ISG在电动汽车中的应用

INTEGRATED STARTER GENERATORS FOR AUTOMOTIVE APPLICATIONS ISG 在电动汽车中的应用在电动汽车中的应用 Ioan Adrian VIOREL Lor nd SZAB Lars L WENSTEIN Cristian TE Technical University of Cluj Romania Department of Electrical Machines 400750 CLUJ P O Box 358 Romania e mail Ioan Adrian Viorel mae utcluj ro SIEMENS Transportation Systems Erlangen Germany e mail lars loewenstein info Abstract The integrated starter generator ISG replaces both the conventional starter and alternator generator of an automobile in a single electric device It allows greater electrical generation capacity and the fuel economy and emissions benefits of hybrid electric automotive propulsion The ISG requires contrary specifications i e a high starting torque and a field weakening capability in a wide speed range therefore its design is a challenging job In this paper the basic characteristics and some of the ISG variants will be discussed Also a switched reluctance machine SRM based ISG prototype will be presented in detail 摘要摘要 ISG以一个以一个电子电子器件取代了在电动汽车中器件取代了在电动汽车中的的电动机和发电机两个器件 由于属于油电混合电动机和发电机两个器件 由于属于油电混合装置 装置 它产生它产生 更大的电能更大的电能并且有并且有更好的燃油经济性和更少的污染物排放量 更好的燃油经济性和更少的污染物排放量 ISG需要一个与传统发电 电动机相反的规格 那需要一个与传统发电 电动机相反的规格 那 就是很高的启动转矩和更宽的调速范围 所以电动发电一体机的设计是很难的工作 本文中讲述了就是很高的启动转矩和更宽的调速范围 所以电动发电一体机的设计是很难的工作 本文中讲述了ISG电机的基电机的基 本特性还集中讨论了几款不同结构的本特性还集中讨论了几款不同结构的ISG 同时还详细的介绍了 同时还详细的介绍了ISG模型下的开关磁阻电机 模型下的开关磁阻电机 1 Introduction 1 简介简介 In the last decades the automotive industry has been investigating alternatives to conventional internal combustion engine powered vehicles in order to improve their fuel efficiency and to reduce their greenhouse gas emissions In 2002 automotive manufacturers have announced plans to improve passenger vehicle fuel economy with 25 or more by year 2005 Fuel economy improvement levels beyond current mandates are likely to be legislated during the next five years in North America In Europe and Asia the mandates for reduced CO2 emissions are already coming into effect 在过去的几十年中汽车工业都在研究替代传统内燃机的汽车的电机 从而能够提高电机的燃油效率减少温在过去的几十年中汽车工业都在研究替代传统内燃机的汽车的电机 从而能够提高电机的燃油效率减少温 室气体的排放 在室气体的排放 在 2002 年汽车制造商们都发表声明表示到年汽车制造商们都发表声明表示到 2005 年要提高客车燃油经济性年要提高客车燃油经济性 25 以上 提高燃油以上 提高燃油 经济性的举措很可能在未来经济性的举措很可能在未来 5 年之内会在北美地区被法律所规定 在欧洲和亚洲地区减少二氧化碳排放的措施年之内会在北美地区被法律所规定 在欧洲和亚洲地区减少二氧化碳排放的措施 已经在实施中了 已经在实施中了 This challenge of fuel economy standards is promoting optimised and sometimes novel vehicle powertrain architectures that combine the traditional internal combustion engine ICE with various forms of electric drives The different types of the hybrid electric vehicles HEV are real competitors of the classical ICE driven cars Today hybridised power trains are already commercially available In such type of cars hybrid spin off applications such as the integrated starter generator ISG are emerging with benefits to hybrid electric vehicles but with little or no cost performance penalties 现在提高燃油经济性的方法也不断的得到优化 比如说有新型的汽车 它结合了传统的燃油引擎和现代的现在提高燃油经济性的方法也不断的得到优化 比如说有新型的汽车 它结合了传统的燃油引擎和现代的 电驱动器 现在的不同款式的混合动力汽车 电驱动器 现在的不同款式的混合动力汽车 HEV 对传统汽车的冲击越来越大 现在混合动力汽车已经投入 对传统汽车的冲击越来越大 现在混合动力汽车已经投入 商业运行中 在这些混合动力汽车的款式中 其中有发电机和电动机集成的 商业运行中 在这些混合动力汽车的款式中 其中有发电机和电动机集成的 ISG 它不仅有混合动力汽车的高 它不仅有混合动力汽车的高 的燃油经济性 而且还降低了整体的成本 的燃油经济性 而且还降低了整体的成本 The ISG replaces the conventional starter motor and the alternator generator It provides beside its two basic functions starter and alternator an auxiliary one as a convenient automatic vehicle start stop system for further improved fuel efficiency The electronic control system switches off the ICE at zero load such as when standing at a traffic light and automatically restarts it using the ISG very rapidly when the gas pedal is pressed The IEC is accelerated to the required cranking speed idle speed and only then the combustion process for instant ignition is initiated During braking the ISG can convert the vehicle s kinetic energy into electrical energy and then feed this power back into the electrical system ISG代替了传统的电动机和发电机 它不仅提供了传统发电机和电动机的两个最基本的功能 发电和电动 代替了传统的电动机和发电机 它不仅提供了传统发电机和电动机的两个最基本的功能 发电和电动 而且它还有些辅助的功能比如说电动汽车的起停器用来提高汽车的燃油效率 电动控制系统在负载为而且它还有些辅助的功能比如说电动汽车的起停器用来提高汽车的燃油效率 电动控制系统在负载为 0 的时候的时候 关闭内燃机 比如说在停车等待红灯的时候 然后重新启动时只要脚踩油门就会使得关闭内燃机 比如说在停车等待红灯的时候 然后重新启动时只要脚踩油门就会使得ISG快速启动发动汽车 内快速启动发动汽车 内 燃机被拖动到启动速度然后直到那个时候内燃机才开始工作 在汽车制动的过程中燃机被拖动到启动速度然后直到那个时候内燃机才开始工作 在汽车制动的过程中ISG能够将汽车制动的能量转能够将汽车制动的能量转 换成电能 然后回馈到电源中 换成电能 然后回馈到电源中 As it fully supports the stop and start operation electric drive off and acceleration and recycling of braking energy the ISG helps to reduce both fuel consumption and emissions This paper presents different constructing variants the advantages and benefits of the ISG A part of the paper deals with the comparison of different electrical machine types that could be used for ISG applications mentioning also some typical commercial available units In the final part of the paper a switched reluctance machine SRM for ISG application will be presented which was designed built up and tested at RTWH Aachen Germany 正如正如ISG支持起支持起 停运行 电力驱动和加速以及电力回馈中停运行 电力驱动和加速以及电力回馈中ISG都能够帮助减小燃料消耗和废气排放 本文都能够帮助减小燃料消耗和废气排放 本文 中包括了各种中包括了各种ISG的结构特点并且分析了她们的优点 文中的其中一的结构特点并且分析了她们的优点 文中的其中一部部分着重提到了可以应用到分着重提到了可以应用到ISG的电机的型的电机的型 号 而且讲述了现有的已经销售的混合动力车中的号 而且讲述了现有的已经销售的混合动力车中的ISG 最后一部分讲述了用开关磁阻电机做 最后一部分讲述了用开关磁阻电机做ISG的实例 并且的实例 并且 用用RTWH Aachen模型的仿真模型的仿真 2 The hybrid electric vehicle 2 混合动力汽车混合动力汽车 One of the aims of the automotive industry is a more efficient use of energy in a vehicle HEVs are potential candidates to reduce both consumption and emissions 电动汽车工业的其中一个目标就是要更有效率的使用燃料 电动汽车工业的其中一个目标就是要更有效率的使用燃料 HEV就是节省燃料方法中的一种就是节省燃料方法中的一种 Hybrid power trains use a conventional ICE in combination with an electric motor a battery and an electronic controller HEVs have two basic configurations series and parallel hybrids see Fig 1 混合动力汽车中使用传统的内燃机结合电动机 电池和控制器 混合动力汽车中使用传统的内燃机结合电动机 电池和控制器 HEV有两种最基本的连接方式 一种是串有两种最基本的连接方式 一种是串 联另一种是并联 见图联另一种是并联 见图 1 Fig 1 The basic configurations of HEVs In the series variant the ICE is used to drive an alternator to generate electricity which is then stored in a battery system or sent directly to the electric motor which powers the wheels The engine is not supplying power directly to the wheels The efficiency of the engine is maximised because it operates within a narrow range of speeds 在串联的形式中 内燃机用来驱动发电机来发出电能 这个电能是用来直接输送到电池中或者是给电动机在串联的形式中 内燃机用来驱动发电机来发出电能 这个电能是用来直接输送到电池中或者是给电动机 供电 而电动机是用来驱动供电 而电动机是用来驱动车轮车轮的 汽车引擎不是直接驱动转子的 引擎的效率是很高的 因为引擎工作在一的 汽车引擎不是直接驱动转子的 引擎的效率是很高的 因为引擎工作在一 个很窄的速度段内 个很窄的速度段内 The parallel hybrid has two power paths so that either the IEC or the electric motor or both can be used to power the wheels directly Like the series configuration it can operate in zero emission mode power supplied solely via the electric motor At cruising speeds the IEC is usually the sole power source but under high loads during acceleration and hill climbing both the ICE and electric motor will operate together with the electric motor boosting the low speed torque of the ICE helping to save 10 to 15 in fuel costs 1 While the parallel configuration may not match the efficiency of a series hybrid system its generally higher power output is better matched to the practical demands of everyday motoring 2 并联混合动力汽车有两条功率路径 所以内燃机或者是电动机都可以直接驱动车轮 就像串联形式一样 并联混合动力汽车有两条功率路径 所以内燃机或者是电动机都可以直接驱动车轮 就像串联形式一样 整车可以运行在零排放的模式下 功率直接由电动机输出 整车可以运行在零排放的模式下 功率直接由电动机输出 在达到驱动速度时通常只开通内燃机来提供动能 在达到驱动速度时通常只开通内燃机来提供动能 但是在高速段 在加速或者爬坡 电机和内燃机都会工作 有电动机提升内燃机低速时的转矩可以节省但是在高速段 在加速或者爬坡 电机和内燃机都会工作 有电动机提升内燃机低速时的转矩可以节省 10 到到 15 的燃油 或许并联形式的效率比不上串联时的效率 但是输出功率更大更能满足人们的要求 的燃油 或许并联形式的效率比不上串联时的效率 但是输出功率更大更能满足人们的要求 As the electric motor and the battery provide additional power to the ICE the fuel consumption is reduced without affecting power output To further save fuel the engine automatically stops when the vehicle comes to a stop and starts again automatically when the accelerator is depressed The battery is recharged using the energy captured during regenerative braking relieving the IEC of doing all that work and saving more fuel A hybrid powertrain is completely self sufficient it doesn t need to be plugged in and charged up overnight The first mass produced hybrid passenger vehicle in the world the Toyota Prius is running on the roads since 1998 Its advanced new powertrain system achieves nearly twice the fuel efficiency of conventional gasoline engines 3 电动机给内燃机提供了额外的功率 燃油的消耗就减少了而且没有影响到功率输出 为了更加节油 当加电动机给内燃机提供了额外的功率 燃油的消耗就减少了而且没有影响到功率输出 为了更加节油 当加 速器受到抑制 比如说汽车频繁的启停 就会关闭汽车引擎 只采用电动机驱动 车中的电池会在停车制动的速器受到抑制 比如说汽车频繁的启停 就会关闭汽车引擎 只采用电动机驱动 车中的电池会在停车制动的 过程中储能 从而节省燃油 混合动力汽车是一个自给的系统 不用在晚上的时候给蓄电池充电 世界上第一过程中储能 从而节省燃油 混合动力汽车是一个自给的系统 不用在晚上的时候给蓄电池充电 世界上第一 个混合动力汽车个混合动力汽车prius在在 1998 年的时候就已经上路行驶了 它高效的动力系统使得燃油消耗率比普通汽车高年的时候就已经上路行驶了 它高效的动力系统使得燃油消耗率比普通汽车高将近将近 两倍 两倍 Another simplified version of the hybrid powertrains is the so called mild hybrid which has an ISG instead of an electric propulsion motor The ISG cannot actually move the car but it can assist its propulsion and recover energy through regenerative braking This HEV variant is also capable of efficient heavy duty towing 另一种简化的混合动力系统也称作另一种简化的混合动力系统也称作 轻度混合轻度混合 它使用 它使用ISG代替了电动机 这个代替了电动机 这个ISG不能单独的驱动汽车 不能单独的驱动汽车 但是它可以辅助驱动 并且从刹车中回馈能量 这种类型的混合动力汽车同样能够使用在高效的中型拖车中 但是它可以辅助驱动 并且从刹车中回馈能量 这种类型的混合动力汽车同样能够使用在高效的中型拖车中 The mild hybrid cars are basically operated in a same manner as the full hybrids 轻度混合动力汽车基本上拥有全混合动力汽车一样的运行状态 轻度混合动力汽车基本上拥有全混合动力汽车一样的运行状态 Unlike a full hybrid a mild hybrid has a much smaller battery than a full hybrid and cannot run on battery power alone A typical mild hybrid vehicle system s configuration is given in Fig 2 不同于全混合型汽车 轻度混合型的电池更小并且不能由电动机单独拖动 轻度混合型汽车的结构如图不同于全混合型汽车 轻度混合型的电池更小并且不能由电动机单独拖动 轻度混合型汽车的结构如图 2 所示所示 Fig 2 Mild hybrid vehicle system One of the most notable advantages of the mild HEV system is its relatively low cost compared to the full HEV system Clearly a less expensive hybrid system is more likely to appeal to a greater number of mainstream consumers than would more robust and more expensive hybrid systems at least in the initial phases of market development As consumers gain a greater understanding of the differences in hybrid technologies they will be better able to match their need for increased fuel mileage with the most cost effective system 4 轻轻度混合型的电动汽车其中一个优势就是成本比全混合型系统要低 很明显 一个便宜的混合动力系统要度混合型的电动汽车其中一个优势就是成本比全混合型系统要低 很明显 一个便宜的混合动力系统要 比更贵的更强的混合系统更能吸引购买者 当消费者了解的混合动力系统越多 他们就会知道该选什么样的系比更贵的更强的混合系统更能吸引购买者 当消费者了解的混合动力系统越多 他们就会知道该选什么样的系 统 统 3 The integrated starter generator 3 ISG The electronically controlled integrated starter generator ISG as its name implies replaces both the conventional starter and alternator generator in a single electric device The reasons to combine starter and alternator in a single machine of increased power rating are A desire to eliminate the starter which is only a passive component during engine operation A need to replace the present belt and pulley coupling between the alternator and the crankshaft A need to provide fast control of generator voltage during load dumps in order to improve the distributed powerquality A desire to eliminate the slip rings and the brushes in some present wound rotor alternators 电驱动的集成启动发电机正如它的名字所说的那样用一个器件取代了发电机和电动机两个器件 将发电机电驱动的集成启动发电机正如它的名字所说的那样用一个器件取代了发电机和电动机两个器件 将发电机 和电动机合并成一个功率更高的器件的原因是以下的几个 和电动机合并成一个功率更高的器件的原因是以下的几个 1 取消发电机的原因是在通过引擎发电的过程中发电机是一个被动的设备 取消发电机的原因是在通过引擎发电的过程中发电机是一个被动的设备 2 需要取代现在的在发电机和曲轴之间链接的螺栓和滑轮结构 需要取代现在的在发电机和曲轴之间链接的螺栓和滑轮结构 3 需要在负载情况下给发电机一个快速的控制用来实现电能的有效分配 需要在负载情况下给发电机一个快速的控制用来实现电能的有效分配 4 需要取消现有的绕组发电机中有的滑环和碳刷装置 需要取消现有的绕组发电机中有的滑环和碳刷装置 The ISG acts as a bi directional power converter changing mechanical energy into electrical energy and vice versa Functioning as an electric motor it starts the ICE almost soundlessly and considerably faster than any conventional starter As a generator it produces power for the lights the air conditioning system the radio and all other electrical consumers in the car but with higher efficiency than previous systems ISG工作得就像一个双向的功率转换器 将机械功率变成电工率 相反也一样 它工作的像一个电动机 工作得就像一个双向的功率转换器 将机械功率变成电工率 相反也一样 它工作的像一个电动机 它可以比传统的启动机更加它可以比传统的启动机更加安静 安静 迅速的启动内燃机 作为发电机使用的时候 它发的点供给电灯 空调器 迅速的启动内燃机 作为发电机使用的时候 它发的点供给电灯 空调器 收音机和其它的耗电器 但是它的效率比以前的系统更高 收音机和其它的耗电器 但是它的效率比以前的系统更高 In several other cases the ISG is sandwiched between the engine and transmission see Fig 3 在其它的情况下 在其它的情况下 ISG就被引擎和传输系统夹在中间 就被引擎和传输系统夹在中间 Fig 3 A possible place of the ISG in a HEV powertrian The ISG has three important functions start stop electricity generation and power assistance ISG有三个主要的功能 起停 发电 功率辅助 有三个主要的功能 起停 发电 功率辅助 The ISG allows the ICE to turn off and conserve energy and to save fuel at stops and instantly restart upon pressing of the gas pedal Thus instead of continuing to use fuel at idling speed for instance when waiting at a traffic light the engine of a car with ISG switches off completely when the car is no longer in motion When the traffic light turns green and the driver presses the accelerator to move off the ISG car starts up almost instantly ISG能够在停机和立即启动的时候能够在停机和立即启动的时候 让燃油机停止工作节省油料 除了在正常行驶的时候使用燃料 在停车让燃油机停止工作节省油料 除了在正常行驶的时候使用燃料 在停车 等待交通灯的时候汽车的引擎会熄火车就不再动了 当灯变绿的时候司机按下加速的时候等待交通灯的时候汽车的引擎会熄火车就不再动了 当灯变绿的时候司机按下加速的时候ISG会立刻的加速 会立刻的加速 In this engine cranking mode the ISG can provide sufficient rotation using battery power to drive the ICE to the maximum starting speed Once that speed is exceeded the ISG drive power is turned off The vehicle driver however will not notice any difference because the ISG system will restart the ICE independently 在这个引擎正常工作的模式下在这个引擎正常工作的模式下ISG能够通过电池的电能发出足够的转矩将内燃机拖动到最大的启动速度 能够通过电池的电能发出足够的转矩将内燃机拖动到最大的启动速度 只要速度达到了 只要速度达到了 ISG的电源就关闭 汽车的驾驶者根本不会感觉到有任何的区别 因为的电源就关闭 汽车的驾驶者根本不会感觉到有任何的区别 因为ISG的系统会独立的启的系统会独立的启 动内燃机 动内燃机 The ISG can generate electric energy to be stored in the battery taking mechanical energy from the spinning crankshaft of the vehicle running power generation mode In addition the ISG can also act as a retarding force for the crankshaft and to regenerate and feed back into the battery free electric energy when braking the car recuperative braking both when releasing the accelerator and when pressing the brake pedal braking power generation mode In the boost mode the ISG can be used to support the ICE by supplying additional power for fast acceleration ISG remains active throughout the driving process for example during overtaking or at other times when extra power is needed ISG可以通过汽车转轴上吸收的能量转变成电能储存在汽车的蓄电池中 发电模式下 可以通过汽车转轴上吸收的能量转变成电能储存在汽车的蓄电池中 发电模式下 另外 另外ISG能够在汽能够在汽 车刹车的时候将刹车的能量变为电能回馈到电源 在加速的时候车刹车的时候将刹车的能量变为电能回馈到电源 在加速的时候ISG能够作为内燃机的助力 能够作为内燃机的助力 ISG在整个运动区在整个运动区 间内都是活跃的 比方说在超车和需要额外速度的时候 间内都是活跃的 比方说在超车和需要额外速度的时候 The ISG has a lot of advantages 5 ISG有以下有以下多多个方面的优势 个方面的优势 As the ICE is combined with an electric motor system and the ISG system augment power of existing engines by providing electric motor assist or enabling a start stop feature a smaller ICE can be used without reducing performance ISG有一个电动机驱动系统 它能够给内燃机加力 所以在低速启动的时候内燃机的效率也不会降低 有一个电动机驱动系统 它能够给内燃机加力 所以在低速启动的时候内燃机的效率也不会降低 Its start stop and the recuperative braking capability respectively its higher voltage and increased size makes the ISG more efficient than a conventional generator resulting in up to 20 reduced overall fuel consumption 它的起停和刹车回馈能力使得它的起停和刹车回馈能力使得ISG的效率的效率比传统电机比传统电机更高更高 节省燃油节省燃油 20 以上 以上 Because using ISG no fuel enrichment is necessary to start the ICE lower start emissions can be achieved specially during the cold start period 由于不需要提供燃料和启动时的低排放 由于不需要提供燃料和启动时的低排放 ISG能够使电机冷启动 能够使电机冷启动 With the ISG the engine shuts off instead of idling For the user who drives a lot in urban traffic there is clear evidence this environmental benefit The ICE simply is not used when the car is not moving 比如说在城市工况下行车的时候内燃机一般都是不工作的这对环境的保护比较好 比如说在城市工况下行车的时候内燃机一般都是不工作的这对环境的保护比较好 It can achieve noise and vibration reduced operation improving comfort 能够降低噪声和振动使驾驶更舒适 能够降低噪声和振动使驾驶更舒适 The components of the ISG system are not subject to wear and tear and are maintenance free because of the system s brushless design 因为电机采用无刷设计 所以电机的损耗就小了并且免维护 因为电机采用无刷设计 所以电机的损耗就小了并且免维护 The ISG has the ability to perform torque smoothing of the driveline By applying an adequate damping control algorithm also powertrain oscillations and noises can be neutralised ISG可以消除齿槽转矩 通过加上阻尼控制算法可以消除噪声和振动 可以消除齿槽转矩 通过加上阻尼控制算法可以消除噪声和振动 ISG can be integrated with most of actual car models therefore is no need to develop a new car model or significantly modify an existing car Thus it is very cost efficient system ISG可以与现成的几乎所有的汽车模型连接使用而不用新建一个新的汽车模型 因此减少了成本 可以与现成的几乎所有的汽车模型连接使用而不用新建一个新的汽车模型 因此减少了成本 As the cold starting requirements have a great influence on the design of any ISG it can start the ICE also under extremely low temperature conditions 汽车的冷启动要求电机的设计很好 因为需要有可能在温度很低的场合下启动汽车 汽车的冷启动要求电机的设计很好 因为需要有可能在温度很低的场合下启动汽车 The main breakpoint of the ISGs is that they require specialised power systems ISG最重要的一点就是他们需要特殊的功率系统 最重要的一点就是他们需要特殊的功率系统 The design of an ISG is a great challenge for professionals because the ISG drive s requirements are quite severe ISG设计是很难的工作因为设计是很难的工作因为ISG需要满足使用者很严格的要求 需要满足使用者很严格的要求 High starting torque at most unfavourable operating conditions 在最恶劣的情况下还有很高的启动转矩在最恶劣的情况下还有很高的启动转矩 Wide speed range in generator mode 正常行驶下有很宽的调速范围正常行驶下有很宽的调速范围 High efficiency in wide speed range 600 8000 rpm 在 在 600 8000rpm 速度范围之内有很高的效率 速度范围之内有很高的效率 Vibrations of up to 20 g in crankshaft mounted systems 高达高达 20 克振动曲轴安装系统 克振动曲轴安装系统 Cycle life over 250 000 stop start cycles in 10 years 需要经受十年里需要经受十年里25万次的起停万次的起停 Temperature 30 C to 115 C ambient 180 C under the hood 环境温度环境温度 30到到115度车盖下的温度为度车盖下的温度为180度度 Good serviceability high reliability acceptable cost etc 良好的可维护性 高可靠度 低成本 良好的可维护性 高可靠度 低成本 Two types of ISG are currently being used the belt driven Fig 2 and that directly connected to the crankshaft between the engine and the gearbox Fig 3 The two ISG types compared with the classical separate starter and generator solution are given in Fig 4 As it can be seen the crankshaft ISG is mounted behind the engine where the clutch or torque converter previously sat alone This avoids the cost and complexity of the belt driven construction but needs consider