ISG型輕度混合動力汽車系統(tǒng)概述

　　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(jì)汽車技術(shù)的一個重要發(fā)展方向，同時各國的排放法規(guī)也日趨嚴(yán)格。混合動力汽車（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(xiàn)形式多樣化，傳統(tǒng)分類根據(jù)內(nèi)燃機是否與驅(qū)動輪有直接的機械連接，分為串聯(lián)式、并聯(lián)式、混聯(lián)式混合動力汽車。更具邏輯性的分類方法是基于任務(wù)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(jié)構(gòu)復(fù)雜，對汽車底盤的改動較大；（2）系統(tǒng)復(fù)雜，例如豐田Prius的動力分配機構(gòu)是相當(dāng)復(fù)雜的行星齒輪結(jié)構(gòu)，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(xiàn)批量生產(chǎn)的是采用起動機發(fā)電機/電動機一體化（ISG）技術(shù)的輕度混合動力汽車（1SG-MHV）。它只需要對內(nèi)燃機進(jìn)行改造，比較容易在現(xiàn)有傳統(tǒng)內(nèi)燃機汽車上實現(xiàn)，混合程度小、電機功率低，尤其適合在轎車上實現(xiàn)。

　　1 組成結(jié)構(gòu)

　　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(tǒng)、動力傳動系統(tǒng)。

　　ISG-MHV中一般使用較低功率的發(fā)動機，因為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(qū)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(qū)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(qū)動系統(tǒng)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(jié)構(gòu)，同時功率不能太大，當(dāng)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(tǒng)是提高混合動力汽車經(jīng)濟性、動力性和減少廢氣排放水平的關(guān)鍵，該系統(tǒng)包括儲能、能量管理和混合動力系統(tǒng)中央控制單元。常用的儲能單元有電化學(xué)電池、燃料電池、飛輪電池及超大容量電容等。ISG-MHV多采用電化學(xué)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(shù)比較成熟，成本相對較低。

　　動力傳動系統(tǒng)用于均衡、傳遞并調(diào)節(jié)混合動力源的輸出轉(zhuǎn)矩與功率，以滿足整車動力驅(qū)動的需要。主要包括扭矩或轉(zhuǎn)速合成器、離合器、變速器、傳動軸、驅(qū)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(tǒng)通過CAN總線向多能源動力總成管理系統(tǒng)發(fā)送子系統(tǒng)運行信息，同時接受多能源總成管理系統(tǒng)的控制命令，混合動力系統(tǒng)的控制協(xié)調(diào)通過多能源總成管理系統(tǒng)實現(xiàn)，如圖1所示。

　　發(fā)動機和電機的布置方式也不盡相同。一種是將電機直接安裝在內(nèi)燃機曲軸輸出端，并且ISG轉(zhuǎn)子要與曲軸固結(jié)，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(gòu)，將ISG電機和發(fā)動機聯(lián)結(jié)起來，并把起動機同樣連接在ISG電機的機構(gòu)中，節(jié)省了內(nèi)部空間，如圖3所示。

　　2 1SC功能分析

　　ISG-MHV可以實現(xiàn)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(tǒng)的車用起動機只將內(nèi)燃機加速至起動轉(zhuǎn)速（例如200r/min），ISG作為電動機在短時間內(nèi)（通常加速時間僅為0.1~0.2 s）將內(nèi)燃機加速至怠速轉(zhuǎn)速（例如800r/min），然后內(nèi)燃機才開始缸內(nèi)的燃燒過程。高轉(zhuǎn)速電起動過程不僅降低了內(nèi)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(xiàn)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(nèi)燃機一直處于怠速，控制系統(tǒng)自動使內(nèi)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(nèi)完成起動任務(wù)。在城市工況下，汽車不停地起步和停車以及內(nèi)燃機處于怠速的情況非常多，自動起停系統(tǒng)利用電動機快速起動的特點避開了內(nèi)燃機低速起動和長時間怠速，提高了整車燃油經(jīng)濟性和排放性能。

　　2.2 功率補償功能

　　內(nèi)燃機在低速大負(fù)荷時的燃油經(jīng)濟性和排放性能均不佳，通常情況下內(nèi)燃機在此工況下的轉(zhuǎn)矩輸出有限，如果需要內(nèi)燃機在低速大負(fù)荷時能夠提供較大的功率就必須選用更大排量的內(nèi)燃機，這樣雖然滿足了動力性要求，但犧牲了燃油經(jīng)濟性。ISG可以在內(nèi)燃機低速大負(fù)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(nèi)燃機的動力性能。例如，當(dāng)內(nèi)燃機以較低轉(zhuǎn)速運轉(zhuǎn)時，如果加速踏板的行程大于滿行程的90%,ISG就開始進(jìn)行功率補償，當(dāng)加速踏板達(dá)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(zhuǎn)速范圍內(nèi)的效率80%以上。普通車用發(fā)電機通常由內(nèi)燃機曲軸通過皮帶驅(qū)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%,而高速時僅為30%,無法滿足現(xiàn)代汽車電子產(chǎn)品功率需求。ISG高效大功率的電能輸出能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)車用發(fā)電機，不僅能使電動助力轉(zhuǎn)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(shù)得到充分應(yīng)用，而且原先由齒形皮帶驅(qū)動的汽車附件，如空調(diào)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(zhuǎn)換成電能，為車載電池進(jìn)行充電，提高燃油經(jīng)濟性。ISG取代飛輪的作用，可以通過自身的轉(zhuǎn)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(nèi)燃機曲軸的波動，成為有源飛輪起到減震器的作用。內(nèi)燃機附件全部采用電動方式驅(qū)動，齒形皮帶及齒輪組可以全部省掉，同時可以省去傳統(tǒng)的發(fā)電機和電動機，內(nèi)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(fù)荷時效率較高，負(fù)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(jù)ISG的結(jié)構(gòu)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(nèi)（通常為0.1~0.2s）將內(nèi)燃機加速至怠速轉(zhuǎn)速，然后內(nèi)燃機開始缸內(nèi)燃燒過程，隨后離合器結(jié)合，開始行駛循環(huán)。

　　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低于其限定的最大值Bsoctop時，ISG轉(zhuǎn)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(dāng)汽車加速或爬坡時，令I(lǐng)SG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(dāng)汽車處于怠速空載狀態(tài)時，內(nèi)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(nèi)完成起步任務(wù)。當(dāng)汽車減速或制動時，ISG處于再生制動工況。

　　4 國內(nèi)外ISC研究現(xiàn)狀和實際應(yīng)用

　　在混合動力汽車研究領(lǐng)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(biāo)桿。上世紀(jì)90年代以來，國外所有知名汽車公司均投入巨資開始進(jìn)行電動汽車和混合動力汽車實用車型的研發(fā)。從新世紀(jì)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(gòu)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(xiàn)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(tǒng)的混合動力轎車Insight.本田Insight的動力系統(tǒng)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(fēng)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(chǎn)品。2001年12月，在主力車型CIVIC上加載混合動力技術(shù)的CIVIC Hybrid開始在日本市場銷售。2004年12月，安裝可變氣缸系統(tǒng)的V6發(fā)動機和ISG系統(tǒng)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(jìn)的共軌式柴油高壓供油系統(tǒng)、變截面渦輪增壓系統(tǒng)和多氣門頂置雙凸輪軸的直噴式柴油機，并采用鋁合金結(jié)構(gòu)降低重量，達(dá)到了最好的燃料經(jīng)濟性。安裝ISG系統(tǒng)可減少系統(tǒng)重量、優(yōu)化啟動性能、回收制動能量，并通過怠速關(guān)機來降低燃料消耗和排放，使動力系統(tǒng)的匹配達(dá)到最優(yōu)組合。

　　2006年1月奇瑞汽車有限公司承擔(dān)"ISG混合動力轎車用汽油發(fā)動機研發(fā)"和"B-ISG轎車關(guān)鍵技術(shù)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(tǒng)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(tǒng)、逆變器以及DC/DC轉(zhuǎn)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(lián)邦德國提案，該類型車排放達(dá)到歐V標(biāo)準(zhǔn)。奇瑞B(yǎng)-ISG動力系統(tǒng)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(tǒng)。最高穩(wěn)定車速≥180km/h,0~100km加速時間≤12.8s,在城郊綜合工況下油耗為6.3 L/100km,排放達(dá)到歐Ⅳ標(biāo)準(zhǔn)。

　　長安汽車（集團）有限責(zé)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(lián)合清華大學(xué)、北京理工大學(xué)、重慶大學(xué)、北航等高校和科研單位共同承擔(dān)"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(dá)歐Ⅲ標(biāo)準(zhǔn)。樣車最大時速可達(dá)160km/h,整車成本的增加有效地控制在30%以內(nèi)，加速性能與同檔次的汽車相當(dāng)，續(xù)駛里程大于500km,最大爬坡度可達(dá)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(xué)自主知識產(chǎn)權(quán)的混合動力技術(shù)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(lián)電動機的一體化設(shè)計，優(yōu)點是結(jié)構(gòu)緊湊、可靠性高、成本低，可節(jié)省燃料20%左右。

　　5 結(jié)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(tǒng)汽車產(chǎn)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、基礎(chǔ)設(shè)施薄弱、推廣困難等問題。混合動力汽車是對當(dāng)前所面臨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(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、成本低，適用于對價格較為敏感的經(jīng)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(shù)的不斷完善，相信將來會在越來越多的車輛上應(yīng)用。