ISG電機在輕度混合動力汽車系統應用概述

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1、. ISG電機在輕度混合動力汽車系統應用概述 前言 目前世界汽車工業(yè)可持續(xù)發(fā)展所面臨的兩大難題是環(huán)境污染、石油資源匱乏，環(huán)保和節(jié)能是21世紀汽車技術的一個重要發(fā)展方向，同時各國的排放法規(guī)也日趨嚴格?；旌蟿恿ζ?HEV)正是具有低污染、低油耗特點的新一代清潔能源汽車?；旌蟿恿ζ嚨膶崿F形式多樣化，傳統分類根據內燃機是否與驅動輪有直接的機械連接，分為串聯式、并聯式、混聯式混合動力汽車。更具邏輯性的分類方法是基于任務的分類方法，將混合方式分成3類，即輕度混合型、功率混合型和能量混合型。 與輕度混合方式相比，功率混合方式和能量混合方式存在以下缺點：(1)結構復雜，對汽車底盤的改動

2、較大；(2)系統復雜，例如豐田Prius的動力分配機構是相當復雜的行星齒輪結構，而通用Precept最多需要同時控制兩臺電動機和一臺發(fā)動機；(3)成本較高，主要是電池能量和功率要求較高。 目前制造成本最低、最容易實現批量生產的是采用起動機發(fā)電機/電動機一體化(ISG)技術的輕度混合動力汽車(1SG-MHV)。它只需要對內燃機進行改造，比較容易在現有傳統內燃機汽車上實現，混合程度小、電機功率低，尤其適合在轎車上實現。 1 組成結構 ISG型輕度混合動力汽車動力單元主要包括發(fā)動機、牽引電機、能量管理系統、動力傳動系統。 ISG-MHV中一般使用較低功率的發(fā)動機，因為

3、加速和爬坡時并不只由發(fā)動機單獨提供功率，而是由電動驅動裝置及能量存儲單元(電池組、儲能飛輪或者超能電容器)與發(fā)動機一起驅動汽車行駛。發(fā)動機的額定功率一般在50 kW左右。 電機是電氣驅動系統的核心，電機的性能、效率直接影響電動汽車的性能。此外，電機的尺寸、重量也影響汽車的整體效率。由于空間布置有限，最好采用扁平形結構，同時功率不能太大，當前成功開發(fā)的ISG-MHV多采用直流永磁無刷電機，其峰值功率約為10～15 kW。 能量管理系統是提高混合動力汽車經濟性、動力性和減少廢氣排放水平的關鍵，該系統包括儲能、能量管理和混合動力系統中央控制單元。常用的儲能單元有電化學電池、燃料電池、

4、飛輪電池及超大容量電容等。ISG-MHV多采用電化學電池，包括鉛酸電池、鎳氫電池、銀離子電池和鈉硫電池等，其技術比較成熟，成本相對較低。 動力傳動系統用于均衡、傳遞并調節(jié)混合動力源的輸出轉矩與功率，以滿足整車動力驅動的需要。主要包括扭矩或轉速合成器、離合器、 精品 . 變速器、傳動軸、驅動車輪等。 上面4個單元都有各自的控制管理器。所有控制子系統通過CAN總線向多能源動力總成管理系統發(fā)送子系統運行信息，同時接受多能源總成管理系統的控制命令，混合動力系統的控制協調通過多能源總成管理系統實現，如圖1所示。 發(fā)動機和電機的布置方式也不盡相同。一種是將電機直接

5、安裝在內燃機曲軸輸出端，并且ISG轉子要與曲軸固結，取代飛輪及原有的起動機和發(fā)電機，如圖2所示。一種是在發(fā)動機前端用皮帶傳動機構，將ISG電機和發(fā)動機聯結起來，并把起動機同樣連接在ISG電機的機構中，節(jié)省了內部空間，如圖3所示。 精品 . 2 1SC功能分析 ISG-MHV可以實現自動起停、功率補償及高效大功率電能輸出功能。 2.1 自動起停功能 傳統的車用起動機只將內燃機加速至起動轉速(例如200r/min)，ISG作為電動機在短時間內(通常加速時間僅為0.1～0.2 s)將內燃機加速至怠速轉速(例如800r/min)，然后內燃

6、機才開始缸內的燃燒過程。高轉速電起動過程不僅降低了內燃機起動時的燃料消耗，還改善了排放。自動起停功能的實現過程如下：如果汽車較長時間處于空載狀態(tài)，例如在路口等紅燈時，內燃機一直處于怠速，控制系統自動使內燃機停止運行，同時ISG也停止工作，需要起步時，ISG在0.1～0.2 s的短時間內完成起動任務。在城市工況下，汽車不停地起步和停車以及內燃機處于怠速的情況非常多，自動起停系統利用電動機快速起動的特點避開了內燃機低速起動和長時間怠速，提高了整車燃油經濟性和排放性能。 2.2 功率補償功能 內燃機在低速大負荷時的燃油經濟性和排放性能均不佳，通常情況下內燃機在此工況下的轉矩輸出有限，

7、如果需要內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燃機，這樣雖然滿足了動力性要求，但犧牲了燃油經濟性。ISG可以在內燃機低速大負荷時工作在電動機狀態(tài)，提供一部分輔助功率，提高低速時內燃機的動力性能。例如，當內燃機以較低轉速運轉時，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。 2.3 高效大功率電能輸出功能 ISG用作發(fā)電機時可以提供6～10 kW功率輸出，全轉速范圍內的效率80%以上。普通車用發(fā)電機通常由內燃機曲軸通過皮帶驅動，最大輸出功率僅為1.5～2.5 kW，發(fā)電機的最大效率為70%，而

8、高速時僅為30%，無法滿足現代汽車 精品 . 電子產品功率需求。ISG高效大功率的電能輸出能力遠遠優(yōu)于傳統車用發(fā)電機，不僅能使電動助力轉向、電動制動以及電子動氣門等需要較大功率供電的新興汽車電子技術得到充分應用，而且原先由齒形皮帶驅動的汽車附件，如空調壓縮機等，都可以由專用的電動機帶動，并控制電動機運行在最佳工況點，提高整車效率。 2.4 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換成電能，為車載電池進行充電，提高燃油經濟性。ISG取代飛輪的作用，可以通過自身的轉動慣量以及在電動機和發(fā)電機之間來回切換狀態(tài)，平衡內燃機曲軸的波動，成為有源飛輪

9、起到減震器的作用。內燃機附件全部采用電動方式驅動，齒形皮帶及齒輪組可以全部省掉，同時可以省去傳統的發(fā)電機和電動機，內燃機附件的布置可以更加靈活。 3 控制策略 發(fā)動機效率在低速時偏低，扭矩也較小，而在中高負荷時效率較高，負荷再大時效率又會下降，見圖4。為了盡量使發(fā)動機在高效率下工作，可以根據ISG的結構特點制定具體控制策略。 起動時，ISG作為電動機狀態(tài)在短時間內(通常為0.1～0.2s)將內燃機加速至怠速轉速，然后內燃機開始缸內燃燒過程，隨后離合器結合，開始行駛循環(huán)。 精品 . 汽車巡航或以較低速度行駛時，如果此時蓄電池的荷電狀態(tài)值Bsoc低于

10、其限定的最大值Bsoctop時，ISG轉換至發(fā)電機狀態(tài)，向電池組充電。但若此時蓄電池Bsoc等于或大于其限定值時，為了延長蓄電池的使用壽命，ISG不能向蓄電池充電。 當汽車加速或爬坡時，令ISG工作在電動機工況，提供一部分輔助扭矩；但在1檔時，ISG均不助力。當汽車處于怠速空載狀態(tài)時，內燃機停止運行，同時ISG也停止工作；需起步時，ISG作為電動機在短時間內完成起步任務。當汽車減速或制動時，ISG處于再生制動工況。 4 國內外ISC研究現狀和實際應用 在混合動力汽車研究領域，日本汽車公司是國際混合動力汽車制造企業(yè)的一個標桿。上世紀90年代以來，國外所有知名汽車公司均投入

11、巨資開始進行電動汽車和混合動力汽車實用車型的研發(fā)。從新世紀初開始，在“863”計劃的推動下，中國汽車制造企業(yè)和科研機構在混合動力汽車方面也取得了很大的發(fā)展。下面對各國在ISG方面的‘研究和發(fā)展現狀作一個概括介紹。 本田自1999年11月開始在日本推出安裝ISG系統的混合動力轎車Insight。本田Insight的動力系統包括一臺作為主動力源的1.0 L稀薄燃燒汽油機(空燃比為26：1)和作為輔助動力的10kW的ISG，ISG采用了抗熱性強的永磁體，薄型線圈，風冷，超薄型電機的厚度僅為60mm。此后，本田共推出了3款混合動力產品。2001年12月，在主力車型CIVIC上加載混合動力技術的

12、CIVIC Hybrid開始在日本市場銷售。2004年12月，安裝可變氣缸系統的V6發(fā)動機和ISG系統的Accord Hybrid開始在北美銷售。 2000年2月，戴克公司在華盛頓的國家博物館推出了其輕度混合型概念車Dodge ESX3。ESX3采用先進的共軌式柴油高壓供油系統、變截面渦輪增壓系統和多氣門頂置雙凸輪軸的直噴式 精品 . 柴油機，并采用鋁合金結構降低重量，達到了最好的燃料經濟性。安裝ISG系統可減少系統重量、優(yōu)化啟動性能、回收制動能量，并通過怠速關機來降低燃料消耗和排放，使動力系統的匹配達到最優(yōu)組合。 2006年1月奇瑞汽車有限公司承擔“ISG混合動力轎車用

13、汽油發(fā)動機研發(fā)”和“B-ISG轎車關鍵技術與核心零部件研發(fā)”兩個項目順利通過驗收。奇瑞ISG動力系統由“1.3L汽油機+5速手動變速器+10kW電機+144V鎳氫電池”組成，電機采用永磁同步電機并帶有電機控制系統、逆變器以及DC/DC轉換器。最高穩(wěn)定車速≥180km/h，0～100km加速時間≤11.3s，加速行駛時車外最大噪聲≤71dB，在城郊綜合工況下油耗4.95L/100km。參照聯邦德國提案，該類型車排放達到歐V標準。奇瑞B(yǎng)-ISG動力系統由“1.6L汽油機+5速手動變速器+2kW電機+12V鉛酸電池”組成，電機采用爪極電機并帶有電機控制系統。最高穩(wěn)定車速≥180km/h，0～100k

14、m加速時間≤12.8s，在城郊綜合工況下油耗為6.3 L/100km，排放達到歐Ⅳ標準。 長安汽車(集團)有限責任公司在科技部、重慶市科委、中國兵器裝備集團公司的大力支持下，聯合清華大學、北京理工大學、重慶大學、北航等高校和科研單位共同承擔“ISG混合動力長安轎車整車項目”，目前也已通過國家級驗收。其油耗已降低了30%，排放已達歐Ⅲ標準。樣車最大時速可達160km/h，整車成本的增加有效地控制在30%以內，加速性能與同檔次的汽車相當，續(xù)駛里程大于500km，最大爬坡度可達25%。 吉利華普海尚MA(海尚305)在第7屆上海工業(yè)博覽會上登場。這款車是由上海交通大學自主知識產權的混

15、合動力技術改造開發(fā)的一臺中度混合動力轎車。該車采用發(fā)動機曲軸ISG方案，1.5發(fā)動機曲軸并聯電動機的一體化設計，優(yōu)點是結構緊湊、可靠性高、成本低，可節(jié)省燃料20%左右。 5 結語 隨著石油能源日益緊缺，環(huán)保意識不斷加強以及排放法規(guī)要求不斷提高，傳統汽車產業(yè)必將迎來新的更大的挑戰(zhàn)。對各種新能源汽車的研發(fā)也是如火如茶，但也面臨著成本太高、 精品 . 基礎設施薄弱、推廣困難等問題?；旌蟿恿ζ囀菍Ξ斍八媾R問題的一個很好的過渡解決方案。其中ISG型的混合動力方式是一個重要的研究方向。ISG混合動力汽車屬于輕度混合動力汽車，系統結構簡單、成本低，適用于對價格較為敏感的經濟型車，特別適合城市某些專用車，對特定行駛工況的燃油消耗量的減少有著突出作用。隨著ISG技術的不斷完善，相信將來會在越來越多的車輛上應用。 如有侵權請聯系告知刪除，感謝你們的配合！ 精品