A Study on Belt-driven Integrated Starter and Generator Using Planetary Gears for Micro Hybrid Electric Vehicles

Abstract

Belt-driven integrated starter-generator (BSG) micro-hybrid electric vehicle (micro HEV) offers an improved fuel economy with a voltage-boosting system such as an additional DC-DC converter. This is because the size of 12 V battery-powered BSG can be increased to produce the required torque in the starter-mode. However, this boost-type BSG micro HEV entails an additional manufacturing cost because boost-type BSG requires the additional DC-DC converter. This study proposes a 12 V mechanical torque converting belt-driven integrated starter-generator system without a DC-DC converter to solve the above issues. A micro HEV typically uses a 12 V battery with a 12/48 V bidirectional DC-DC converter to satisfy its high starting torque and wide operation speed for generating the required power. However, the proposed BSG consists of a wound field synchronous machine (WFSM), planetary gears, and a belt-type pulley, which does not require an additional bi-directional DC-DC converter. Owing to the integrated planetary gear reducer, the proposed BSG system produces a high starting torque in starter-mode with a 12:1 gear ratio, and it operates in generator-mode with a 1:2 gear ratio to satisfy the required target specifications. To verify that the proposed BSG system meets the required target design specifications, simulations using MATLAB/Simulink 2018b and ANSYS electromagnetic 19.0 were performed. Also, the experimental results verify that this proposed BSG meets the required starter and generator-modes specifications. The proposed BSG provides an efficient solution to high costs incurred by a micro HEV that requires a DC-DC converter system through the analysis of reliability and vehicle environment conditions. |본 연구는 추가적인 양방향 DC-DC 컨버터가 없이 마이크로 하이브리드 전기 자동차의 벨트 구동형 통합 시동 발전기 (Belt-driven integrated starter-generator, BSG) 시스템을 위한 일체형 유성기어 감속기를 이용한 12V 계자권선형 동기기(wound field synchronous machine ,WFSM) BSG을 제안한다. 기존의 마이크로 하이브리드 전기 자동차는 추가적인 양방향 DC-DC 컨 버터와 같은 전력변환장치를 통해 연비를 향상시킨다. 이 양방향 DC-DC 컨 버터는 스타터 모드에서 필요한 토크를 생성하기 위해 12 V 배터리 전압을 상승시켜 BSG를 구동시킨다. 그러나 이러한 양방향 DC-DC 컨버터는 차량 엔진룸의 온도에 따른 구성부품의 영향성 해결과 안전한 구동을 위해 높은 제 작 비용이 수반된다. 이러한 문제점을 해결하기 위해, 본 연구에서는 일체형 유성기어 감속 기를 이용한 BSG 시스템을 제안한다. 제안한 일체형 유성기어 감속기를 이용 한 BSG는 계자권선형 동기기, 유성 기어 및 풀리로 구성된다. 일체형 유성기 어 감속기로 인해 제안한 BSG 시스템은 12 : 1 기어비를 통해 시동 모드에서 높은 시동 토크를 생성하고, 발전모드에서 1 : 2 기어비로 운전상태에 따른 넓 은 발전영역을 충족한다. 제안한 BSG 시스템을 마이크로 하이브리드 전기 자동차에 적용하기 위한 필요한 목표 설계 사양에 대한 충족여부를 확인하기 위해 MATLAB / Simulink 2018b 및 ANSYS 19.0을 이용한 시뮬레이션이 수행되었으며, 다이 나모미터를 이용한 실험을 통해 스타터 및 발전기 모드 사양을 충족함을 확인 하였다. 또한, 일체형 유성기어 감속기와 양방향 DC-DC 컨버터의 온도에 따 른 영향성 분석 및 신뢰성을 분석하였다. 따라서 본 연구에서 제안한 일체형 유성기어 감속기와 12 V 계자권선 형 동기기를 이용한 BSG 시스템을 마이크로 하이브리드 전기 자동차에 적용 하기 위한 요구 사양, 제작비용 및 차량 환경 조건 분석을 통해 기존의 양방 향 DC-DC 컨버터를 이용한 통합 시동 발전기에 대한 효율적인 해결책을 제 공한다.