多功能发电一体机：汽车、航海、航空、航天运载工具电力系统

4.5.4.1 起动发电一体机的要求

未来开发的起动发电一体机（ISA）应该是免维护的，应该内置半智能系统，以满足未来应用的要求。ISA必须是能够四象限运行的有源装置，应具有多种功能模式，究竟工作在哪种模式下则由发动机状态决定。ISA在发电状态下，应能在较大的转速范围内（1∶10）恒定输出至少4kW功率，如图4-12所示。开发ISA时，控制装置的开发至关重要。ISA在发动机起动时应能提供足够的起动转矩。尽管没有对最小起动转矩的严格要求，但一般认为不能小于150N·m^［15］。

图4-12 ISA的功率转速和转矩转速特性

目前起动机的转速一般在100～150r/min。而ISA需要具有400～700r/min的起动转速，以满足未来发动机快速起动的要求，以降低系统油耗并减少尾气排放。采用这种起动方式，有一些因素会延迟发动机起动时间，如控制电路中微处理器的延时、电机和电力电子器件的电气时间常数等。如果是异步电机，磁场建立的时间也会影响这一延时。另外，如果起动转速超过500r/min，则起动时间会更加延长，这是因为高速时燃烧不稳定，气缸内阻力的影响也将变得明显^［16］。另外，由于电机某些参数不优化，如转差率，会导致输出直流电压有较大的波动。

ISA还需要关注发动机低温起动问题。温度很低时，燃油粘度很高，摩擦阻力很大，另外，由于摩擦力分布不均匀，所以曲轴的初始位置也会影响起动效果。另外一个和低温起动相关的问题是，低温时蓄电池电压会降低，使得能获得的最大起动转速减小。当然，这些影响的大小主要还是取决于ISA所采用的电机^［16］。

前文已经提及，越来越多的安全性负载对电源可靠性提出了更高的要求。因此，未来开发的ISA必须具有很高的容错能力，即使在故障状态下，也应能输出电能，输出功率可以适当降低。

当ISA安装在曲轴上时，将运行在高温、强振动的恶劣环境中，为此要求很高的机械稳定性，并且配备有效的风冷或液体冷却装置。ISA噪声应该较小，特别是在3000r/min以下时，这是因为高速时，发动机噪声很大会淹没电机噪声。

ISA做发电机运行时，必须效率高，输出功率大，同时也要考虑甩负载问题。对于伦德尔发电机而言，甩负载是最坏的工作情况，对于其他电机并不一定如此。目前，14V的伦德尔发电机，甩负载时将承受40V的高压，一般用具有钳位作用的二极管进行保护，钳位电压通常在额定电压的285％。42V的ISA，在满足ISO关于42V电网草案中要求的前提下，甩负载时要承受60V的电压，这只比额定电压高出50％^［11］，如图4-13所示。

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图4-13 14V和42V系统电压范围

由于ISA有多种工作模式，但主要是发电机或电动机，因此必须能够实现两个模式之间的平滑转换。这可以通过短时将ISA和电气系统断开的方法实现。这一转换也要求在某一转速范围之上进行，如发动机起动转速上升到400r/min以后，可以设定在500r/min和怠速之间的任意转速之间进行转换。

至于ISA的机械结构，则要求结构简单、重量轻、体积小、转子转动惯量小、价格低。低转动惯量是有差耦合方式下减小传动带转差所必需的。另外，也希望ISA能提供高起动转矩和高功率密度。

4.5.4.2 起动发电一体机的应用

ISA主要用于起动和发电，也就是实现起动机和发电机的功能。但作为一项新技术，要求它能解决另外一个重要问题，以使它更容易被汽车工业所接受。这一问题就是起停和回馈制动问题，这一问题的解决将极大地降低汽车油耗，减少尾气排放，为生产商在排放标准越来越严格的今天提供一个解决方案。

起停控制主要是要求能在汽车停车发动机怠速几秒后关闭发动机，而在油门踏板被踩下后，利用ISA的快速起动能力，迅速准确的起动发动机。这将节约停车时所消耗的燃料。回馈制动是在汽车刹车时，能将汽车的动能转化成电能，这将节约产生这部分电能所需消耗的燃料。

ISA还能提供加速支持。目前起动机起动发动机，然后点火系统在怠速前点火。由于燃烧不充分，所以油耗高、排放大。如果采用ISA，它首先起动发动机，然后点火系统点火，点火后ISA仍然驱动发动机升速至怠速。这样可以使燃烧充分，从而降低油耗和尾气排放。另外，由于有ISA的驱动，点火系统还可以在更高转速时点火，这样摩擦力会更小，燃烧也更稳定^［16］。

ISA还能为发动机振动提供阻尼，以提高汽车驱动系统的平稳程度。这可以通过提供消除发动机振动转矩的转矩脉动的方法实现^［19］。同样，ISA还能在熄火滑行过程中提供转矩脉动，这样做的好处是可以解决由于气缸内压缩膨胀过程缓慢和扩张产生真空所导致的汽车颠簸问题，使得乘坐更平稳舒适。

ISA是连在曲轴上的大功率电机，因此将来还可以为汽车提供短距离低速的电气驱动，这和电动车的工作方式非常接近。但必须注意，这一功能在有差耦合时是难以实现的。