Starter-generator sets of modern vehicles

V. N. Kagdin; Кагдин В. Н.; R. A. Maleyev; Малеев Р. А.; A. N. Zimin; Зимин А. Н.; S. M. Zuyev; Зуев С. М.; D. R. Yakhutl'; Яхутль Д. Р.

doi:10.31992/2074-0530-2021-50-4-27-32

Стартер-генераторные установки современных автомобилей

Авторы: Кагдин В.Н.¹, Малеев Р.А.¹, Зимин А.Н.¹, Зуев С.М.¹, Яхутль Д.Р.¹
Учреждения:
1. Московский политехнический университет
Выпуск: Том 15, № 4 (2021)
Страницы: 27-32
Раздел: Оригинальные исследования
URL: https://journals.eco-vector.com/2074-0530/article/view/105603
DOI: https://doi.org/10.31992/2074-0530-2021-50-4-27-32
ID: 105603

Цитировать

Полный текст

Аннотация
Полный текст
Об авторах
Список литературы
Дополнительные файлы
Статистика

Аннотация

В данной статье описывается назначение и области применения стартер-генераторной установки. Рассмотрены режимы работы стартер-генераторной установки как в качестве электродвигателя постоянного тока последовательного возбуждения, осуществляющего вращение вала двигателя внутреннего сгорания, так и в качестве генератора, когда электрическая машина работает как источник постоянного тока независимого возбуждения, обеспечивающего питание электрических цепей управления, электродвигателей вспомогательного электрооборудования, освещения и заряда аккумуляторной батареи. Исследованы дополнительные функции стартер-генераторной установки в виде системы «старт-стоп», рекуперативного торможения, бустерного разгона автомобиля, гашения крутильных моментов вала двигателя внутреннего сгорания и управления потоками энергии в бортовой сети.

Проведен выбор и обоснование оптимальной схемы, а также конструкции стартер-генераторного устройства. Определены основные технико-экономические параметры стартер-генераторной установки. Была продемонстрирована конструкция стартер-генераторной установки, представляющая собой обратимую электрическую машину. Разработана блок-схема стартер-генераторной установки.

Рассмотрены электрические машины, применяемые для стартер-генераторных установок. Описаны конструкции асинхронной машины с короткозамкнутым ротором, синхронной машины с электромагнитным возбуждением, вентильной машины с постоянными магнитами, бесконтактной машины, синхронной машины с постоянными магнитами, вентильной индукторной машиной с самовозбуждением. Проведен обзор и анализ электрических машин, применяемых в стартер-генераторных установках ведущих зарубежных фирм.

Рассмотрена конструкция обратимой индукционно-динамической машины, в которой ротор вращается снаружи, а не внутри двигателя и представляет собой короткозамкнутую обмотку с литой алюминиевой клеткой. Проведен расчет основных параметров обратимой индукционно-динамической машины как в стартерном, так и в генераторном режимах. Расчет проведен по методике аналогичной, как и у асинхронного двигателя.

Ключевые слова

стартер-генераторная установка, рекуперация, электрическая машина, двигатель внутреннего сгорания, индукционно-динамическая машина

Полный текст

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.