车用ISG技术及其国内外发展现状

摘要: 起动机/发电机/电动机一体化技术的ISG的技术主要应用在轻度混合动力汽车上。主要介绍了ISG系统结构组成、工作原理，以及对国内外车用ISG系统发展现状的分析，并指出了ISG系统的关键技术及发展趋势。这种技术结构简单，成本较低，能够很好应用在传统的汽车上，具有很好的应用前景。

关键词:ISG；结构原理；发展现状

中图分类号：U46 文献标志码：A 文章编号：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

目前世界汽车工业可持续发展所面临的两大难题是环境污染和石油资源匮乏，环保和节能是21世纪汽车技术的一个重要发展方向，同时各国的排放法规也日趋严格。混合动力汽车（HEV）正是具有低污染和低油耗特点的新一代清洁汽车。混合动力汽车是传统内燃机车辆与电动车辆的有效组合，它继承了电动汽车低排放的优点，又发扬了石油燃料比能量和比功率高的长处，显著改善了传统内燃机汽车的排放和燃油经济性。混合动力汽车的实现形式多样化［1］，传统的分类是根据内燃机是否与驱动轮有直接的机械连接，分为串联式混合动力汽车（Series Hybrid Vehicle-SHEV），并联式混合动力汽车（Parallel Hybrid Vehicles-PHEV），混联式混合动力汽车（Parallel/Series Hybrid Vehicle-PSHEV）。更具逻辑性的分类方法是基于任务（Mission-based）的分类方法，可将混合方式分成三类，即轻度混合型（Mild Hybrid Vehicle-MHV），功率混合型（Power Hybrid Vehicle-PHV）和能量混合型（Energy Hybrid Vehicle-EHV）。与轻度混合方式相比，功率混合方式和能量混合方式存在以下缺点:

1）结构复杂，对汽车底盘的改动较大；

2）系统复杂，例如丰田Prius的动力分配机构是相当复杂的行星齿轮结构，而通用Precept最多需要同时控制两台电动机和一台发动机；

3）成本较高，主要是较高的电池能量和功率要求造成的。三种混合型的成本比较下来（见表1）［2］，轻度混合动力系统具有节能环保且成本低的特点。

表1 三种混合型汽车成本对比美元

目前制造成本最低，最容易实现批量生产的是采用起动机发电机/电动机一体化技术的ISG型轻度混合动力汽车。只需要对发动机进行改造就可以了，比较容易在现有传统内燃机汽车上实现，这种系统的混合程度较高，可以达到30%左右，目前技术已经成熟，应用广泛。

1 起动机/发电机/电动机一体化技术介绍

起动/助力/发电一体化系统（Integrated Started Alternator Damper，简称ISAD系统），又名ISA（Integrated Starter Alternator）和ISG（Integrated Starter Generator），是这些年来应用于汽车中的一种新技术。传统的燃油汽车电气系统中，起动、发电功能分别由直流起动机和交流发电机两个独立的子系统完成。两套机组需要独立地研制、优化、装配和维护，是汽车中体积和重量最大的两大电器部件。实际上，起动电机只在启动汽车发动机时工作，发动机运转至怠速后就与发动机脱离并停止工作，而交流发电机在发动机运转之后才开始工作，所以这两套机组工作时间并不重。近些年来，随着汽车工业对电能供应、燃料消耗量和尾气排放量的要求越来越高，传统的汽车原理与结构不能满足要求，急需一种新的技术和架构。ISG就是一种比较好的折中方案。

1.1ISG功能分析

ISG可以实现自动起停功能（Automatic Start-Stop）、功率补偿功能（Power Booster）及高效大功率电能输出功能（High Efficient Power Generation）［3］。

1.1.1自动起停功能

传统的车用起动机只将内燃机加速至起动转速（例如200 r/min），ISG作为电动机在短时间内（通常加速时间仅为0.1～0.2 s）将内燃机加速至怠速转速（例如800 r/min），然后内燃机才开始缸内的燃烧过程。高转速电起动过程不仅降低了内燃机起动时的燃料消耗，还改善了排放。自动起停功能的实现过程如下：如果汽车较长时间处于空载状态，例如在路口等红灯时，内燃机一直处于怠速，控制系统会自动令内燃机停止运行，同时ISG也停止工作，需要起步时，ISG在0.1～0.2 s的短时间内完成起动任务。在城市工况下，汽车不停地起步和停车以及内燃机处于怠速的情况是非常多的，自动起停系统利用电动机快速起动的特点避开了内燃机低速起动和长时间怠速，提高了整车燃油经济性和排放性能。

1.1.2 功率补偿功能

内燃机在低速大负荷时的燃油经济性和排放性能均不佳，通常情况下内燃机在此工况下的转矩输出有限，如果需要内燃机在低速大负荷时能够提供较大的功率就必须选用更大排量的内燃机，这样虽然满足了动力性的要求，但牺牲了燃油经济性。ISG可以在内燃机低速大负荷时工作在电动机状态，提供一部分辅助功率，提高低速时内燃机的动力性能。例如，当内燃机以较低转速运转时，如果加速踏板的行程大于满行程的90%，ISG就开始进行功率补偿，当加速踏板达到满行程时，ISG提供最大瞬时功率。

1.1.3 高效大功率电能输出

ISG用作发电机时可以提供6～10 kW功率输出，全转速范围内的效率80%以上。普通车用发电机通常通过皮带由内燃机曲轴驱动，最大输出功率仅为1.5～2.5 kW，发电机的最大效率为70%，而高速时仅为30%，这是无法满足现代汽车电子产品功率需求的。ISG高效大功率的电能输出能力远远优于传统的车用发电机，它不仅能使电动助力转向、电动制动以及电子节气门等需要较大功率供电的新兴汽车电子技术得到充分的应用，而且原先由齿形皮带驱动的汽车附件，如空调压缩机等，都可以由专用的电动机带动，并控制电动机运行在最佳工况点提高整车效率。

1.1.4 其余功能

除了以上三个主要功能以外，还具有以下几个功能。ISG可以将汽车减速或制动时的动能转换成电能，为车载电池进行充电，提高燃油经济性。ISG取代飞轮的作用，可以通过自身的转动惯量以及在电动机和发电机之间来回切换状态，平衡内燃机曲轴的波动，成为有源飞轮而起到减震器的作用。内燃机附件全部采用电动方式驱动，齿形皮带及齿轮组可以全部省掉，同时可以省去传统的发电机和电动机，内燃机附件的布置就可以更加灵活。

1.2 ISG电机的布置方案

将ISG与发动机以及传动系布置在一起有四种不同方案［4］，如图1—图4所示。

图1 用于直接启动的曲轴电机

图1所示，在发动机与离合器之间使用同轴电机可直接启动发动机而不会使元件受到磨损。这里ISG代替了飞轮。与带有齿轮传动机构的传统起动机相比，会产生一个对曲轴较小的惯性矩。由于因压缩而引起的扭矩和转速波动，所需平均启动转速和机械功率增大。此种布置方案可以直接启动发动机，优点有：启动快，无噪声，元件少，发动机功率高。缺点是：用于启动需3～4倍的蓄电池功率，无脉冲启动机滑翔式运转，回收能量受限，而且费用高。

图2 带双离合器的曲轴电机

图2所示为装在曲轴上的带复式离合器的ISG，ISG和发动机间的第2个离合器的应用开辟了广泛的功能。启动可用脉冲启动来实现，在启动中两个离合器之间的ISG获得一定的转速并形成动能。启动时间结束后发动机侧的离合器关闭，离合器摩擦力矩使发动机加速运转。该脉冲启动明显减少所需的电启动功率。以耐充放电的蓄电池为基础，发动机侧的离合器可在发动机停机时从汽车滑行中回收制动能量，因为这时没有发动机倒拖力矩。此布置优点为：快速无噪声启动，脉冲启动下高启动按钮以及中等功率需求，还可以进行制动能量回收。缺点是：需要两个离合器，元件较多，控制复杂，冷启动时有等待时间，不迅速，且费用高。

图3 变速器一侧的ISG电机

图3为变速器侧的ISG，轴向平行布置也可承担启动-发电的功能。连接在变速器一侧与双离合器系统一样可以使脉冲启动和再生能量回收成为可能，但由于仅在变速器空转下才能实现启动，所以这种形式还需一个智能变速器管理系统。除此之外还需一个用于耦合电机的变速器输出端。此种优点为：不作用与传动系，与电机较近，汽车可以正常滑行，中等功率需求，可进行能量回收。缺点是：仅在变速器空转时才能启动发动机，对变速器需作改动，费用较高。

图4 皮带驱动的ISG电机（BSG）

图4为皮带传动的ISG系统，这是最新系统，对这个方案可提出多个变形结构。原则上，ISG可作为异步电动机或爪极电动机来描述，连接直接通过与曲轴上的皮带轮或电机一体化的单级或双级变速器来实现。传动级的转换要么被动地通过扭矩方向，要么主动地通过一个电气操纵执行元件来控制。要传递大扭矩，就要完成一个复合项V带到齿形带的过渡。此方案中对皮带的寿命和齿形带产生的噪声提出了挑战。

2 国外ISG研究与应用现状

20世纪90年代以来，国外所有知名汽车公司均投入巨资开始进行电动汽车和混合动力汽车实用车型的研发。目前制造成本最低，最容易实现批量生产的是采用起动机/发电机/电动机一体化技术的ISG型轻度混合动力汽车。下面对各国在ISG方面的研究和发展现状作一个概括介绍。

在混合动力汽车研究领域，日本汽车公司是国际混合动力汽车制造企业的一个标杆［4］。1997年，丰田Toyota公司推出了应用了ISG技术的THSⅠ（Toyota Hybrid System Ⅰ）“Prius”开始在日本批量销售；随后，丰田公司推出了THSⅡ“03Prius”、“RX400”SUV。丰田的ISG电机采用永磁无刷电机，电机转子采用钕磁体材料，直流母线电压达到650 V。由于采用了高压技术，输出功率和效率大大提高了。

本田自1999年11月开始在日本推出安装ISG系统的混合动力轿车Insight［6］。本田Insight的动力系统包括一台作为主动力源的1.0 L稀薄燃烧汽油机（空燃比为26∶1）和作为辅助动力的10 kW的ISG，ISG采用了抗热性强的永磁体，薄型线圈，风冷，超薄型电机的厚度仅为60 mm。该ISG系统采用矩形波永磁电机，电源系统采用144 V的蓄电池组，电机与发动机曲轴直接连接，可以产生于发动机相位相反的转矩，降低振动，使运转平稳。此后，ISG技术也应用到本田的第二代Accord、第三代2005款CIVIC和第4代2006款CIVIC混合动力汽车上。在2006款混合动力车上，电动机使用了一种最新的扁线圈缠绕构造，这使得电动机最大功率和最大转矩与2005款CIVIC相比分别增加了50％和14％，转换效率由原来的94.6％提高到96％。2001年12月，在主力车型CIVIC上加载ISG混合动力技术的CIVIC Hybrid开始在日本市场销售。2004年12月，安装可变气缸系统的V6发动机和ISG系统的Accord Hybrid开始在北美销售。

2000年2月，戴姆勒克莱斯勒公司在华盛顿的国家博物馆推出了其轻度混合型概念车Dodge ESX3［7］。ESX3采用先进的共轨式柴油高压供油系统、变截面涡轮增压系统和多气门顶置双凸轮轴的直喷式柴油机，并采用铝合金结构降低重量，达到了最好的燃料经济性。安装ISG系统可减少系统重量、优化启动性能、回收制动能量，并通过怠速关机来降低燃料消耗和排放，使动力系统的匹配达到最优组合。

德国零部件制造商大陆（Contiental）公司下属的Tocher公司首先开发了ISAD系统，并与1997年装机试验，大陆公司因此获得1997度工业革命新奖，1999年在法兰克福国际展览会上，ISG作为汽车零部件首次亮相。随后，博世、西门子、萨克斯和德尔福、法雷奥等公司也开发出这种系统。其中，大陆和西门子公司选用的是异步电机，42 V电源系统，采用直接传动方式，即把ISG安装在发动机和变速器之间的曲轴上；博世公司选用的是永磁同步电机，14 V和42 V混合电源系统，也采用曲轴直接传动的方式，工作效率在98%以上；萨克斯选用永磁同步电机，定子和定子支架直接安装在发动机曲轴凸缘上，转子则固定在飞轮上，发电效率高达80%-90%；法雷奥开发的ISG选用42 V电源系统，采用皮带连接的简介传动方式，与传统车相比，可节省20%的燃料，在30%的停顿过程中实现零排放。

大陆公司的ISG安装在福特轿车上试验，发动机驱动时产生的振动与无ISG的轿车相比降低了70％，在雷诺一款轿车上安装了ISG后，其舒适性可与宝马轿车相媲美。法雷奥公司制造的ISG用在福特Tansit T280上，制造出欧洲第一辆B-ISG的柴油轻度混合动力城市运货车。

3 国内ISG研究与应用现状

从新世纪初开始，在“863”计划的推动下，中国汽车制造企业和科研机构在混合动力汽车方面也取得了很大的发展。

2006年1月奇瑞汽车有限公司承担“ISG混合动力轿车用汽油发动机研发”和“B-ISG轿车关键技术与核心零部件研发”两个项目顺利通过验收［8］。奇瑞ISG动力系统由“1.3 L汽油机+5速手动变速器+10 kW电机+144 V镍氢电池”组成，电机采用永磁同步电机并带有电机控制系统、逆变器以及DC/DC转换器。最高稳定车速≥180 km/h，0～100 km加速时间≤11.3 s，加速行驶时车外最大噪声≤71dB，在城郊综合工况下油耗4.95 L/100 km。参照联邦德国提案，该类型车排放达到欧V标准。奇瑞B-ISG动力系统由“1.6 L汽油机+5速手动变速器+2 kW电机+12 V铅酸电池”组成，电机采用爪极电机并带有电机控制系统。最高稳定车速≥180 km/h，0～100 km加速时间≤12.8 s，在城郊综合工况下油耗为6.3 L/100 km，排放达到欧Ⅳ标准。

长安汽车（集团）有限责任公司在科技部、重庆市科委、中国兵器装备集团公司的大力支持下，联合清华大学、北京理工大学、重庆大学、北航等高校和科研单位共同承担“ISG混合动力长安轿车整车项目”，目前也已通过国家级验收［9］。从2002年开始混合动力汽车的开发到2008年长安ISG混合动力杰勋在奥运期间的优异表现。自2009年6月杰勋混合动力轿车面向普通消费者销售再到2009年底奔奔MINI纯电动汽车试生产下线。8年时间，“长安”用混合动力轿车为我们揭开了国内新能源汽车的神秘面纱。长安混合动力系统中采用了两个动力源，一个是传统的四缸电喷发动机，采用发动机电控单元ECU（Engine Control Unit）和电子油门进行控制，另一个是集成的发电机/电动机ISG（Integrated Starter and Generator）作为动力辅助单元，ISG的额定功率相对发动机较小，是一种轻度混合动力系统。其油耗已降低了30%，排放已达欧Ⅲ标准。样车最大时速可达160 km/h，整车成本的增加有效地控制在30%以内，加速性能与同档次的汽车相当，续驶里程大于500 km，最大爬坡度可达25%。

吉利华普海尚MA（海尚305）在第7届上海工业博览会上登场。这款车是由上海交通大学自主知识产权的混合动力技术改造开发的一台中度混合动力轿车。该车采用发动机曲轴ISG方案，1.5 L发动机曲轴并联电动机的一体化设计，优点是结构紧凑、可靠性高、成本低，可节省燃料20%左右。

玉柴联合上海交大成功研制的城市客车型混合动力问世，这是以单轴并联式（ISG）技术进行城市客车动力总成开发的首个创新成果，引领了下一代新型动力技术潮流。2007年10月28日上午玉柴在南博会玉柴展位举办了玉柴ISG混合动力技术发布会。玉柴城市客车型混合动力是以柴油机和电机共同作为车辆的驱动动力，加速时，电机作为动力源，辅助发动机保持强劲的动力性；减速时，电机作为发电机将制动能量回收。因此，对于同样动力需求的车辆，可以选择更小排量的发动机，并使发动机运行在高效率区，再加上整车空调、动力转向等附件的控制，以及整车动力系统的优化控制，从而实现城市公交车降低行驶燃油耗 ，减少CO2排放和其它尾气排放。基于ISG混合动力系统，玉柴城市客车型混合动力以四缸发动机实现了六缸发动机的加速效果，同时令城市工况下的燃油消耗减少20％左右。

东风汽车公司的EQ7200采用了ISG应用永磁磁阻电机，转矩达178N·m，4倍弱磁、电动效率达92％、发电效率达94％。

4 车用ISG关键技术与发展趋势

ISG系统目前也存在一定问题。主要包括控制器成本增加、控制难度增大，传动系长度加长、重量增加等。

ISG系统性能提高的关键在于以下几个方面：

1）适合ISG系统的电机种类选择、设计与制造。应保证电机具有高起动转矩、高发电效率及高转矩密度；

2）高性能ISG控制技术，包括快速起动、高效发电和电动、发电模式自由切换的控制；

3）发电运行时能在宽速度范围内发出恒定的电压供给蓄电池充电；

4）电机控制器设计要结构合理紧凑、安装快捷、便于调试、安全性好。

4.1 磁场可控永磁同步电机是ISG电机的首选之一

基于ISG系统的功能特点，该系统电机应满足大起动转矩和宽调速范围、体积和质量小、发电效率高、可靠性高的要求。从功能上讲，可用于ISG系统的电机有爪极电机、永磁电机、感应电机和开关磁阻电机，可根据需要选用不同的电机。上述电机各有优缺点。其中永磁电机采用永磁体励磁，结构简单，效率和功率因数高。矩形波永磁电机无需精确检测转子的位置，控制比较简单，实现起来比较容易，所以选择矩形波电机的较多。正弦波永磁电机转矩波动小，速度范围宽，性能更优越。由于正弦波永磁电机需要精确检测转子位置，磁场难以调节，所以控制器研发难度较大，成本也比较高，而磁场可控的永磁同步电机是ISG研究和发展的热点。永磁磁阻混合同步电机是ISG电机的最优选择之一。这种电机是同步磁阻电机和同步永磁电机结合体。

4.2 最大转矩/电流控制和弱磁控制策略

为了满足永磁ISG系统快速起停、高效电动、高效发电和强鲁棒性等要求，永磁ISG主要采用的控制策略是：电动运行时的最大转矩，电流控制和发电运行时的弱磁控制。最大转矩、电流控制是指在逆变器输出电流幅值一定的情况下，控制电流矢量的方向角，以使电机的输出转矩最大。ISG系统运行在发电状态时，发出的电压会随速度变化和负载的变化而引起电压波动。弱磁是指通过调节定子电流，即增加定子直轴去磁电流分量来维持高速运行时电压的平衡，达到发电时调节电压满足充电要求。实现弱磁的算法主要有最大功率输出控制和最小铜损控制。

4.3 42 V电源和曲轴式直接传动是ISG系统的发展方向

ISG系统可用于42 V系统、14 V系统和14 V/42 V混合电源系统当中［10，11］。由于ISG系统需要大的起动转矩，起动电流也比较大。考虑安全电压的前提下，采用42V电源更适合提高ISG系统的工作效率。

ISG系统的传动方式主要有两种：间接式皮带传动和直接式曲轴传动。采用皮带传动能降低研发费用和成本。能尽可能少地改动传统发动机的结构来实现ISG的功能。但由于电机输出的功率很大。皮带的传动性能难以控制，所以皮带传动仅可以作为过渡期的一种替代方式加以考虑使用。直接式曲轴传动能输出大功率，效率也更高，是ISG系统传动的发展方向。

5 结论

随着石油能源的日益紧缺，环保意识的不断加强以及排放法规要求的不断提高，传统的汽车产业必将迎来新的更大的挑战。对各种新能源汽车的研发也是如火如荼，但也面对着成本太高，基础设施薄弱，推广困难等问题。混合动力汽车是对当前所面临的问题的一个很好的过渡解决方案。其中ISG型的混合动力方式是一个重要的研究方向。ISG混合动力汽车属于轻度混合动力汽车，系统结构简单，成本低，适用于对价格较为敏感的经济车型，特别适合城市某些专门用途的车辆，对特定行驶工况的燃油消耗量的减少有着突出的作用。随着ISG技术的不断研制或采用，既提升了汽车品牌的技术内涵，同时也顺应了环保和节能的趋势，具有良好的发展前景，将来会在越来越多的车辆上应用。

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