車用ISG技術及其國內外發展現狀

摘要: 起動機/發電機/電動機一體化技術的ISG的技術主要應用在輕度混合動力汽車上。主要介紹了ISG系統結構組成、工作原理，以及對國內外車用ISG系統發展現狀的分析，并指出了ISG系統的關鍵技術及發展趨勢。這種技術結構簡單，成本較低，能夠很好應用在傳統的汽車上，具有很好的應用前景。

關鍵詞:ISG；結構原理；發展現狀

中圖分類號：U46 文獻標志碼：A 文章編號：1005-2550（2011）05-0001-06

Review on Integrated Starter/Generator Used in the Automobile and

Development Both at Home and Abroad

YIN An-dong，LI Ling-ling

（School of Mechanical and Vehicle Engineering，Hefei University of Technology，Hefei 230009，China）

Abstract:The technology of integrated starter/generator/motor is applied to mild hybrid vehicle.Configuration and operation theory and development trend of ISG are introduced in this paper.It is featured with simple structure，low cost and can be used excellent in conventional vehicles with good prosperity for application.

Key words:ISG；configuration theory；development trend

目前世界汽車工業可持續發展所面臨的兩大難題是環境污染和石油資源匱乏，環保和節能是21世紀汽車技術的一個重要發展方向，同時各國的排放法規也日趨嚴格。混合動力汽車（HEV）正是具有低污染和低油耗特點的新一代清潔汽車?；旌蟿恿ζ囀莻鹘y內燃機車輛與電動車輛的有效組合，它繼承了電動汽車低排放的優點，又發揚了石油燃料比能量和比功率高的長處，顯著改善了傳統內燃機汽車的排放和燃油經濟性。混合動力汽車的實現形式多樣化［1］，傳統的分類是根據內燃機是否與驅動輪有直接的機械連接，分為串聯式混合動力汽車（Series Hybrid Vehicle-SHEV），并聯式混合動力汽車（Parallel Hybrid Vehicles-PHEV），混聯式混合動力汽車（Parallel/Series Hybrid Vehicle-PSHEV）。更具邏輯性的分類方法是基于任務（Mission-based）的分類方法，可將混合方式分成三類，即輕度混合型（Mild Hybrid Vehicle-MHV），功率混合型（Power Hybrid Vehicle-PHV）和能量混合型（Energy Hybrid Vehicle-EHV）。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動機；

3）成本較高，主要是較高的電池能量和功率要求造成的。三種混合型的成本比較下來（見表1）［2］，輕度混合動力系統具有節能環保且成本低的特點。

表1 三種混合型汽車成本對比美元

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電機/電動機一體化技術的ISG型輕度混合動力汽車。只需要對發動機進行改造就可以了，比較容易在現有傳統內燃機汽車上實現，這種系統的混合程度較高，可以達到30%左右，目前技術已經成熟，應用廣泛。

1 起動機/發電機/電動機一體化技術介紹

起動/助力/發電一體化系統（Integrated Started Alternator Damper，簡稱ISAD系統），又名ISA（Integrated Starter Alternator）和ISG（Integrated Starter Generator），是這些年來應用于汽車中的一種新技術。傳統的燃油汽車電氣系統中，起動、發電功能分別由直流起動機和交流發電機兩個獨立的子系統完成。兩套機組需要獨立地研制、優化、裝配和維護，是汽車中體積和重量最大的兩大電器部件。實際上，起動電機只在啟動汽車發動機時工作，發動機運轉至怠速后就與發動機脫離并停止工作，而交流發電機在發動機運轉之后才開始工作，所以這兩套機組工作時間并不重。近些年來，隨著汽車工業對電能供應、燃料消耗量和尾氣排放量的要求越來越高，傳統的汽車原理與結構不能滿足要求，急需一種新的技術和架構。ISG就是一種比較好的折中方案。

1.1ISG功能分析

ISG可以實現自動起停功能（Automatic Start-Stop）、功率補償功能（Power Booster）及高效大功率電能輸出功能（High Efficient Power Generation）［3］。

1.1.1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200 r/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800 r/min），然后內燃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，例如在路口等紅燈時，內燃機一直處于怠速，控制系統會自動令內燃機停止運行，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是非常多的，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。

1.1.2 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，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的要求，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，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。

1.1.3 高效大功率電能輸出

ISG用作發電機時可以提供6～10 kW功率輸出，全轉速范圍內的效率80%以上。普通車用發電機通常通過皮帶由內燃機曲軸驅動，最大輸出功率僅為1.5～2.5 kW，發電機的最大效率為70%，而高速時僅為30%，這是無法滿足現代汽車電子產品功率需求的。ISG高效大功率的電能輸出能力遠遠優于傳統的車用發電機，它不僅能使電動助力轉向、電動制動以及電子節氣門等需要較大功率供電的新興汽車電子技術得到充分的應用，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。

1.1.4 其余功能

除了以上三個主要功能以外，還具有以下幾個功能。ISG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電機之間來回切換狀態，平衡內燃機曲軸的波動，成為有源飛輪而起到減震器的作用。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電機和電動機，內燃機附件的布置就可以更加靈活。

1.2 ISG電機的布置方案

將ISG與發動機以及傳動系布置在一起有四種不同方案［4］，如圖1—圖4所示。

圖1 用于直接啟動的曲軸電機

圖1所示，在發動機與離合器之間使用同軸電機可直接啟動發動機而不會使元件受到磨損。這里ISG代替了飛輪。與帶有齒輪傳動機構的傳統起動機相比，會產生一個對曲軸較小的慣性矩。由于因壓縮而引起的扭矩和轉速波動，所需平均啟動轉速和機械功率增大。此種布置方案可以直接啟動發動機，優點有：啟動快，無噪聲，元件少，發動機功率高。缺點是：用于啟動需3～4倍的蓄電池功率，無脈沖啟動機滑翔式運轉，回收能量受限，而且費用高。

圖2 帶雙離合器的曲軸電機

圖2所示為裝在曲軸上的帶復式離合器的ISG，ISG和發動機間的第2個離合器的應用開辟了廣泛的功能。啟動可用脈沖啟動來實現，在啟動中兩個離合器之間的ISG獲得一定的轉速并形成動能。啟動時間結束后發動機側的離合器關閉，離合器摩擦力矩使發動機加速運轉。該脈沖啟動明顯減少所需的電啟動功率。以耐充放電的蓄電池為基礎，發動機側的離合器可在發動機停機時從汽車滑行中回收制動能量，因為這時沒有發動機倒拖力矩。此布置優點為：快速無噪聲啟動，脈沖啟動下高啟動按鈕以及中等功率需求，還可以進行制動能量回收。缺點是：需要兩個離合器，元件較多，控制復雜，冷啟動時有等待時間，不迅速，且費用高。

圖3 變速器一側的ISG電機

圖3為變速器側的ISG，軸向平行布置也可承擔啟動-發電的功能。連接在變速器一側與雙離合器系統一樣可以使脈沖啟動和再生能量回收成為可能，但由于僅在變速器空轉下才能實現啟動，所以這種形式還需一個智能變速器管理系統。除此之外還需一個用于耦合電機的變速器輸出端。此種優點為：不作用與傳動系，與電機較近，汽車可以正?；?，中等功率需求，可進行能量回收。缺點是：僅在變速器空轉時才能啟動發動機，對變速器需作改動，費用較高。

圖4 皮帶驅動的ISG電機（BSG）

圖4為皮帶傳動的ISG系統，這是最新系統，對這個方案可提出多個變形結構。原則上，ISG可作為異步電動機或爪極電動機來描述，連接直接通過與曲軸上的皮帶輪或電機一體化的單級或雙級變速器來實現。傳動級的轉換要么被動地通過扭矩方向，要么主動地通過一個電氣操縱執行元件來控制。要傳遞大扭矩，就要完成一個復合項V帶到齒形帶的過渡。此方案中對皮帶的壽命和齒形帶產生的噪聲提出了挑戰。

2 國外ISG研究與應用現狀

20世紀90年代以來，國外所有知名汽車公司均投入巨資開始進行電動汽車和混合動力汽車實用車型的研發。目前制造成本最低，最容易實現批量生產的是采用起動機/發電機/電動機一體化技術的ISG型輕度混合動力汽車。下面對各國在ISG方面的研究和發展現狀作一個概括介紹。

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的一個標桿［4］。1997年，豐田Toyota公司推出了應用了ISG技術的THSⅠ（Toyota Hybrid System Ⅰ）“Prius”開始在日本批量銷售；隨后，豐田公司推出了THSⅡ“03Prius”、“RX400”SUV。豐田的ISG電機采用永磁無刷電機，電機轉子采用釹磁體材料，直流母線電壓達到650 V。由于采用了高壓技術，輸出功率和效率大大提高了。

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［6］。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10 kW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60 mm。該ISG系統采用矩形波永磁電機，電源系統采用144 V的蓄電池組，電機與發動機曲軸直接連接，可以產生于發動機相位相反的轉矩，降低振動，使運轉平穩。此后，ISG技術也應用到本田的第二代Accord、第三代2005款CIVIC和第4代2006款CIVIC混合動力汽車上。在2006款混合動力車上，電動機使用了一種最新的扁線圈纏繞構造，這使得電動機最大功率和最大轉矩與2005款CIVIC相比分別增加了50％和14％，轉換效率由原來的94.6％提高到96％。2001年12月，在主力車型CIVIC上加載ISG混合動力技術的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發動機和ISG系統的Accord Hybrid開始在北美銷售。

2000年2月，戴姆勒克萊斯勒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［7］。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組合。

德國零部件制造商大陸（Contiental）公司下屬的Tocher公司首先開發了ISAD系統，并與1997年裝機試驗，大陸公司因此獲得1997度工業革命新獎，1999年在法蘭克福國際展覽會上，ISG作為汽車零部件首次亮相。隨后，博世、西門子、薩克斯和德爾福、法雷奧等公司也開發出這種系統。其中，大陸和西門子公司選用的是異步電機，42 V電源系統，采用直接傳動方式，即把ISG安裝在發動機和變速器之間的曲軸上；博世公司選用的是永磁同步電機，14 V和42 V混合電源系統，也采用曲軸直接傳動的方式，工作效率在98%以上；薩克斯選用永磁同步電機，定子和定子支架直接安裝在發動機曲軸凸緣上，轉子則固定在飛輪上，發電效率高達80%-90%；法雷奧開發的ISG選用42 V電源系統，采用皮帶連接的簡介傳動方式，與傳統車相比，可節省20%的燃料，在30%的停頓過程中實現零排放。

大陸公司的ISG安裝在福特轎車上試驗，發動機驅動時產生的振動與無ISG的轎車相比降低了70％，在雷諾一款轎車上安裝了ISG后，其舒適性可與寶馬轎車相媲美。法雷奧公司制造的ISG用在福特Tansit T280上，制造出歐洲第一輛B-ISG的柴油輕度混合動力城市運貨車。

3 國內ISG研究與應用現狀

從新世紀初開始，在“863”計劃的推動下，中國汽車制造企業和科研機構在混合動力汽車方面也取得了很大的發展。

2006年1月奇瑞汽車有限公司承擔“ISG混合動力轎車用汽油發動機研發”和“B-ISG轎車關鍵技術與核心零部件研發”兩個項目順利通過驗收［8］。奇瑞ISG動力系統由“1.3 L汽油機+5速手動變速器+10 kW電機+144 V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。最高穩定車速≥180 km/h，0～100 km加速時間≤11.3 s，加速行駛時車外最大噪聲≤71dB，在城郊綜合工況下油耗4.95 L/100 km。參照聯邦德國提案，該類型車排放達到歐V標準。奇瑞B-ISG動力系統由“1.6 L汽油機+5速手動變速器+2 kW電機+12 V鉛酸電池”組成，電機采用爪極電機并帶有電機控制系統。最高穩定車速≥180 km/h，0～100 km加速時間≤12.8 s，在城郊綜合工況下油耗為6.3 L/100 km，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［9］。從2002年開始混合動力汽車的開發到2008年長安ISG混合動力杰勛在奧運期間的優異表現。自2009年6月杰勛混合動力轎車面向普通消費者銷售再到2009年底奔奔MINI純電動汽車試生產下線。8年時間，“長安”用混合動力轎車為我們揭開了國內新能源汽車的神秘面紗。長安混合動力系統中采用了兩個動力源，一個是傳統的四缸電噴發動機，采用發動機電控單元ECU（Engine Control Unit）和電子油門進行控制，另一個是集成的發電機/電動機ISG（Integrated Starter and Generator）作為動力輔助單元，ISG的額定功率相對發動機較小，是一種輕度混合動力系統。其油耗已降低了30%，排放已達歐Ⅲ標準。樣車最大時速可達160 km/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，續駛里程大于500 km，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合動力技術改造開發的一臺中度混合動力轎車。該車采用發動機曲軸ISG方案，1.5 L發動機曲軸并聯電動機的一體化設計，優點是結構緊湊、可靠性高、成本低，可節省燃料20%左右。

玉柴聯合上海交大成功研制的城市客車型混合動力問世，這是以單軸并聯式（ISG）技術進行城市客車動力總成開發的首個創新成果，引領了下一代新型動力技術潮流。2007年10月28日上午玉柴在南博會玉柴展位舉辦了玉柴ISG混合動力技術發布會。玉柴城市客車型混合動力是以柴油機和電機共同作為車輛的驅動動力，加速時，電機作為動力源，輔助發動機保持強勁的動力性；減速時，電機作為發電機將制動能量回收。因此，對于同樣動力需求的車輛，可以選擇更小排量的發動機，并使發動機運行在高效率區，再加上整車空調、動力轉向等附件的控制，以及整車動力系統的優化控制，從而實現城市公交車降低行駛燃油耗 ，減少CO2排放和其它尾氣排放?；贗SG混合動力系統，玉柴城市客車型混合動力以四缸發動機實現了六缸發動機的加速效果，同時令城市工況下的燃油消耗減少20％左右。

東風汽車公司的EQ7200采用了ISG應用永磁磁阻電機，轉矩達178N·m，4倍弱磁、電動效率達92％、發電效率達94％。

4 車用ISG關鍵技術與發展趨勢

ISG系統目前也存在一定問題。主要包括控制器成本增加、控制難度增大，傳動系長度加長、重量增加等。

ISG系統性能提高的關鍵在于以下幾個方面：

1）適合ISG系統的電機種類選擇、設計與制造。應保證電機具有高起動轉矩、高發電效率及高轉矩密度；

2）高性能ISG控制技術，包括快速起動、高效發電和電動、發電模式自由切換的控制；

3）發電運行時能在寬速度范圍內發出恒定的電壓供給蓄電池充電；

4）電機控制器設計要結構合理緊湊、安裝快捷、便于調試、安全性好。

4.1 磁場可控永磁同步電機是ISG電機的首選之一

基于ISG系統的功能特點，該系統電機應滿足大起動轉矩和寬調速范圍、體積和質量小、發電效率高、可靠性高的要求。從功能上講，可用于ISG系統的電機有爪極電機、永磁電機、感應電機和開關磁阻電機，可根據需要選用不同的電機。上述電機各有優缺點。其中永磁電機采用永磁體勵磁，結構簡單，效率和功率因數高。矩形波永磁電機無需精確檢測轉子的位置，控制比較簡單，實現起來比較容易，所以選擇矩形波電機的較多。正弦波永磁電機轉矩波動小，速度范圍寬，性能更優越。由于正弦波永磁電機需要精確檢測轉子位置，磁場難以調節，所以控制器研發難度較大，成本也比較高，而磁場可控的永磁同步電機是ISG研究和發展的熱點。永磁磁阻混合同步電機是ISG電機的最優選擇之一。這種電機是同步磁阻電機和同步永磁電機結合體。

4.2 最大轉矩/電流控制和弱磁控制策略

為了滿足永磁ISG系統快速起停、高效電動、高效發電和強魯棒性等要求，永磁ISG主要采用的控制策略是：電動運行時的最大轉矩，電流控制和發電運行時的弱磁控制。最大轉矩、電流控制是指在逆變器輸出電流幅值一定的情況下，控制電流矢量的方向角，以使電機的輸出轉矩最大。ISG系統運行在發電狀態時，發出的電壓會隨速度變化和負載的變化而引起電壓波動。弱磁是指通過調節定子電流，即增加定子直軸去磁電流分量來維持高速運行時電壓的平衡，達到發電時調節電壓滿足充電要求。實現弱磁的算法主要有最大功率輸出控制和最小銅損控制。

4.3 42 V電源和曲軸式直接傳動是ISG系統的發展方向

ISG系統可用于42 V系統、14 V系統和14 V/42 V混合電源系統當中［10，11］。由于ISG系統需要大的起動轉矩，起動電流也比較大?？紤]安全電壓的前提下，采用42V電源更適合提高ISG系統的工作效率。

ISG系統的傳動方式主要有兩種：間接式皮帶傳動和直接式曲軸傳動。采用皮帶傳動能降低研發費用和成本。能盡可能少地改動傳統發動機的結構來實現ISG的功能。但由于電機輸出的功率很大。皮帶的傳動性能難以控制，所以皮帶傳動僅可以作為過渡期的一種替代方式加以考慮使用。直接式曲軸傳動能輸出大功率，效率也更高，是ISG系統傳動的發展方向。

5 結論

隨著石油能源的日益緊缺，環保意識的不斷加強以及排放法規要求的不斷提高，傳統的汽車產業必將迎來新的更大的挑戰。對各種新能源汽車的研發也是如火如荼，但也面對著成本太高，基礎設施薄弱，推廣困難等問題。混合動力汽車是對當前所面臨的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車型，特別適合城市某些專門用途的車輛，對特定行駛工況的燃油消耗量的減少有著突出的作用。隨著ISG技術的不斷研制或采用，既提升了汽車品牌的技術內涵，同時也順應了環保和節能的趨勢，具有良好的發展前景，將來會在越來越多的車輛上應用。

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