摩托车用起动发电一体机的电感设计

宋小永++黄锋光

摘 要：摩托车用起动发电一体机（ISG）方兴未艾。ISG具有结构紧凑，起动噪音小，发电效率高，易于控制等优点。ISG的电感不仅影响到电流环的动，静态响应，还制约着输出功率，功率因数以及直流电压等。理论上ISG的电感值应满足VSR输出有功（無功）功率及电流波形品质指标两方面的要求。一方面为使VSR获得四象限运行特性，电感值有上限要求；另一方面为满足瞬态电流跟踪指标，电流过零时，变化率最大，此时电感应足够小，同时在正弦波电流峰值处，谐波电流脉动最严重，此时电感应足够大。样机制作验证了上述理论。

关键词：起动发电一体机（ISG）；有功功率；无功功率；瞬态电流跟踪；电感

中图分类号：TK411.24 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2017）01-0073-02

随着时代的进步，人民生活水平的提高，环保问题越来越受到关注。摩托车作为大众化的产品也在积极的进行着环保对应。相对传统的起动发电分离系统，起动发电一体机（ISG）具有结构紧凑，起动噪音小，发电效率高，易于控制等优点，越来越受到用户青睐。

下面分析摩托车用ISG的电感设计期望对开发产品规格的选定有所帮助。

1 电压型整流器VSR交流侧电感设计的一般关系式

ISG系统设计中，交流侧电感的设计直接影响整个ISG系统的质量。这是因为交流侧电感的取值不仅影响到电流环的动，静态响应，还制约着输出功率，功率因数以及直流电压等。

2 满足VSR有功（无功）功率指标时电感的设计

稳态条件下，VSR交流侧矢量关系如图1所示。

E：电机电动势矢量

V：VSR交流侧相电压矢量

VL：VSR交流侧电感电压矢量

I：VSR交流侧相电流矢量

为了能使VSR四象限运行，且可输出足够大的交流电流， （1-1）

式中Em——电机相电动势峰值；

Im——VSR交流侧基波相电流峰值；

Vm——VSR交流侧基波相电压峰值

三相VSR空间矢量控制时，M=/3忽略VSR损耗，则

（1-2）

式中 p——三相VSR交流侧有功功率；

q——三相VSR交流侧无功功率

因Vm≤Mvdc，联合上式与（1-1）式得

L≤ （1-3）

或

L≤ （1-4）

式（1-3）（1-4）表示在一定的ISG电动势Em，直流侧电压vdc条件下，满足三相VSR交流侧有功功率p或无功功率q指标时ISG电感上限值。

通过对ABCD四个特殊工作点的分析可知，C点（纯电容特性，）时电感上限最小，为

L≤ （1-5）

3 满足VSR瞬态电流跟踪指标的电感设计

以正弦波电流控制为例，当电流过零时，变化率最大，此时电感应足够小，以满足快速跟踪电流要求；另一方面，在正弦波电流峰值处，谐波电流脉动最严重，此时电感应足够大，以满足抑制谐波电流要求。

按图2示三相VSR拓扑结构分析，考虑a相电压方程

（2-1）

若忽略VSR交流侧电阻R，且令，则上式简化为

（2-2）

式中 sk——二值逻辑开关函数。

仍考虑三相VSR单位功率因数正弦波电流控制，讨论满足瞬态电流跟踪要求的电感。考虑电流过零（ωt=0）处附近一个PWM开关周期Ts中的电流跟踪瞬态过程，见图3。

稳态条件下，当0≤t≤T1时，sa=0，且

（2-3）

当T1≤t≤Ts时，sa=1，且

（2-4）

若满足快速电流跟踪要求，则必须

ω （2-5）

PWM开关周期中的电流跟踪波形

综合式（2-3）～式（2-5），并令sb=sc=1，得

L≤。当T1=Ts时，将取得最大电流变化率，且

L≤ （2-6）

类似地，分析抑制谐波电流时电感的设计可得：

L≥ >1.5Em） （2-7）

所以，满足电流瞬态跟踪指标时，三相VSR电感取值范围为

≤L≤ >1.5Em） （2-8）

比较式（1-5）和式（2-8），电感上限应取式（1-5），即

≤L≤ （2-9）

4 我司方案制订

结合摩托车特点及电气系统的要求，制订ISG开发参数：，交流侧电流基波峰值，电机基波角频率（按摩托车起动转速800rpm，12磁极转子），PWM开关周期Ts=50μs（20K），代入式（2-12），

≤L ≤

≤L≤H即≤L≤H

实际开发过程中，按上述理论指导，通过电机外廓尺寸，线径，匝数等参数调整，配合控制器的调试，取得了满意的效果，相信不久的将来，起动发电一体机的摩托新品会越来越多，以满足广大消费者。