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混合动力汽车ISG电机工作特性分析第1章绪论1.1概述目前世界汽车工业可持续发展所面临的两大难题是环境污染、石油资源匮乏，环保和节能是21世纪汽车技术的一个重要发展方向，同时各国的排放法规也日趋严格。混合动力汽车(HEV)正是具有低污染、低油耗特点的新一代清洁能源汽车。目前制造成本最低、最容易实现批量生产的是采用起动机发电机/电动机一体化(ISG)技术的轻度混合动力汽车(1SG-MHV)。它只需要对内燃机进行改造，比较容易在现有传统内燃机汽车上实现，混合程度小、电机功率低，尤其适合在轿车上实现。1.2组成结构ISG型轻度混合动力汽车动力单元主要包括发动机、牵引电机、能量管理系统、动力传动系统。ISG-MHV中一般使用较低功率的发动机，因为加速和爬坡时并不只由发动机单独提供功率，而是由电动驱动装置及能量存储单元(电池组、储能飞轮或者超能电容器)与发动机一起驱动汽车行驶。发动机的额定功率一般在50kW左右。电机是电气驱动系统的核心，电机的性能、效率直接影响电动汽车的性能。此外，电机的尺寸、重量也影响汽车的整体效率。由于空间布置有限，最好采用扁平形结构，同时功率不能太大，当前成功开发的ISG-MHV多采用直流永磁无刷电机，其峰值功率约为10～15kW。能量管理系统是提高混合动力汽车经济性、动力性和减少废气排放水平的关键，该系统包括储能、能量管理和混合动力系统中央控制单元。常用的储能单元有电化学电池、燃料电池、飞轮电池及超大容量电容等。ISG-MHV多采用电化学电池，包括铅酸电池、镍氢电池、银离子电池和钠硫电池等，其技术比较成熟，成本相对较低。动力传动系统用于均衡、传递并调节混合动力源的输出转矩与功率，以满足整车动力驱动的需要。主要包括扭矩或转速合成器、离合器、变速器、传动轴、驱动车轮等。上面4个单元都有各自的控制管理器。所有控制子系统通过CAN总线向多能源动力总成管理系统发送子系统运行信息，同时接受多能源总成管理系统的控制命令，混合动力系统的控制协调通过多能源总成管理系统实现，如图1.1所示。图1.1混合动力系统多能源总成管理系统发动机和电机的布置方式也不尽相同。一种是将电机直接安装在内燃机曲轴输出端，并且ISG转子要与曲轴固结，取代飞轮及原有的起动机和发电机，如图1.2所示。一种是在发动机前端用皮带传动机构，将ISG电机和发动机联结起来，并把起动机同样连接在ISG电机的机构中，节省了内部空间，如图1.3所示。图1.2整车系统方案图1.3外挂盘式电机与发动机曲轴相连型ISG1.31SC功能分析ISG-MHV可以实现自动起停、功率补偿及高效大功率电能输出功能。1.3.1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0.1～0.2s)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0.1～0.2s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。1.3.2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提供最大瞬时功率。1.3.3高效大功率电能输出功能ISG用作发电机时可以提供6～10kW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1.5～2.5kW，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。1.3.4其余功能除了以上3个主要功能以外，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。1.4控制策略发动机效率在低速时偏低，扭矩也较小，而在中高负荷时效率较高，负荷再大时效率又会下降，见图1.4。为了尽量使发动机在高效率下工作，可以根据ISG的结构特点制定具体控制策略。起动时，ISG作为电动机状态在短时间内(通常为0.1～0.2s)将内燃机加速至怠速转速，然后内燃机开始缸内燃烧过程，随后离合器结合，开始行驶循环。图1.4发动机特性曲线汽车巡航或以较低速度行驶时，如果此时蓄电池的荷电状态值Bsoc低于其限定的最大值Bsoctop时，ISG转换至发电机状态，向电池组充电。但若此时蓄电池Bsoc等于或大于其限定值时，为了延长蓄电池的使用寿命，ISG不能向蓄电池充电。当汽车加速或爬坡时，令ISG工作在电动机工况，提供一部分辅助扭矩；但在1档时，ISG均不助力。当汽车处于怠速空载状态时，内燃机停止运行，同时ISG也停止工作；需起步时，ISG作为电动机在短时间内完成起步任务。当汽车减速或制动时，ISG处于再生制动工况。1.5国内外ISC研究现状和实际应用在混合动力汽车研究领域，日本汽车公司是国际混合动力汽车制造企业的一个标杆。上世纪90年代以来，国外所有知名汽车公司均投入巨资开始进行电动汽车和混合动力汽车实用车型的研发。从新世纪初开始，在“863”计划的推动下，中国汽车制造企业和科研机构在混合动力汽车方面也取得了很大的发展。下面对各国在ISG方面的研究和发展现状作一个概括介绍。本田自1999年11月开始在日本推出安装ISG系统的混合动力轿车Insight。本田Insight的动力系统包括一台作为主动力源的1.0L稀薄燃烧汽油机(空燃比为26：1)和作为辅助动力的10kW的ISG，ISG采用了抗热性强的永磁体，薄型线圈，风冷，超薄型电机的厚度仅为60mm。此后，本田共推出了3款混合动力产品。2001年12月，在主力车型CIVIC上加载混合动力技术的CIVICHybrid开始在日本市场销售。2004年12月，安装可变气缸系统的V6发动机和ISG系统的AccordHybrid开始在北美销售。2000年2月，戴克公司在华盛顿的国家博物馆推出了其轻度混合型概念车DodgeESX3。ESX3采用先进的共轨式柴油高压供油系统、变截面涡轮增压系统和多气门顶置双凸轮轴的直喷式柴油机，并采用铝合金结构降低重量，达到了最好的燃料经济性。安装ISG系统可减少系统重量、优化启动性能、回收制动能量，并通过怠速关机来降低燃料消耗和排放，使动力系统的匹配达到最优组合。2006年1月奇瑞汽车有限公司承担“ISG混合动力轿车用汽油发动机研发”和“B-ISG轿车关键技术与核心零部件研发”两个项目顺利通过验收。奇瑞ISG动力系统由“1.3L汽油机+5速手动变速器+10kW电机+144V镍氢电池”组成，电机采用永磁同步电机并带有电机控制系统、逆变器以及DC/DC转换器。最高稳定车速≥180km/h，0～100km加速时间≤11.3s，加速行驶时车外最大噪声≤71dB，在城郊综合工况下油耗4.95L/100km。参照联邦德国提案，该类型车排放达到欧V标准。奇瑞B-ISG动力系统由“1.6L汽油机+5速手动变速器+2kW电机+12V铅酸电池”组成，电机采用爪极电机并带有电机控制系统。最高稳定车速≥180km/h，0～100km加速时间≤12.8s，在城郊综合工况下油耗为6.3L/100km，排放达到欧Ⅳ标准。长安汽车(集团)有限责任公司在科技部、重庆市科委、中国兵器装备集团公司的大力支持下，联合清华大学、北京理工大学、重庆大学、北航等高校和科研单位共同承担“ISG混合动力长安轿车整车项目”，目前也已通过国家级验收。其油耗已降低了30%，排放已达欧Ⅲ标准。样车最大时速可达160km/h，整车成本的增加有效地控制在30%以内，加速性能与同档次的汽车相当，续驶里程大于500km，最大爬坡度可达25%。吉利华普海尚MA(海尚305)在第7届上海工业博览会上登场。这款车是由上海交通大学自主知识产权的混合动力技术改造开发的一台中度混合动力轿车。该车采用发动机曲轴ISG方案，1.5发动机曲轴并联电动机的一体化设计，优点是结构紧凑、可靠性高、成本低，可节省燃料20%左右。1.6论文选题的意义和研究内容1.6.1论文选题的意义混合动力汽车动力部件的合理选配，在很大程度上影响了整车系统在节能和环保方面的潜力发挥，ISG系统作为一种轻度混合动力系统，其结构特点比较独特，动力系统的参数选配与高混合比混合动力汽车有较大差异，具有比较明显的特点，因此有必要针对ISG系统的特点进行参数匹配的研究。另外，ISG混合动力系统部件众多，协调复杂，行驶路况和驾驶员操作的随机性，不同驾驶习惯和风格都给驾驶意图判断带了困难为了克服这些困难，需要制定合适的控制策略以保证ISG混合动力系统在满足驾驶需求（动力性、驾驶平稳性等）的前提下，合理分配各动力部件的输出，以求达到良好的整车性能要求。作为关键技术之一的控制策略早已成为研究混合动力汽车的重要课题，本文以ISG系统实用性为突破口，主要研究了ISG混合动力系统能量分配及控制算法在实车上的应用。1.6.2论文研究内容本论文选题主要就ISG混合动力汽车的参数匹配、建模与仿真、控制策略的制定及优化等方面进行研究，目标是为ISG混合动力汽车的设计和试制提供理论依据。具体技术路线和研究内容如下：（1）分析ISG混合动力系统的结构特点，确定本文ISG混合动力系统的结构形式。以预期的动力性指标和燃油经济性为目标，通过汽车行驶方程式初选整车动力系统主要部件的参数，采取合理的优化方法对选择的参数进行优化匹配，最终确定各参数。（2）建立ISG混合动力系统各动力部件的模型，最后根据整车的仿真模型。建模仿真是汽车动力系统研发的重要手段。通过仿真分析可灵活调整设计方案，合理优化参数，预测各种条件下的系统性能，另外通过建模仿真也是整车控制策略研究的必要手段。（3）系统分析基于逻辑规则的门限控制策略、模糊控制策略和全局及瞬时优化控制策略的控制算法及优缺点，并根据ISG混合动力系统的结构和功能特点，提出适合的控制算法。对控制策略进行了仿真研究，检验了控制算法的准确性。（4）再生制动是混合动力汽车提高能量利用率，增加续驶里程的重要技术手段。在对汽车制动动力学和电机输出特性进行分析的基础上，提出合理的再生制动控制策略，给出控制算法，目标是以满足汽车制动安全为前提，尽可能回收制动能量。（5）对混合动力系统动力部件进行台架性能试验，以获取建模和控制策略所需的数据。同时对提出的控制策略进行实车道路试验，就其动力性、经济性等进行测试，验证控制策略的有效性。1.7本章总结随着石油能源日益紧缺，环保意识不断加强以及排放法规要求不断提高，传统汽车产业必将迎来新的更大的挑战。对各种新能源汽车的研发也是如火如茶，但也面临着成本太高、基础设施薄弱、推广困难等问题。混合动力汽车是对当前所面临问题的一个很好的过渡解决方案。其中