界条件 在汽车的整个寿命期内，一体化启动-发电机系统必须保持其功效性。为了获得相应的证书，必须按照 ICE68 第二部分进行一系列试验。这些试验对电机的要求极高，电机必须能够无妨害地吸收发动机和传动装置的震动，甚至在高达 14000r/min 的转速情况下出现的离心力也必须得到机械控制。电机绕组必须能够承受得住 180的持续高温和高达 200的最大高温，而且必须进行高温老化试验。电机必须能耐大量的化学制品，这一要求涉及到全部电机部件，特别是绕组的

40、绝缘部分。此外，还必须证明其耐金属粉末性，这些金属粉末将导致机械磨损和损害绕组。 兰州工业学院毕业设计（论文）132.2.32.2.3 启动发电机的结构设计启动发电机的结构设计直流电机的工作原理就是把电枢线圈中感应产生的交变电动势，靠换向器配合电刷的换向作用，使之从电刷端引出时变为直流电动势的原理。 电刷上不加直流电压，用原动机拖动电枢使之逆时针方向恒速转动，线圈两边就分别切割不同极性磁极下的磁力线，而在其中感应产生电动势，电动势方向按右手定则确定。这种电磁情况表示在图上。由于电枢连续地旋转， ，因此，必须使载流导体在磁场中所受到线圈边 ab 和 cd 交替地切割 N 极和 S 极下的磁力线，

41、虽然每个线圈边和整个线圈中的感应电动势的方向是交变的线圈内的感应电动势是一种交变电动势，而在电刷 A，B 端的电动势却为直流电动势(说得确切一些，是一种方向不变的脉振电动势)。因为，电枢在转动过程中，无论电枢转到什么位置，由于换向器配合电刷的换向作用，电刷 A 通过换向片所引出的电动势始终是切割 N 极磁力线的线圈边中的电动势，因此，电刷 A 始终有正极性。同样道理，电刷 B 始终有负极性，所以电刷端能引出方向不变的但大小变化的脉振电动势。如每极下的线圈数增多，可使脉振程度减小，就可获得直流电动势。这就是直流发电机的工作原理。同时也说明子直流发电机实质上是带有换向器的交流发电机。 从基本电磁情

42、况来看，一台直流电机原则上既可工作为电动机运行，也可以作为发电机运行，只是约束的条件不同而已。在直流电机的两电刷端上，加上直流电压，将电能输入电枢，机械能从电机轴上输出，拖动生产机械，将电能转换成机械能而成为电动机，如用原动机拖动直流电机的电枢，而电刷上不加直流电压，则电刷端可以引出直流电动势作为直流电源，可输出电能，电机将机械能转换成电能而成为发电机。同一台电机，能作电动机或作发电机运行的这种原理在电机理论中称为可逆原理。众所周知，一般的直流电动机的定子由永久磁钢组成，其主要的作用是在电动机气隙中产生磁场。其电枢绕组通电后产生反应磁场。由于电刷的换向作用，使得这两个磁场的方向在直流电动机运行

43、的过程中始终保持相互垂直，从而产生最大转矩而驱动电动机不停地运转。我们都知道，有刷直流电机电枢绕组中感应的电势和实际通过的电流其实是交变的。在有刷直流电机中，电刷不仅起着引导电流的作用，而且由于电枢导体在经过电刷所在位置时，其中的电流要改变方向，所以电刷的位置决定着电机中电流换向的地点。这就是说，有刷直流电机的电刷起着电枢电流换向位置的检测作用。电动机的电枢绕组通常有三种接法，三相非桥式星形接法，三相桥式星形接法，三相封闭式桥式接法(绕组为三角形接法)。在三相桥式中，功率开关元件的导通方式又可以分为两两导通(1200 导通型)和三三导通(1800 导通型)，其输出的转矩大小不同，但转矩性质相同

44、。电机的运行原理:电机起动/发电系统的工作过程可分为两个阶段来考虑，第一个阶段，由蓄电池供电，电动机状态运行，电机起动；第二个阶段，起动完成后，由发动机拖动，转为发电机状态运行，向电气设备供电。直流电机的可逆运行原理：一台直流电机原则上既可以作为电动机运行,也可以作为发电机运行,这种原理在电机理论中称为可逆原理。当原动机驱动电枢绕组在主磁极 N、S 之间旋转时，电枢绕组上感生出电动势，经电刷、换向器装置整流为直流后，引向外部负载（或电网） ，对外供电，此时电机作直流发电机运行。如用外部直流电源，兰州工业学院毕业设计（论文）14经电刷换向器装置将直流电流引向电枢绕组，则此电流与主磁极 N.S.产

45、生的磁场互相作用，产生转矩，驱动转子与连接于其上的机械负载工作，此时电机作直流电动机运行目前，电动机的电机本体大多采用三相对称绕组，由于三相绕组既可以是星形连接，也可以是角形连接，同时功率逆变器又有桥式和非桥式两种.因此，电机的主电路主要有星形连接三相半桥式、星形连接三相桥式和角形连接三相桥式三种形式。三相半桥式电路虽然结构简单，但电机的本体利用率很低，每相绕组只通电 1/3 周期，2/3 周期处于关断状态，绕组没有得到充分利用，在整个运行过程中转矩脉动也比较大。因此，目前以星形连接三相桥式主电路的应用最多。电动机的定子绕组多做成三相对称星形接法，同三相异步电动机十分相似。电动机的转子上粘有已

46、充磁的永磁体，为了检测电动机转子的极性，在电动机内装有位置传感器。驱动器由功率电子器件和集成电路等构成，其功能是：接受电动机的启动、停止、制动信号，以控制电动机的启动、停止和制动；接受位置传感器信号和正反转信号，用来控制逆变桥各功率管的通断，产生连续转矩；接受速度指令和速度反馈信号，用来控制和调整转速；提供保护和显示等等。电机的发电机状态当电机起动完成后，通过控制线路的切换，电机转入发电机状态运行。电机相当于发电机，与传统的电机不同，发出来的三相交流电要通过全波整流桥将其整流成直流电。电机空载时，定子绕组开路不带负载，切割主磁通 产生对称三相感应电势。此时，定子绕组电流为零，电机端电压 U 就

47、是绕组的感应电势 E。下面具体分析发电时电机带负载的运行情况：一般情况下，起动/发电系统在发电过程中都是通过整流装置向蓄电池或者其他设备提供直流电的。这里也主要讨论的是经过整流之后带负载的情况。由于感应电势为梯形波，经过桥式整流后输出的直流电压纹波较小，需要的输出滤波装置也相对简单。理想情况下，输出电压应该是没有脉动的。图 2-4 所示为直流电机和二极管全波整流桥构成的系统，功率管 T 用来进行电压的调节, 和为负载的等效电路。图 2-4 电机发电状态带负载等效电路图整流采用的是二极管电路，属于三相不可控全波整流电路。由于二极管没有正向阻断电压的能力，因而二极管导通一定是其处在正向偏置时。电路

48、中三兰州工业学院毕业设计（论文）15相六只二极管组成了共阳极连接组和共阴极连接组，其导通状况完全由绕组感应电势的相对大小来决定。任意时刻，总是电势最高的相绕组和电势最低的相绕组同时导通形成通路，所对应的二极管相应导通。采用三相整流桥对电机输出电压进行整流时，三相电流会在电机感应电势的作用下循环导通和截止，由于绕组电感的存在，电流不可能发生突变，这时就有电机三相绕组同时流过电流的情况出现，通常用换相重叠角来表示这段换相时间。由于电机换相重叠角的不同，电机的整流输出状态也是不一样的。当换相重叠角小于时，电机工作过程中会出现两种交替改变的工作状态，即两相导通状态和三相同时导通状态。两相导通状态是由电

49、机感应电势差最大而形成的电流回路，而三相同时导通的状态则是在换流过程中，绕组中电流由于电感的存在而不能马上消失，而形成了另一个电流回路，一段时间内三相绕组同时导通。启动发电机的结构组成：启动发电机的结构组成：启动发电机的结构主要由三部分组成。（1）直流电动机。其作用是产生转矩, 构造与发电机相似桑塔纳轿车用发动机的启动电机如图 2-5.所示。也是由电枢、磁极、整流子三部分组成, 由于串励式电动机的启动转矩大, 故采用串励式。（2）单向离合器。其作用是在发动机启动时使启动机驱动小齿轮啮人飞轮齿圈, 将启动机转矩传给发动机曲轴启动后又驱使小齿轮自动退出与飞轮圈脱开。（3）控制开关。用来接通和切断电

50、动机与蓄电池之间的电路。图 2-5 轿车启动发电机1 一整流子 2 一电枢线圈 3 一电刷4 一电磁开关 5 一单向离合器 6 一磁场线圈所示主磁极：主磁极的作用是产生气隙磁场。主磁极由主磁极铁心和励磁绕组两部分组成。铁心一般用 0.5mm1.5mm 厚的硅钢板冲片叠压铆紧而成，分为极身和极靴两部分，上面套励磁绕组的部分称为极身，下面扩宽的部分称为极靴，极靴宽于极身，既可以调整气隙中磁场的分布，又便于固定励磁绕组。励磁绕组用绝缘铜线绕制而成，套在主磁极铁心上。整个主磁极用螺钉固定在机座上，换向极:换向极的作用是改善换向，减小电机运行时电刷与换向器之间可能产生的兰州工业学院毕业设计（论文）16换

51、向火花，一般装在两个相邻主磁极之间，由换向极铁心和换向极绕组组成，换向极绕组用绝缘导线绕制而成，套在换向极铁心上，换向极的数目与主磁极相等。机座：电机定子的外壳称为机座，机座的作用有两个：一是用来固定主磁极、换向极和端盖，并起整个电机的支撑和固定作用，二是机座本身也是磁路的一部分，借以构成磁极之间磁的通路，磁通通过的部分称为磁轭。为保证机座具有足够的机械强度和良好的导磁性能，一般为铸钢件或由钢板焊接而成。 电刷装置：电刷装置是用来引入或引出直流电压和直流电流的。电刷装置由电刷、刷握、刷杆和刷杆座等组成。电刷放在刷握内，用弹簧压紧，使电刷与换向器之间有良好的滑动接触，刷握固定在刷杆上，刷杆装在圆

52、环形的刷杆座上，相互之间必须绝缘。刷杆座装在端盖或轴承内盖上，圆周位置可以调整，调好以后加以固定转子(电枢)电枢铁心：电枢铁心是主磁路的主要部分，同时用以嵌放电枢绕组。一般电枢铁心采用由 0.5mm 厚的硅钢片冲制而成的冲片叠压而成，以降低电机运行时电枢铁心中产生的涡流损耗和磁滞损耗。叠成的铁心固定在转轴或转子支架上。铁心的外圆开有电枢槽，槽内嵌放电枢绕组。 电枢绕组：电枢绕组的作用是产生电磁转矩和感应电动势，是直流电机进行能量变换的关键部件，所以叫电枢。它是由许多线圈(以下称元件)按一定规律连接而成，线圈采用高强度漆包线或玻璃丝包扁铜线绕成，不同线圈的线圈边分上下两层嵌放在电枢槽中，线圈与铁

53、心之间以及上、下两层线圈边之间都必须妥善绝缘。为防止离心力将线圈边甩出槽外，槽口用槽楔固定。线圈伸出槽外的接部分用热固性无纬玻璃带进行绑扎。换向器：在直流电动机中，换向器配以电刷，能将外加直流电源转换为电枢线圈中的交变电流，使电磁转矩的方向恒定不变；在直流发电机中，换向器配以电刷，能将电枢线圈中感应产生的交变电动势转换为正、负电刷上引出的直流电动势。换向器是由许多换向片组成的圆柱体，换向片之间用云母片绝缘。拨叉：拨叉用于连接主电机和电磁开关，使离合器作轴向移动，将驱动齿轮啮入和脱离飞轮齿圈。单向离合器：单向离合器其作用是在发动机启动时使启动机驱动小齿轮啮人飞轮齿圈, 将启动机转矩传给发动机曲轴

54、启动后又驱使小齿轮自动退出与飞轮圈脱开。单向离合器自由式单向离合器机构, 是由外座圈、内座圈、滚柱、柱塞等件组成。工作时踏下启动机踏板, 驱动杠拨动接触盘的推杆, 当小齿轮完全啮人飞轮齿圈后, 开关即接通, 这时蓄电池电流便流经启动机的电枢线圈和磁极线圈, 于是启动机便驱动曲轴旋转, 使发动机启动。启动后, 放松踏板, 在传动叉回位弹簧的作用下, 传动叉又拨动移动衬套, 使小齿轮脱出啮合而回复原位, 同时开关也打开。桑塔纳轿车用启动机单向离合器如图 2-6 所示。兰州工业学院毕业设计（论文）17图 2-6 轿车用启动机单向离合器l 一弹簧 2 一外座圈 3 一滚柱 4 一内座圈 5 一空心轴

55、6 一小齿轮单向离合器又是启动机的飞散保护装置，它在启动时传递转矩，而在发动机发动后打滑，从而保护启动电枢不会被飞轮带动作高速旋转而损坏。因为单向离合器内外座圈间的间隙宽窄不等，当启动机电枢旋转时，转矩由套筒传动内座圈，内座圈则随电枢一同旋转。这时滚柱便滚人窄的空间而被卡住，于是转矩传给小齿轮，使发动机启动。而当发动机启动后，小齿轮在飞轮带动下，和内座圈同方向旋转，但速度大于内座圈，滚柱滚人宽的空间(打滑)，由此转矩就不能从小齿轮传给电枢，而防止了电枢超速飞散的危险。起动发电机的控制装置包括电磁开关、起动继电器和点火起动开关灯部件，其中电磁开关于起动机制作在一起。在起动电动机和齿轮轴之间采用减

56、速装置可以使起动机在较高转速和相同转矩下,体积减小、质量减轻。在几种减速机构中,博世公司选择了行星齿轮式减速机构。行星齿轮式减速机构的优点在于:（1）同一心轴;（2）在平行啮合的齿轮上无横向转矩传递;（3）减速装置上采用了塑料件;（4）起动机运转噪声低;（5）振动小。行星齿轮式减速机构(只用在永励磁和电励磁 2 种起动机上)主要由以下 3个部分组成。内齿圈： 采用尼龙 66 材料,含有矿物质,增强了强度,同时起到中间支承作用。3 个行星齿轮:采用铁基粉末冶金。3 个含滚针轴承的行星齿轮作为从动轴固定在行星架上。太阳轮:作为主动轴固定在转子轴上。电磁开关：电磁开关结构特点： 电磁开关主要由电磁铁

57、机构和电动机开关两部分组成。电磁铁机构由固定铁心、活动铁心、吸引线圈和保持线圈等组成。固定铁心固定不动，活动铁心可以在铜套里做轴向移动。活动铁心前端固定有推杆，推杆前端安装有开关触盘，活动铁心后段用调节螺钉和连接销与拨叉连接。铜套外面安装有复位弹簧，兰州工业学院毕业设计（论文）18作用是使活动铁心等可移动部件复位。电磁开关工作原理： 当吸引线圈和保持线圈通电产生的磁通方向相同时，其电磁吸力相互叠加，可以吸引活动铁心向前移动，直到推杆前端的触盘将电动开关触点接通势电动机主电路接通为止。 当吸引线圈和保持线圈通电产生的磁痛方向相反时，其电磁吸力相互抵消，在复位弹簧的作用下，活动铁心等可移动部件自动

58、复位，触盘与触点断开，电动机主电路断开。起动继电器： 起动继电器的结构简图如图左上角部分所示，由电磁铁机构和触点总成组成。线圈分别与壳体上的点火开关端子和搭铁端子“E”连接，固定触点与起动机端子“S”连接，活动触点经触点臂和支架与电池端子“BAT”相连。起动继电器触电为常开触点，当线圈通电时，继电器铁心便产生电磁力，使其触点闭合，从而将继电器控制的吸引线圈和保持线圈电路接通。控制电路：控制电路包括起动继电器控制电路和起动机电磁开关控制电路。起动继电器控制电路是由点火开关控制的，被控制对象是继电器线圈电路。当接通点火开关起动挡时，电流从蓄电池政界经过起动机电源接线柱到电流表，在从电流表经点火开关

59、，继电器线圈回到蓄电池负极。于是继电器铁心产生较强的电磁吸力，是继电器触点闭合，接通起动机电磁开关的控制电路。主电路：如图 2-7 中箭头所示，电磁开关接通后，吸引线圈 3 和保持线圈 4 产生强的电磁引力，将起动机主电路接通。电路为：图 2-7 启动发电机工作电路蓄电池正极起动机电源接线柱 电磁开关 励磁绕阻 电枢绕阻搭铁 蓄电池负极，于是起动机产生电磁转距，起动发动机。兰州工业学院毕业设计（论文）19第三章第三章 ISG 发展趋势发展趋势3.13.1 引言引言混合动力电动汽车的关键技术 ISG(Integrated Starter Generator)即集成一体化起动/发电机，也有的简称为

60、 ISA(Integrated Starter Alternator)或 IMA(Integrated Motor Assist)，它形式上将传统汽车中功能单一的起动机和发电机二者合而为一，但在汽车节油、排放、发动机控制及能源管理等方面都有本质的提升。是国际公认的未来汽车(包括电动汽车)部件的必然发展方向。为了降低内燃机油耗，提高其效率，并使发动机模块化和简单化，在未来几年内将大量采用各种电子控制辅助装置替代机械驱动的辅助装置(例如燃料泵，冷却水泵，动力转向，助力制动，阀门控制装置等)。为了提高机动车的舒适性和安全性，机动车上的电气功率需求不断上升。现代的汽车电源 42/14-Volt 适应了