Starter-generator sets of modern vehicles

Abstract

This article describes the purpose and applications of the starter generator set. The modes of operation of a starter-generator set are considered both as a sequential excitation direct current electric motor, which rotates the shaft of an internal combustion engine, and as a generator, when an electric machine operates as a direct current source of independent excitation, supplying power to electric control circuits, electric motors of auxiliary electrical equipment, lighting and battery charging. Additional functions of a starter-generator set in the form of a start-stop system, regenerative braking, booster acceleration of a vehicle, damping of torsional moments of the shaft of an internal combustion engine and control of energy flows in the on-board network were studied.

The choice and substantiation of the optimal scheme, as well as the design of the starter-generator device, were carried out. The main technical and economic parameters of the starter-generator set were determined. The design of a starter-generator set was presented. This design is a reversible electric machine. A block diagram of a starter-generator set was developed.

Electrical machines used for starter-generator sets are considered. The design of an asynchronous machine with a squirrel-cage rotor, a synchronous machine with electromagnetic excitation, a valve machine with permanent magnets, a contactless machine, a synchronous machine with permanent magnets, and a valve machine with self-excitation are described. A review and analysis of electrical machines used in starter-generator sets of leading foreign companies is carried out.

The design of a reversible induction-dynamic machine is considered. The rotor rotates outside, and not inside the motor and is a short-circuited winding with a cast aluminum cage. The calculation of the main parameters of a reversible induction-dynamic machine was carried out both in the starting and in the generator modes. The calculation using a method similar to that of an induction motor was carried out.

Full Text

Введение

В последние годы ведущие зарубежные производители уделяют серьезное внимание разработке стартер-генераторных устройств(СГУ), применение которых позволяет существенно улучшить технико-экономические показатели автомобиля.

Применяемые на автомобилях электростартеры и генераторные установки отличаются относительно невысокой надежностью и требуют ухода в эксплуатации. Электрическая машина, которая была разработана как электродвигатель, значительно хуже работает в режиме генератора, и наоборот машина, спроектированная как генератор, плохо работает в режиме электродвигателя. Создание СГУ позволит сэкономить подкапотное пространство автомобиля.

Изначально предполагалось использовать СГУ только для выработки энергии и для запуска двигателя, но впоследствии перечень его функций был существенно расширен. На сегодняшний день СГУ рассматривается в качестве основы для будущих перспективных конструкций автомобилей.

Основная часть

На каждом автомобиле с двигателем внутреннего сгорания (ДВС) применяются две электрические машины — электростартер и генератор, которые работают попеременно, то есть при пуске двигателя работает электростартер, а генератор принудительно отключается от аккумуляторной батареи (АБ), чтобы исключить ее дополнительный разряд. После запуска ДВС электростартер отключается и работает генератор, который обеспечивает питание потребителей электроэнергии и зарядку АБ. Таким образом, на определенных режимах работы автомобиля одна из электрических машин бездействует. Объединение двух электрических машин в одном устройстве позволит значительно уменьшить габариты и массу всей системы, повысив тем самым технико-экономические показатели автомобиля. Вопросом совмещения двух электрических машин в одном корпусе занимаются не один десяток лет, но только с развитием современной электронной базы такие разработки стали находить реальное техническое исполнение [1].

В настоящее время ведущие западные автопроизводители Honda, BMW AG, Volkswagen AG, Citroen, Peugeot применяют на некоторых моделях своих автомобилей СГУ [2]. Разработка СГУ занимается фирмы Siemens и Bosch. Мощность разработанных устройств лежит в пределах 5 кВт. СГУ, разработанный BMW, использует жидкостное охлаждение, остальные производители применяют традиционное воздушное охлаждение[3]. Все разработанные машины рассчитаны на рабочее напряжение 42 В.

СГУ предназначено для запуска ДВС, выработки энергии и реализации дополнительных функций:

  • система старт-стоп;
  • бустерный разгон автомобиля;
  • гашение крутильных колебаний вала ДВС;
  • управление потоками энергии в бортовой сети.

Возможность использования гибридной силовой установки совместно с СГУ вместо привычной силовой установки на базе ДВС дает нам такие преимущества, как:

  • снижение расхода топлива автомобилей;
  • уменьшение теплового и звукового излучения, что очень важно для специальных и военных машин;
  • снижение токсичности отработавших газов двигателя за счет уменьшения расхода топлива;
  • повышение КПД силовой установки;
  • возможность рекуперации энергии на спусках под уклон;
  • улучшение динамических характеристик автомобиля;
  • возможность применения бесступенчатых или малоступенчатых передач в системе привода ведущих колес автомобиля.

В настоящее время в России разработкой СГУ серьезно занимается крупнейший отечественный автопроизводитель АО «АвтоВАЗ» В сотрудничестве с Новосибирским государственным техническим университетом разработан и изготовлен СГУ для перспективных автомобилей ВАЗ. В данной разработке применяется индукторная электрическая машина, которая отличается простотой и надежностью. Разработанная машина в режиме генератора выдает напряжение 14 В, с возможностью повышения в трансформаторно-выпрямительном блоке до 42 В [4].

В режиме генератора (основном режиме) происходит выработка электроэнергии, которая запасается в АБ или суперконденсаторе. В момент, когда это необходимо стартер-генератор переходит в режим электродвигателя и начинает работать совместно с ДВС. На текущий момент разработкой гибридных автомобилей занимаются практически все ведущие автомобильные фирмы мира, при этом некоторые модели (Toyota Prius, Honda Insight, Nissan Tino) выпускаются уже довольно давно [5]. Однако в настоящее время отсутствует преобладающая концепция гибридной энергоустановки. При этом наиболее важными факторами, определяющими основные показатели силовой установки и автомобиля в целом и требующие первоочередного рассмотрения, являются:

  • использование ДВС только для привода мощной генераторной установки, с помощью которой будет осуществляться электроуправление автомобилем [6];
  • применение комбинированной энергоустановки, при которой используется как электрическая, так и механическая энергия [7];
  • выбор типа и параметров накопителя энергии;
  • оптимизация алгоритма управления силовой установкой.

СГУ первоначально разрабатывались как электрические машины с целью снижения массогабаритных показателей и уменьшения количества электрических машин на транспортном средстве. Наибольшее применение СГУ находит на гибридных автомобилях. На рис. 1 представлена конструкция СГУ, представляющая собой обратимую электрическую машину, в состав которой входит статор 1, совмещенный с корпусом ДВС 2, и ротор 3, который механически связан с коленчатым валом 4 при помощи резьбового крепежа. В данной конструкции присутствует кожух 5, который закреплен на корпусе ДВС. Обмотка статора электрической машины подключена к АБ. Ротор представляет собой чашеобразную форму с отверстиями 6, разделенными длинными 7 и короткими 8 лопастями, а вогнутая поверхность ротора с лопастями направлена к статору. Таким образом, при помощи лопастей образуются перегородки окон. Обруч 9 закреплен на роторе и окружает статор, а между ними располагается цилиндрическое кольцо, изготовленное из магнитопласта 10. В кожухе электрической машины расположены вентиляционные отверстия 11 и 12 для охлаждения обмоток.

 

Рис. 1. Конструкция стартер-генераторной установки

Fig. 1. Starter generator set design

 

Блок–схема СГУ представлена на рис. 2. Система включает электромеханическую часть (электродвигатель, генератор), автономный инвертор и систему управления.

 

Рис. 2. Блок схема стартер-генераторной установки

Fig. 2. Block diagram of a starter-generator set

 

СГУ включает в себя датчики положения ротора двигателя, педалей акселератора, сцепления, тормоза, подключенные к системе управления СГУ. Система управления может быть подключена к внешнему персональному компьютеру (ПК) через СОМ порт, для отслеживания работы СГУ. Автономный инвертор СГУ (ИСГУ) выполняет следующие задачи:

  • в режиме генератора — накопление энергии для зарядки АБ;
  • в режиме стартера — питание обмоток статора от накопительного конденсатора.

При пуске СГУ развивает достаточный пусковой момент и минимальную пусковую частоту вращения. Данный режим позволяет реализовать функцию «стоп-старт», которая в режиме городского движения при остановке автомобиля выключает ДВС и быстро перезапускает для продолжения движения, тем самым уменьшая расход топлива за счет снижения времени работы ДВС в режиме холостого хода. В режиме «бустер» СГУ может работать совместно с ДВС, повышая динамичность движения автомобиля. Как только заканчивается пуск ДВС или режим «бустера», СГУ переходит в генераторный режим, при котором происходит заряд АБ и питание электрических потребителей автомобиля. В традиционной системе торможения вся энергия трения в колодках преобразуется в тепло. СГУ в режиме генератора также может использоваться как электромагнитный тормоз, что позволит преобразовать часть энергии торможения в электрическую энергию для заряда буферного источника энергии или батареи, а если батарея полностью заряжена, то электрическая энергия рассеивается на тормозном реостате. Данная система позволяет не только получать электрическую энергию, но и совместно с традиционной системой торможения останавливать автомобиль, что в свою очередь снижает износ и эксплуатационные затраты традиционной системы торможения. Кроме того, СГУ позволяет уменьшить колебания момента ДВС из-за неравномерности коленчатого вала. «Активное демпфирование» осуществляется следующим образом: при превышении установленного значения пульсаций крутящего момента коленчатый вал тормозится генератором и избыточная энергия, получаемая в результате этого, накапливается в суперконденсаторе и в последующем такте сжатия расходуется на увеличение скорости вращения коленчатого вала при недостаточном энергоснабжении [8].

Проведенный обзор и анализ СГУ ведущих зарубежных фирм показывает, что применяются следующие виды электрических машин:

  • асинхронная машина с короткозамкнутым ротором;
  • синхронная машина с электромагнитным возбуждением;
  • вентильная машина с постоянными магнитами;
  • бесконтактная машина;
  • синхронная машина с постоянными магнитами;
  • вентильная индукторная машина с самовозбуждением.

Асинхронная машина с короткозамкнутым ротором – наиболее часто встречающаяся электрическая машина СГУ. К числу достоинств асинхронной машины следует отнести простоту конструкции, высокую надежность и малую себестоимость. К числу недостатков асинхронной машины — относительно высокие потери в роторе, в результате чего снижается КПД.

Вентильная индукторная машина с самовозбуждением встречается крайне редко. К числу недостатков следует отнести достаточно высокие уровни вибраций и шумов. В РФ запатентована двухфазная вентильно–индукторная машина с электромагнитной асимметрией. Уменьшение числа фаз позволяет существенно упростить схему управления, которая содержит всего четыре ключа, а в роторе электрической машины отсутствуют постоянные магниты. Однако данная конструкция характеризуется значительным искажением вращающегося магнитного поля статора и большим шагом вращения результирующего вектора магнитного поля статора, что приводит к колебаниям электромагнитного момента, неравномерности вращения ротора и снижению КПД.

Несмотря на очевидные преимущества и недостатки конкретных типов СГУ и широкое применение гибридных силовых установок, в последние годы на мировом автомобильном рынке наблюдается достаточно жесткая конкуренция не только между крупными автомобильными фирмами, но и между небольшими фирмами, подтверждением чего являются тысячи патентов разных стран. Данная ситуация позволяет сделать прогноз, что в ближайшие 2−3 года ожидается резкий скачок в серийном и массовом производстве автомобилей с СГУ. Причиной тому является не только возможность повышения технико-экономических показателей автомобиля, но и забота производителей о собственном имидже.

В данной работе была рассмотрена конструкция обратимой индукционно-динамической машины (ИДМ), т.е. ротор вращается снаружи, а не внутри двигателя и представляет собой короткозамкнутую обмотку с литой алюминиевой клеткой. В режиме электродвигателя машина работает не более 30 с. Для увеличения продолжительности работы применяется мощный накопитель энергии. Коммутация обмоток СГУ при переключении его из одного режима работы в другой происходит с помощью схемы управления.

Был проведен расчет ИДМ по методике [9] аналогичной асинхронному двигателю, результаты которого представлены ниже:

  • количество пазов статора и ротора 36 / 28;
  • внешний диаметр статора 244 мм;
  • длина статора 40 мм;
  • внутренний диаметр статора 170 мм;
  • воздушный зазор между ротором и статором 0,5 мм;
  • внутренний диаметр ротора 245 мм;
  • наружный диаметр ротора 290 мм;
  • отношение наружного диаметра ротора и наружному диаметру статора 1.19;
  • число полюсов возбуждения 4;
  • мощность в режиме электродвигателя 4 кВт;
  • мощность в режиме генератора P 1,5 кВт;
  • напряжение в режиме генератора 42 В;
  • ток холостого хода 11 А;
  • расчетный ток ротора в режиме генератора 40 А;
  • расчетный ток в режиме стартера 122,4 А;
  • линейная нагрузка стартера 351,9 А/см;
  • линейная нагрузка ротора 309,3 А/см;
  • коэффициент мощности 0,86;
  • скольжение при максимальном моменте 0,19;
  • КПД в режиме генератора – 68 %.

В дальнейшем предполагается проведение исследований СГУ с вышеуказанными параметрами.

Заключение

Применение СГУ на современных автомобилях приводит к объединению двух электрических машин в одном устройстве, что позволит значительно уменьшить габариты и массу всей системы, повысив тем самым технико-экономические показатели автомобиля. Использование СГУ дает возможность реализовать дополнительные функции: система старт-стоп, бустерный разгон автомобиля, гашение крутильных колебаний вала ДВС, управление потоками энергии в бортовой сети. Применение СГУ приводит к уменьшению расхода топлива автомобиля, повышению экологичности, сохранению энергии при рекуперации, улучшению динамических характеристик автомобиля, повышению КПД. Проведен расчет основных параметров ИДМ в СГУ.

×

About the authors

V. N. Kagdin

Moscow Polytecnic University

Author for correspondence.
Email: eope@mospolytech.ru
Russian Federation, Moscow

R. A. Maleyev

Moscow Polytecnic University

Email: eope@mospolytech.ru

PhD in Engineering

Russian Federation, Moscow

A. N. Zimin

Moscow Polytecnic University

Email: eope@mospolytech.ru
Russian Federation, Moscow

S. M. Zuyev

Moscow Polytecnic University

Email: eope@mospolytech.ru

PhD in Physics and Mathematics

Russian Federation, Moscow

D. R. Yakhutl'

Moscow Polytecnic University

Email: eope@mospolytech.ru

PhD in Engineering

Russian Federation, Moscow

References

  1. Teoriya, konstruktsiya, raschet avtotraktornogo elektrooborudovaniya [Theory, design, calculation of automotive electrical equipment]. Pod redaktsiyey Fesenko M.N. Moscow: Mashinostroyeniye Publ., 2006. 93 p.
  2. Yutt V.E. Elektrooborudovaniye avtomobiley [Electrical equipment of vehicles]. Moscow: Transport Publ., 2019. 480 p.
  3. Akimov S.V., Zdanovskiy A.A., Korets A.M. i dr. Spravochnik po elektrooborudovaniyu avtomobiley [Au-tomobile electrical handbook]. Moscow: Mashinostroyeniye Publ., 2004. 120 p.
  4. Akimov S.V., Chizhkov YU.P. Elektrooborudovaniye avtomobiley [Electrical equipment of vehicles]. Uchebnik dlya VUZov. Moscow: ZAO KZHI «Za rulеM» Publ., 2001. 234 p.
  5. Gandzha S.A., Yerlysheva A.V. Starter-generator for autonomous power supply sources: Vestnik YUURGU, 2005. No 9, pp. 84−86 (in Russ.).
  6. Konstruktsiya avtomobilya. Elektrooborudovaniye. Sistemy diagnostiki [Design of the automobile. Electri-cal equipment. Diagnostic systems]. Uchebnik dlya vuzov, pod redaktsiyey A.L. Karunina. Moscow, Izd. «Goryachaya liniya - TelekoM» Publ., 2005, 480 p.
  7. Nikolayev V.V. Starter-generator avtonomnykh ob"yektov .na osnove ventil'no-induktornoy mashiny. Dissertatsiya na soiskaniye uchenoy stepeni kandidata tekhnicheskikh nauk [Starter-generator of auton-omous objects based on a valve-inductor machine: Dissertation for Degree of PhD in Engineering]. Mos-cow: M·EI Publ., 2005. 142 p.
  8. Anisimov V.M. Avtomobil'nyy starter-generator s mikroprotsessornoy sistemoy upravleniya. Dissertatsiya na soiskaniye uchenoy stepeni kandidata tekhnicheskikh nauk [Automotive starter-generator with micro-processor control system: Dissertation for Degree of PhD in Engineering]. Yekaterinburg: UGTU Publ., 1997. 128 p.
  9. Anisimov V.M. Elektromekhanicheskiye starter-generatorn·yye sistemy avtomobil'nykh transportnykh sredstv: Teoriya, proyektirovaniye, issledovaniye. Dissertatsiya na soiskaniye uchenoy doktora tekhnich-eskikh nauk [Electromechanical starter-generator systems of automotive vehicles: theory, design, re-search: Dissertation for Degree of DrSc in Engineering]. Samara: SaMGTU Publ., 2004. 378 p.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. Fig. 1. Starter generator set design

Download (643KB)
2. Fig. 2. Block diagram of a starter-generator set

Download (188KB)

Copyright (c) 2021 Kagdin V.N., Maleyev R.A., Zimin A.N., Zuyev S.M., Yakhutl' D.R.

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0 International License.

This website uses cookies

You consent to our cookies if you continue to use our website.

About Cookies