本田i-MMD混動(dòng)系統(tǒng)電機(jī)開發(fā)

文 彥 東

（中國第一汽車股份有限公司新能源開發(fā)院，長春 130011）

主題詞：混合動(dòng)力系統(tǒng) 電機(jī) i-MMD PCU

1 前言

為了應(yīng)對氣候變化和能源問題，需要開發(fā)低排放和更加節(jié)油的新能源汽車。本田公司一直致力于混合動(dòng)力車研發(fā)，2017款雅閣混合動(dòng)力車升級雙電機(jī)式混合動(dòng)力機(jī)構(gòu)“i-MMD”，大幅減小電機(jī)、功率控制單元（PCU）及電池等主要部件尺寸，配備在“奧德賽”上，成本降到跟豐田“勢均力敵”的水平。2017年，本田發(fā)布其在美國和中國市場主力車型“雅閣”的換代產(chǎn)品，繼續(xù)提供混合動(dòng)力車型，并計(jì)劃推出基于全新平臺設(shè)計(jì)的混合動(dòng)力汽車。本文重點(diǎn)介紹本田開發(fā)的智能多模驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)（i-MMD），該系統(tǒng)具有更高的電傳動(dòng)比、更高的功率和效率，是混和動(dòng)力市場上非常具有代表性的產(chǎn)品，對我國混動(dòng)系統(tǒng)開發(fā)也具有借鑒意義[1]。

2 本田i-MMD混合動(dòng)力系統(tǒng)概述

2016款雅閣混動(dòng)轎車i-MMD系統(tǒng)主要由阿特金森（Atkinson）循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)、電動(dòng)無級變速器e-CVT（內(nèi)置發(fā)電機(jī)、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、超越離合器及平行軸系及齒輪、主減速器及差速器總成等）和動(dòng)力電池總成等組成[2]。

i-MMD混合動(dòng)力系統(tǒng)（圖1）具有三種工作模式，純電動(dòng)模式、串聯(lián)混合動(dòng)力模式和并聯(lián)混合動(dòng)力模式（圖2）。

（1）純電動(dòng)模式，即EV drive，該模式下發(fā)動(dòng)機(jī)不工作，離合器斷開，驅(qū)動(dòng)電機(jī)通過齒輪機(jī)構(gòu)直接輸出轉(zhuǎn)矩。

圖1 本田i-MMD混合動(dòng)力系統(tǒng)[3]

圖3 發(fā)動(dòng)機(jī)效率MAP圖[6]

（2）串聯(lián)混合動(dòng)力模式，即Hybrid drive，該模式下發(fā)動(dòng)機(jī)通過發(fā)電機(jī)發(fā)電，離合器斷開，驅(qū)動(dòng)電機(jī)通過齒輪機(jī)構(gòu)輸出轉(zhuǎn)矩。

（3）并聯(lián)混合動(dòng)力模式，即Engine drive，該模式下發(fā)動(dòng)機(jī)直接輸出扭矩，離合器結(jié)合，驅(qū)動(dòng)電機(jī)同時(shí)輸出轉(zhuǎn)矩，以上三個(gè)模式就是雅閣i-MMD(intelligent Multi-Modes Drive)系統(tǒng)所謂的多模式[4]。

圖2 i-MMD工作模式[5]

驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)矩通過齒輪傳遞到驅(qū)動(dòng)軸。在純電動(dòng)模式，車輛由驅(qū)動(dòng)電機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)，發(fā)動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)關(guān)閉。在混合驅(qū)動(dòng)模式，發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩傳遞到發(fā)電機(jī)并被轉(zhuǎn)換為電能，驅(qū)動(dòng)電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩驅(qū)動(dòng)車輛。在發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)模式，集成于e-CVT內(nèi)的超越離合器結(jié)合，發(fā)動(dòng)機(jī)輸出的扭矩直接驅(qū)動(dòng)整車。以油耗最優(yōu)和不同工作條件為目標(biāo)選擇不同的工作模式。在小負(fù)荷起動(dòng)車輛使用純電動(dòng)模式；在高負(fù)荷和加速時(shí)，使用混動(dòng)驅(qū)動(dòng)模式；在高速行駛時(shí)使用發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)模式。

i-MMD系統(tǒng)在三個(gè)運(yùn)行模式間通過兩種方式來進(jìn)一步提升經(jīng)濟(jì)性：

（1）在每一個(gè)模式下盡可能提高燃油經(jīng)濟(jì)性;

（2）切換模式來提高燃油經(jīng)濟(jì)性。

首先，在Hybrid/Engine drive模式中，在原有工況的基礎(chǔ)上，控制器通過改變發(fā)動(dòng)機(jī)和驅(qū)動(dòng)電機(jī)工作點(diǎn)，進(jìn)一步提升發(fā)動(dòng)機(jī)效率。

發(fā)動(dòng)機(jī)的MAP如圖3所示，橫坐標(biāo)為轉(zhuǎn)速、縱坐標(biāo)為扭矩，顏色深淺表示了發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出效率高低?！啊鳌焙汀啊酢钡狞c(diǎn)分別是電池不輸出能量時(shí)的發(fā)動(dòng)機(jī)工作點(diǎn)，“○”的點(diǎn)是驅(qū)動(dòng)電機(jī)介入、調(diào)整后的發(fā)動(dòng)機(jī)工作點(diǎn)。

Hybrid Drive模式下，車輪是機(jī)械解耦的，不是發(fā)動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)的[5]。為達(dá)到最佳的發(fā)動(dòng)機(jī)工作燃油經(jīng)濟(jì)性，按整車需求功率和發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率調(diào)整驅(qū)動(dòng)電機(jī)的工作點(diǎn)位置，同時(shí)監(jiān)測電池SOC，決定對電池充放電。如整車需求功率大，而發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率無法滿足，則由電池放電驅(qū)動(dòng)電機(jī)補(bǔ)充不足的功率。反之則發(fā)動(dòng)機(jī)輸出的多余功率給電池充電。

Engine Drive模式下，電機(jī)與發(fā)動(dòng)機(jī)同時(shí)工作，驅(qū)動(dòng)車輛，此時(shí)調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)和驅(qū)動(dòng)電機(jī)工作點(diǎn)，讓發(fā)動(dòng)機(jī)工作在最佳燃油經(jīng)濟(jì)性區(qū)域[5]。

其次是通過切換模式來提高燃油經(jīng)濟(jì)性，在純電動(dòng)與串聯(lián)兩種模式之間，i-MMD采用了一種間斷式的混動(dòng)策略（Intermittent hybrid mode），即電池部分參與供電，這樣的策略車輛在低速/低負(fù)荷工況，相對沒有模式切換的工況最多能提升50%系統(tǒng)效率。i-MMD阿特金森循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)使用兩種不同的凸輪來保證動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性最佳。一般情況下，動(dòng)力性凸輪在啟動(dòng)工況和大扭矩工況下使用，而經(jīng)濟(jì)性凸輪則在正常駕駛工況下使用，另外，通過兩種凸輪的切換也實(shí)現(xiàn)了奧托循環(huán)和阿特金森循環(huán)的切換[5]。經(jīng)濟(jì)性凸輪的進(jìn)氣門開啟時(shí)間延長。通過進(jìn)氣門晚關(guān)，將進(jìn)氣沖程吸入的氣體在壓縮沖程又排出去一部分，造成膨脹比大于壓縮比的阿特金森循環(huán)的效果。

整車加速性能和最高車速取決于驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速，驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)的效率對燃油經(jīng)濟(jì)性有很大的影響。對于高速行駛工況，發(fā)動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)工作在零轉(zhuǎn)矩模式，這部分區(qū)域恰恰是電機(jī)系統(tǒng)的低效區(qū)，為了提高效率，必須降低驅(qū)動(dòng)電機(jī)損耗。電機(jī)損耗分為銅損和鐵損，銅損主要損耗在定子線圈上，鐵損主要體現(xiàn)在定轉(zhuǎn)子的硅鋼片上。在低負(fù)荷區(qū)占比比較大的是鐵損，減低鐵損的方式包括減少硅鋼片用量和降低磁通量，通過采用磁阻轉(zhuǎn)矩和升壓技術(shù)可以達(dá)成上述目標(biāo)。驅(qū)動(dòng)電機(jī)采用的是“V”型磁鋼布置，磁鋼夾角和磁阻轉(zhuǎn)矩大小直接相關(guān)，夾角越小，磁阻轉(zhuǎn)矩越大，帶來的負(fù)面影響是轉(zhuǎn)矩波動(dòng)大，可能導(dǎo)致振動(dòng)噪聲大。因此，磁鋼夾角的確定需要綜合考慮磁阻轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)矩波動(dòng)。

為了實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的小型化和高功率，高壓化是重要技術(shù)方案，因此，該系統(tǒng)采用了高壓方案，其最大電壓達(dá)到700 V。電機(jī)系統(tǒng)的功率是轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的乘積，同樣的功率提高轉(zhuǎn)速就可以降低系統(tǒng)的扭矩需求，電機(jī)大小和轉(zhuǎn)矩大小成正比，更小的轉(zhuǎn)矩意味著更小的電機(jī)尺寸，尺寸越小，電機(jī)系統(tǒng)材料用量越少，從而成本更低。但因高功率的需求，在轉(zhuǎn)矩變小情況下，電機(jī)轉(zhuǎn)速必須成倍的升高，高速化帶來的挑戰(zhàn)就是要設(shè)計(jì)更高的轉(zhuǎn)子強(qiáng)度以及更有效的冷卻手段來保證電機(jī)在高速下穩(wěn)定運(yùn)行。

由于高速化，內(nèi)嵌于轉(zhuǎn)子槽內(nèi)的永磁體將受到很大的離心力作用，應(yīng)力主要集中在轉(zhuǎn)子外圓隔磁橋和兩個(gè)磁鋼中間的肋部，增加隔磁橋和肋部厚度可以提高轉(zhuǎn)子強(qiáng)度，但是卻會(huì)產(chǎn)生更大的漏磁，導(dǎo)致輸出功率和轉(zhuǎn)矩降低。因此為了保證電機(jī)在高轉(zhuǎn)速下結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，在轉(zhuǎn)子軛部設(shè)計(jì)了一些狹長的細(xì)槽，通過這樣的設(shè)計(jì)降低了53%的應(yīng)力，見圖4。

圖4 壓力分布仿真云圖[7]

3 新一代i-MMD永磁同步電機(jī)設(shè)計(jì)改進(jìn)

3.1 方形導(dǎo)線技術(shù)

由圓形細(xì)線改為方形粗線，槽型也改為方形，這樣可以填入更大面積的導(dǎo)線（圖5），槽滿率上升，電機(jī)尺寸可以相應(yīng)減小[10]。

圖5 定子線圈由圓導(dǎo)線改為方導(dǎo)線[8]

3.2 高絕緣性漆包線

為增強(qiáng)絕緣性，在原有的漆包線外再增加一層樹脂。使用粉末噴涂技術(shù)，在線圈兩端覆蓋絕緣層，與浸漆工藝相比：在機(jī)械強(qiáng)度、附著力、耐腐蝕、耐老化等方面更優(yōu)，成本也比同效果的浸漆工藝低。

3.3 雙層繞線

最新一代的雅閣驅(qū)動(dòng)電機(jī)線圈由單層繞組更換成雙層繞組，更加致密，定子端部高度減小10%，端部損耗同樣減小。

以上幾項(xiàng)主要改進(jìn)，提升了系統(tǒng)的功率并減小了體積，重量體積均減小23%，最大轉(zhuǎn)矩由307 N·m提升到了315 N·m，最大功率由124 kW提高到135 kW[9]。

4 結(jié)論及啟示

目前本田的雅閣已經(jīng)是第十代，使用的是第三代的i-MMD混動(dòng)系統(tǒng)，油耗低于5 L/100km，本田為新能源的混合動(dòng)力汽車提出了創(chuàng)新的技術(shù)路線。為應(yīng)對日本許多混合動(dòng)力車型行駛品質(zhì)相對一般的問題，本田新的一批混合動(dòng)力車型除了節(jié)能性之外，還強(qiáng)調(diào)了行駛品質(zhì)和駕乘樂趣等等，這也得益于其優(yōu)異的性能和獨(dú)特的構(gòu)型。本田的i-MMD混動(dòng)系統(tǒng)將激發(fā)整個(gè)新能源車企的競爭，促進(jìn)所有整車廠技術(shù)進(jìn)步和節(jié)能減排，提升了汽車行業(yè)進(jìn)步和技術(shù)創(chuàng)新水平。