摩托車用起動發電一體機的電感設計

宋小永++黃鋒光

摘 要：摩托車用起動發電一體機（ISG）方興未艾。ISG具有結構緊湊，起動噪音小，發電效率高，易于控制等優點。ISG的電感不僅影響到電流環的動，靜態響應，還制約著輸出功率，功率因數以及直流電壓等。理論上ISG的電感值應滿足VSR輸出有功（無功）功率及電流波形品質指標兩方面的要求。一方面為使VSR獲得四象限運行特性，電感值有上限要求；另一方面為滿足瞬態電流跟蹤指標，電流過零時，變化率最大，此時電感應足夠小，同時在正弦波電流峰值處，諧波電流脈動最嚴重，此時電感應足夠大。樣機制作驗證了上述理論。

關鍵詞：起動發電一體機（ISG）；有功功率；無功功率；瞬態電流跟蹤；電感

中圖分類號：TK411.24 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2017）01-0073-02

隨著時代的進步，人民生活水平的提高，環保問題越來越受到關注。摩托車作為大眾化的產品也在積極的進行著環保對應。相對傳統的起動發電分離系統，起動發電一體機（ISG）具有結構緊湊，起動噪音小，發電效率高，易于控制等優點，越來越受到用戶青睞。

下面分析摩托車用ISG的電感設計期望對開發產品規格的選定有所幫助。

1 電壓型整流器VSR交流側電感設計的一般關系式

ISG系統設計中，交流側電感的設計直接影響整個ISG系統的質量。這是因為交流側電感的取值不僅影響到電流環的動，靜態響應，還制約著輸出功率，功率因數以及直流電壓等。

2 滿足VSR有功（無功）功率指標時電感的設計

穩態條件下，VSR交流側矢量關系如圖1所示。

E：電機電動勢矢量

V：VSR交流側相電壓矢量

VL：VSR交流側電感電壓矢量

I：VSR交流側相電流矢量

為了能使VSR四象限運行，且可輸出足夠大的交流電流， （1-1）

式中Em——電機相電動勢峰值；

Im——VSR交流側基波相電流峰值；

Vm——VSR交流側基波相電壓峰值

三相VSR空間矢量控制時，M=/3忽略VSR損耗，則

（1-2）

式中 p——三相VSR交流側有功功率；

q——三相VSR交流側無功功率

因Vm≤Mvdc，聯合上式與（1-1）式得

L≤ （1-3）

或

L≤ （1-4）

式（1-3）（1-4）表示在一定的ISG電動勢Em，直流側電壓vdc條件下，滿足三相VSR交流側有功功率p或無功功率q指標時ISG電感上限值。

通過對ABCD四個特殊工作點的分析可知，C點（純電容特性，）時電感上限最小，為

L≤ （1-5）

3 滿足VSR瞬態電流跟蹤指標的電感設計

以正弦波電流控制為例，當電流過零時，變化率最大，此時電感應足夠小，以滿足快速跟蹤電流要求；另一方面，在正弦波電流峰值處，諧波電流脈動最嚴重，此時電感應足夠大，以滿足抑制諧波電流要求。

按圖2示三相VSR拓撲結構分析，考慮a相電壓方程

（2-1）

若忽略VSR交流側電阻R，且令，則上式簡化為

（2-2）

式中 sk——二值邏輯開關函數。

仍考慮三相VSR單位功率因數正弦波電流控制，討論滿足瞬態電流跟蹤要求的電感。考慮電流過零（ωt=0）處附近一個PWM開關周期Ts中的電流跟蹤瞬態過程，見圖3。

穩態條件下，當0≤t≤T1時，sa=0，且

（2-3）

當T1≤t≤Ts時，sa=1，且

（2-4）

若滿足快速電流跟蹤要求，則必須

ω （2-5）

PWM開關周期中的電流跟蹤波形

綜合式（2-3）～式（2-5），并令sb=sc=1，得

L≤。當T1=Ts時，將取得最大電流變化率，且

L≤ （2-6）

類似地，分析抑制諧波電流時電感的設計可得：

L≥ >1.5Em） （2-7）

所以，滿足電流瞬態跟蹤指標時，三相VSR電感取值范圍為

≤L≤ >1.5Em） （2-8）

比較式（1-5）和式（2-8），電感上限應取式（1-5），即

≤L≤ （2-9）

4 我司方案制訂

結合摩托車特點及電氣系統的要求，制訂ISG開發參數：，交流側電流基波峰值，電機基波角頻率（按摩托車起動轉速800rpm，12磁極轉子），PWM開關周期Ts=50μs（20K），代入式（2-12），

≤L ≤

≤L≤H即≤L≤H

實際開發過程中，按上述理論指導，通過電機外廓尺寸，線徑，匝數等參數調整，配合控制器的調試，取得了滿意的效果，相信不久的將來，起動發電一體機的摩托新品會越來越多，以滿足廣大消費者。