ISG型輕度混合動(dòng)力汽車(chē)系統(tǒng)的組成、功能與應(yīng)用分析

目前世界汽車(chē)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(chē)技術(shù)的一個(gè)重要發(fā)展方向，同時(shí)各國(guó)的排放法規(guī)也日趨嚴(yán)格?；旌蟿?dòng)力汽車(chē)（HEV）正是具有低污染、低油耗特點(diǎn)的新一代清潔能源汽車(chē)?；旌蟿?dòng)力汽車(chē)的實(shí)現(xiàn)形式多樣化，傳統(tǒng)分類(lèi)根據(jù)內(nèi)燃機(jī)是否與驅(qū)動(dòng)輪有直接的機(jī)械連接，分為串聯(lián)式、并聯(lián)式、混聯(lián)式混合動(dòng)力汽車(chē)。更具邏輯性的分類(lèi)方法是基于任務(wù)的分類(lèi)方法，將混合方式分成3類(lèi)，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(diǎn)：（1）結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對(duì)汽車(chē)底盤(pán)的改動(dòng)較大；（2）系統(tǒng)復(fù)雜，例如豐田Prius的動(dòng)力分配機(jī)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(shí)控制兩臺(tái)電動(dòng)機(jī)和一臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)；（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(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)的是采用起動(dòng)機(jī)發(fā)電機(jī)/電動(dòng)機(jī)一體化（ISG）技術(shù)的輕度混合動(dòng)力汽車(chē)（1SG-MHV）。它只需要對(duì)內(nèi)燃機(jī)進(jìn)行改造，比較容易在現(xiàn)有傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車(chē)上實(shí)現(xiàn)，混合程度小、電機(jī)功率低，尤其適合在轎車(chē)上實(shí)現(xiàn)。

1 組成結(jié)構(gòu)

ISG型輕度混合動(dòng)力汽車(chē)動(dòng)力單元主要包括發(fā)動(dòng)機(jī)、牽引電機(jī)、能量管理系統(tǒng)、動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)。

ISG-MHV中一般使用較低功率的發(fā)動(dòng)機(jī)，因?yàn)榧铀俸团榔聲r(shí)并不只由發(fā)動(dòng)機(jī)單獨(dú)提供功率，而是由電動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置及能量存儲(chǔ)單元（電池組、儲(chǔ)能飛輪或者超能電容器）與發(fā)動(dòng)機(jī)一起驅(qū)動(dòng)汽車(chē)行駛。發(fā)動(dòng)機(jī)的額定功率一般在50 kW左右。

電機(jī)是電氣驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的核心，電機(jī)的性能、效率直接影響電動(dòng)汽車(chē)的性能。此外，電機(jī)的尺寸、重量也影響汽車(chē)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(shí)功率不能太大，當(dāng)前成功開(kāi)發(fā)的ISG-MHV多采用直流永磁無(wú)刷電機(jī)，其峰值功率約為10~15 kW.

能量管理系統(tǒng)是提高混合動(dòng)力汽車(chē)經(jīng)濟(jì)性、動(dòng)力性和減少?gòu)U氣排放水平的關(guān)鍵，該系統(tǒng)包括儲(chǔ)能、能量管理和混合動(dòng)力系統(tǒng)中央控制單元。常用的儲(chǔ)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(duì)較低。

動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)用于均衡、傳遞并調(diào)節(jié)混合動(dòng)力源的輸出轉(zhuǎn)矩與功率，以滿足整車(chē)動(dòng)力驅(qū)動(dòng)的需要。主要包括扭矩或轉(zhuǎn)速合成器、離合器、變速器、傳動(dòng)軸、驅(qū)動(dòng)車(chē)輪等。

上面4個(gè)單元都有各自的控制管理器。所有控制子系統(tǒng)通過(guò)CAN總線向多能源動(dòng)力總成管理系統(tǒng)發(fā)送子系統(tǒng)運(yùn)行信息，同時(shí)接受多能源總成管理系統(tǒng)的控制命令，混合動(dòng)力系統(tǒng)的控制協(xié)調(diào)通過(guò)多能源總成管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，如圖1所示。

發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)的布置方式也不盡相同。一種是將電機(jī)直接安裝在內(nèi)燃機(jī)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(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)，如圖2所示。一種是在發(fā)動(dòng)機(jī)前端用皮帶傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，將ISG電機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)聯(lián)結(jié)起來(lái)，并把起動(dòng)機(jī)同樣連接在ISG電機(jī)的機(jī)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(shí)現(xiàn)自動(dòng)起停、功率補(bǔ)償及高效大功率電能輸出功能。

2.1 自動(dòng)起停功能

傳統(tǒng)的車(chē)用起動(dòng)機(jī)只將內(nèi)燃機(jī)加速至起動(dòng)轉(zhuǎn)速（例如200r/min），ISG作為電動(dòng)機(jī)在短時(shí)間內(nèi)（通常加速時(shí)間僅為0.1~0.2 s）將內(nèi)燃機(jī)加速至怠速轉(zhuǎn)速（例如800r/min），然后內(nèi)燃機(jī)才開(kāi)始缸內(nèi)的燃燒過(guò)程。高轉(zhuǎn)速電起動(dòng)過(guò)程不僅降低了內(nèi)燃機(jī)起動(dòng)時(shí)的燃料消耗，還改善了排放。自動(dòng)起停功能的實(shí)現(xiàn)過(guò)程如下：如果汽車(chē)較長(zhǎng)時(shí)間處于空載狀態(tài)，例如在路口等紅燈時(shí)，內(nèi)燃機(jī)一直處于怠速，控制系統(tǒng)自動(dòng)使內(nèi)燃機(jī)停止運(yùn)行，同時(shí)ISG也停止工作，需要起步時(shí)，ISG在0.1~0.2 s的短時(shí)間內(nèi)完成起動(dòng)任務(wù)。在城市工況下，汽車(chē)不停地起步和停車(chē)以及內(nèi)燃機(jī)處于怠速的情況非常多，自動(dòng)起停系統(tǒng)利用電動(dòng)機(jī)快速起動(dòng)的特點(diǎn)避開(kāi)了內(nèi)燃機(jī)低速起動(dòng)和長(zhǎng)時(shí)間怠速，提高了整車(chē)燃油經(jīng)濟(jì)性和排放性能。

2.2 功率補(bǔ)償功能

內(nèi)燃機(jī)在低速大負(fù)荷時(shí)的燃油經(jīng)濟(jì)性和排放性能均不佳，通常情況下內(nèi)燃機(jī)在此工況下的轉(zhuǎn)矩輸出有限，如果需要內(nèi)燃機(jī)在低速大負(fù)荷時(shí)能夠提供較大的功率就必須選用更大排量的內(nèi)燃機(jī)，這樣雖然滿足了動(dòng)力性要求，但犧牲了燃油經(jīng)濟(jì)性。ISG可以在內(nèi)燃機(jī)低速大負(fù)荷時(shí)工作在電動(dòng)機(jī)狀態(tài)，提供一部分輔助功率，提高低速時(shí)內(nèi)燃機(jī)的動(dòng)力性能。例如，當(dāng)內(nèi)燃機(jī)以較低轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，如果加速踏板的行程大于滿行程的90%,ISG就開(kāi)始進(jìn)行功率補(bǔ)償，當(dāng)加速踏板達(dá)到滿行程時(shí)，ISG提供最大瞬時(shí)功率。

2.3 高效大功率電能輸出功能

ISG用作發(fā)電機(jī)時(shí)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(chē)用發(fā)電機(jī)通常由內(nèi)燃機(jī)曲軸通過(guò)皮帶驅(qū)動(dòng)，最大輸出功率僅為1.5~2.5 kW,發(fā)電機(jī)的最大效率為70%,而高速時(shí)僅為30%,無(wú)法滿足現(xiàn)代汽車(chē)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(chē)用發(fā)電機(jī)，不僅能使電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向、電動(dòng)制動(dòng)以及電子動(dòng)氣門(mén)等需要較大功率供電的新興汽車(chē)電子技術(shù)得到充分應(yīng)用，而且原先由齒形皮帶驅(qū)動(dòng)的汽車(chē)附件，如空調(diào)壓縮機(jī)等，都可以由專(zhuān)用的電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)，并控制電動(dòng)機(jī)運(yùn)行在最佳工況點(diǎn)，提高整車(chē)效率。

2.4 其余功能

除了以上3個(gè)主要功能以外，ISG還可以將汽車(chē)減速或制動(dòng)時(shí)的動(dòng)能轉(zhuǎn)換成電能，為車(chē)載電池進(jìn)行充電，提高燃油經(jīng)濟(jì)性。ISG取代飛輪的作用，可以通過(guò)自身的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量以及在電動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)之間來(lái)回切換狀態(tài)，平衡內(nèi)燃機(jī)曲軸的波動(dòng)，成為有源飛輪起到減震器的作用。內(nèi)燃機(jī)附件全部采用電動(dòng)方式驅(qū)動(dòng)，齒形皮帶及齒輪組可以全部省掉，同時(shí)可以省去傳統(tǒng)的發(fā)電機(jī)和電動(dòng)機(jī)，內(nèi)燃機(jī)附件的布置可以更加靈活。

3 控制策略

發(fā)動(dòng)機(jī)效率在低速時(shí)偏低，扭矩也較小，而在中高負(fù)荷時(shí)效率較高，負(fù)荷再大時(shí)效率又會(huì)下降，見(jiàn)圖4.為了盡量使發(fā)動(dòng)機(jī)在高效率下工作，可以根據(jù)ISG的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)制定具體控制策略。

起動(dòng)時(shí)，ISG作為電動(dòng)機(jī)狀態(tài)在短時(shí)間內(nèi)（通常為0.1~0.2s）將內(nèi)燃機(jī)加速至怠速轉(zhuǎn)速，然后內(nèi)燃機(jī)開(kāi)始缸內(nèi)燃燒過(guò)程，隨后離合器結(jié)合，開(kāi)始行駛循環(huán)。

汽車(chē)巡航或以較低速度行駛時(shí)，如果此時(shí)蓄電池的荷電狀態(tài)值Bsoc低于其限定的最大值Bsoctop時(shí)，ISG轉(zhuǎn)換至發(fā)電機(jī)狀態(tài)，向電池組充電。但若此時(shí)蓄電池Bsoc等于或大于其限定值時(shí)，為了延長(zhǎng)蓄電池的使用壽命，ISG不能向蓄電池充電。

當(dāng)汽車(chē)加速或爬坡時(shí)，令I(lǐng)SG工作在電動(dòng)機(jī)工況，提供一部分輔助扭矩；但在1檔時(shí)，ISG均不助力。當(dāng)汽車(chē)處于怠速空載狀態(tài)時(shí)，內(nèi)燃機(jī)停止運(yùn)行，同時(shí)ISG也停止工作；需起步時(shí)，ISG作為電動(dòng)機(jī)在短時(shí)間內(nèi)完成起步任務(wù)。當(dāng)汽車(chē)減速或制動(dòng)時(shí)，ISG處于再生制動(dòng)工況。

4 國(guó)內(nèi)外ISC研究現(xiàn)狀和實(shí)際應(yīng)用

在混合動(dòng)力汽車(chē)研究領(lǐng)域，日本汽車(chē)公司是國(guó)際混合動(dòng)力汽車(chē)制造企業(yè)的一個(gè)標(biāo)桿。上世紀(jì)90年代以來(lái)，國(guó)外所有知名汽車(chē)公司均投入巨資開(kāi)始進(jìn)行電動(dòng)汽車(chē)和混合動(dòng)力汽車(chē)實(shí)用車(chē)型的研發(fā)。從新世紀(jì)初開(kāi)始，在"863"計(jì)劃的推動(dòng)下，中國(guó)汽車(chē)制造企業(yè)和科研機(jī)構(gòu)在混合動(dòng)力汽車(chē)方面也取得了很大的發(fā)展。下面對(duì)各國(guó)在ISG方面的'研究和發(fā)展現(xiàn)狀作一個(gè)概括介紹。

本田自1999年11月開(kāi)始在日本推出安裝ISG系統(tǒng)的混合動(dòng)力轎車(chē)Insight.本田Insight的動(dòng)力系統(tǒng)包括一臺(tái)作為主動(dòng)力源的1.0 L稀薄燃燒汽油機(jī)（空燃比為26:1）和作為輔助動(dòng)力的10kW的ISG,ISG采用了抗熱性強(qiáng)的永磁體，薄型線圈，風(fēng)冷，超薄型電機(jī)的厚度僅為60mm.此后，本田共推出了3款混合動(dòng)力產(chǎn)品。2001年12月，在主力車(chē)型CIVIC上加載混合動(dòng)力技術(shù)的CIVIC Hybrid開(kāi)始在日本市場(chǎng)銷(xiāo)售。2004年12月，安裝可變氣缸系統(tǒng)的V6發(fā)動(dòng)機(jī)和ISG系統(tǒng)的Accord Hybrid開(kāi)始在北美銷(xiāo)售。

2000年2月，戴克公司在華盛頓的國(guó)家博物館推出了其輕度混合型概念車(chē)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(mén)頂置雙凸輪軸的直噴式柴油機(jī)，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(jì)性。安裝ISG系統(tǒng)可減少系統(tǒng)重量、優(yōu)化啟動(dòng)性能、回收制動(dòng)能量，并通過(guò)怠速關(guān)機(jī)來(lái)降低燃料消耗和排放，使動(dòng)力系統(tǒng)的匹配達(dá)到最優(yōu)組合。

2006年1月奇瑞汽車(chē)有限公司承擔(dān)"ISG混合動(dòng)力轎車(chē)用汽油發(fā)動(dòng)機(jī)研發(fā)"和"B-ISG轎車(chē)關(guān)鍵技術(shù)與核心零部件研發(fā)"兩個(gè)項(xiàng)目順利通過(guò)驗(yàn)收。奇瑞ISG動(dòng)力系統(tǒng)由"1.3L汽油機(jī)+5速手動(dòng)變速器+10kW電機(jī)+144V鎳氫電池"組成，電機(jī)采用永磁同步電機(jī)并帶有電機(jī)控制系統(tǒng)、逆變器以及DC/DC轉(zhuǎn)換器。最高穩(wěn)定車(chē)速≥180km/h,0~100km加速時(shí)間≤11.3s,加速行駛時(shí)車(chē)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(guó)提案，該類(lèi)型車(chē)排放達(dá)到歐V標(biāo)準(zhǔn)。奇瑞B(yǎng)-ISG動(dòng)力系統(tǒng)由"1.6L汽油機(jī)+5速手動(dòng)變速器+2kW電機(jī)+12V鉛酸電池"組成，電機(jī)采用爪極電機(jī)并帶有電機(jī)控制系統(tǒng)。最高穩(wěn)定車(chē)速≥180km/h,0~100km加速時(shí)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(zhǎng)安汽車(chē)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司在科技部、重慶市科委、中國(guó)兵器裝備集團(tuán)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(dòng)力長(zhǎng)安轎車(chē)整車(chē)項(xiàng)目",目前也已通過(guò)國(guó)家級(jí)驗(yàn)收。其油耗已降低了30%,排放已達(dá)歐Ⅲ標(biāo)準(zhǔn)。樣車(chē)最大時(shí)速可達(dá)160km/h,整車(chē)成本的增加有效地控制在30%以?xún)?nèi)，加速性能與同檔次的汽車(chē)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(huì)上登場(chǎng)。這款車(chē)是由上海交通大學(xué)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的混合動(dòng)力技術(shù)改造開(kāi)發(fā)的一臺(tái)中度混合動(dòng)力轎車(chē)。該車(chē)采用發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸ISG方案，1.5發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸并聯(lián)電動(dòng)機(jī)的一體化設(shè)計(jì)，優(yōu)點(diǎn)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(yǔ)

隨著石油能源日益緊缺，環(huán)保意識(shí)不斷加強(qiáng)以及排放法規(guī)要求不斷提高，傳統(tǒng)汽車(chē)產(chǎn)業(yè)必將迎來(lái)新的更大的挑戰(zhàn)。對(duì)各種新能源汽車(chē)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(wèn)題。混合動(dòng)力汽車(chē)是對(duì)當(dāng)前所面臨問(wèn)題的一個(gè)很好的過(guò)渡解決方案。其中ISG型的混合動(dòng)力方式是一個(gè)重要的研究方向。ISG混合動(dòng)力汽車(chē)屬于輕度混合動(dòng)力汽車(chē)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低，適用于對(duì)價(jià)格較為敏感的經(jīng)濟(jì)型車(chē)，特別適合城市某些專(zhuān)用車(chē)，對(duì)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(lái)會(huì)在越來(lái)越多的車(chē)輛上應(yīng)用。