轴向磁通增程式发电机技术与应用概述
2023-03-21

一、增程器系统简介

目前混合动力汽车上主要的传动系统为启停技术系统(Start-stop System),皮带传动启动/发电一体化电机技术系统(Belt-Driven Starter Generator SystemBSG)和集成启动/发电一体化电机技术系统(Integrated Starter Generator SystemISG),其中,ISG系统将电机转子和发动机曲轴输出端连接在一起,同时取消了原来的飞轮,相对于BSG系统而言,这种设计能提供辅助功率,更能适应混合动力汽车的使用要求。


ISG系统的发动机和电动机集为一体,将混合动力汽车的传动系统进行简化,有效降低了整车的质量,主要由发动机、发电机、油箱、发电机控制器GCU以及发动机控制器ECU组成,GCU控制发电机,ECU控制发动机,GCUECU均通过CAN协议与VCU进行通讯,实现系统的高效运行其结构示意图如图1所示。ISG技术在一定程度上改善了发动机的控制和能源管理,具有很大的发展前景。

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由于ISG电机综合了发动机和电动机,这使得其具有如下优势:(1)ISG 电机是大功率起动电机,能平稳地启动,非常适合于城市道路走走停停的行驶,而且在这种状况下可以完全关闭发动机,减少污染气体的排放。(2)ISG 电机可提供辅助动力,在遇到恶劣路况时可提供动力,通过提高汽车的功率,改善了汽车行驶性能。

二、增程器基本运行模型

模式1:纯电驱动模式,动力电池电量充足时,增程器停机,驱动电机从动力电池取电驱动车辆。

模式2:功率跟随模式,整车需求功率稳定且发动机工作在高效区,增程器发电直接给驱动电机,不经过动力电池减少效率转换。

模式3:行车充电模式,动力电池电量较低且增程器功率富余,增程器同时提供能量驱动车辆以及给动力电池充电。

      模式4:动力增强模式,当车辆急加速或者爬坡工况需求大功率时,增程器与动力电池同时提供能量驱动车辆,满足功力需求。

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三、轴向磁通永磁同步电机应用于增程器

ISG系统的关键技术在于电机设计与控制技术,电池技术和整车控制技术。目前ISG电机主要采用感应式电机,感应式电机控制简单,运行平稳,可靠性高。但是感应式电机调速困难,功率因数滞后。永磁同步电机由于其高转矩特性和较宽的调速范围,很适合作为 ISG系统中的发电机。轴向磁通永磁电机相比径向磁通电机有着独特的磁路设计如图2,能实现电参数和磁参数的解耦,具有很高的功率密度和良好的转矩性能,同时空间尺寸较小,结构紧凑,很适合应用在新能源汽车中。

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四、中豪轴向磁通永磁同步电机在轻卡增程器中的运用

目前纯电动轻卡市场而言,100度电的纯电动轻卡仅能续航250公里左右,并且在北方地区冬季气温下降后续航里程大幅缩短。由于续航里程的限制,从而衍生出了混合动力和增程式这两种最佳的解决方案。混合动力侧重解决传统柴油卡车取得新能源路权优惠的问题,适用于传统柴油轻卡大多数的场景工况。增程式轻卡更适合日行驶200到300公里的城市配送。另外对于上装需要持续电源的专用车(例如冷藏车),增程式相对于混合动力更具备优势。增程式轻卡从动力源来讲,一般由一台发动机和一台发电机组成的一套增程器。动力选择方面发动机可分为汽油发动机或者柴油发动机,排量根据厂家选型有所不同,以1.5T至2.5L发动机为主。整套增程器额定输出功率40kW-65kW左右。电池度数则一般携带约50度电左右,整体续航超600km

图片图片图片就在前不久,杭州中豪电动科技有限公司举行了新型增程式发电机批产下线仪式,并与济铃科技达成50000台(套)增程器项目战略合作。中豪电动所开发的增程式轴向磁通发电产品具有以下显著优势:

超薄超轻

增程器整体的轻量化结构方案也是重点考量指标。产品采用双定子轴向磁通电机技术,体积较市场主流产品减小1/3,重量降低30%。其扁平化的结构和低速高扭的性能特点完美匹配增程器产品对发电机的需求。电机安装完后甚至未超出发动机的进气系统。增程器整套系统的结构设计十分小巧,更能适应整车装配的狭小空间,满足车辆轻量化需求。

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高可靠性

产品的盘式转子采用了行业领先的碳纤维缠绕工艺,大大降低失效风险,可靠性高;此外,取消了传统浸漆工艺,采用更为先进的真空灌封工艺,在保证生产过程清洁环保的同时,结构强度大幅度提升,NVH性能提升明显;另一方面,产品采用中豪自主研发的端面水道散热方式,散热效果极佳,显著降低了发动机热传导给电机带来的不良影响,性能非常稳定。

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低速高扭

由于轴向磁通电机的磁场方向是和转轴平行,磁场为轴向分布,不但磁能密度大,而且交换能量的空间也大,转子设计为盘式结构,所以电机的转矩密度相比径向磁通电机大幅提高。

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成本低

产品定子铁芯采用冲卷一次成型工艺,材料利用率极高,较冲压铁芯,原料成本降低30%;而轴向永磁盘式电机,其独特的磁通结构,决定了其轴向厚度比常规电机薄2/3以上。转子盘与飞轮结构相似且轴向安装,可代替增程器的飞轮部分,不仅在设计研发增程器时较大程度地降低了制造成本,并且提高了能量转换效率。

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高效节能

从增程器的发电效率上来看,产品使用轴向磁通永磁电机去匹配发动机的最佳油耗点,会让系统效率更高。在汽柴油发动机额定转速仅在1500rpm到3000rpm的工况下,轴向磁通永磁电机的效率高,且拥有很宽的高效区间。增程器系统综合效率可达95%以上。高效发电系统,带来的直接收益则是车辆的节油率可达20%以上。

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增程器效率匹配设计优势

中豪电动积极响应国家十四五规划,坚持全面电气化、低碳化、信息化、智能化,秉承“节能减排、绿色能源”的理念,潜心打造“新型高功率密度轴向磁通电机技术”,已经拥有该领域“高效电机技术”、“电机冷却技术”、“集成电机技术”等三大核心技术以及全套批量生产和检测工艺。中豪电动凭借轴向磁通永磁电机发电技术的优势,在增程器发电机领域首创了以永磁电机为载体,以轻量化、高可靠性、低成本、高效率为目标的增程器系统,受到客户的一致认可。

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