轿车起动充电双功能系统设计毕业设计(编辑修改稿)

轿车起动充电双功能系统设计毕业设计(编辑修改稿)内容摘要：

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。 ISG 系统构成与主要功能 ISG 型混合动力汽车结构简图，如图 23 所示。 基于起动机 /发电机一体化的 ISG 电机（ Integrated Starter Generator）布置在发动机 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 23 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。 ISG 电机参数的确定 在确定 ISG 电机参数时需要考虑以下几个因素：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 ）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兰州工业学院毕业设计（论文） 11 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： vDm pvdtdvmm g iAvCm g fp  )(3600 12max  （ ） 式中： maxmp— 电机峰值功率； i— 汽车最大爬坡度； δ — 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，电机的峰值功率计算可以简化为： 3600m ax mgivpm  （ ）或dtdvmvp m 3600m a x  （ ） 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： maxn和maxen其中： nmaxn、maxen— 电机和发动机最大转速。 适用于电动车辆使用的电动机外特性为：在额定转速rmn以下，电动机以恒转矩模式工作，额定转速rmn以上，以恒功率模式工作，电机的最高转速与额定转速的比值，称为电机扩大恒功率区 系数β对电机参数影响很大，在最大转速确定的基础上，随β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β值可以取的大一些。 但是随着β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兰州工业学院毕业设计（论文） 12 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β值大小。 .2 对一体化启动 发电机系统的独特要求 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 100～ 300Nm 之间。 提供这么高扭矩的蓄电瓶功率一般限定在 5～ 7kW。 对于发电机来说，要求达到 4～ 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 1000r/min 时，典型的启动扭矩将达到 50～120Nm ；当转数为 2020r/min 时，启动扭矩在 20～ 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～ 20s 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～ 20kW。 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 250～ 350mm 之间，最小许用内径在 150～ 250mm 之间，允许电机轴向总长在 60～ 120mm 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。 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，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，无论电枢转到什么兰州工业学院毕业设计（论文） 13 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。 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，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 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充磁的永磁体，为了检测电动机转子的极性，在电动机内兰州工业学院毕业设计（论文） 14 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Φ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 24 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。