日本本田公司雙電機混合動力系統(tǒng)的先進技術(shù)

佐藤博之 西岡太 伊東悠太 小堀俊光 田淳 吉本康時

0 概述

為滿足日趨嚴格的環(huán)保法規(guī)的要求并合理應(yīng)對資源短缺風險問題，降低汽車的燃油耗勢在必行。日本本田公司一方面要最大限度地提高燃油經(jīng)濟性，另一方面則通過充分利用蓄電池驅(qū)動的電動汽車(EV)，以獲得較好的行駛靜音性、強勁的加速性，以及快速的扭矩響應(yīng)等優(yōu)點。目前已于2013年開發(fā)出插電式智能多模式驅(qū)動系統(tǒng)(i-MMD)，該系統(tǒng)作為雙電機混合動力系統(tǒng)，具有與傳統(tǒng)型內(nèi)燃機+變速器系統(tǒng)驅(qū)動方式迥異的動力傳動系統(tǒng)。

本田公司通過引進電驅(qū)系統(tǒng)的先進技術(shù)，于2016年成功開發(fā)了第二代i-MMD，又于2018年開發(fā)出了第三代i-MMD，實現(xiàn)了i-MMD系統(tǒng)的小型化并提高了性能。2018年發(fā)布的第三代i-MMD是通過裝置小型化以提高標準部件商品性，同時兼顧高效率與靜音性的目標而進行開發(fā)的，本文介紹了該技術(shù)的總體概況(圖1)。

1 本田公司混合動力系統(tǒng)概要

i-MMD是以串聯(lián)式混合動力為基礎(chǔ)，同時可直接與發(fā)動機進行串聯(lián)或并聯(lián)。靈活運用如圖2所示的3種驅(qū)動模式，最大限度地發(fā)揮發(fā)動機、電機等結(jié)構(gòu)要素的潛能，實現(xiàn)了高效的能量管理。

EV的驅(qū)動模式是利用儲存在高電壓蓄電池中的電能而實現(xiàn)行駛的。避開熱效率較低的發(fā)動機部分負荷下的運轉(zhuǎn)工況，達到可提高低速工況下效率的目的。在減速時也可實現(xiàn)車輛的制動能量再生。

混合動力驅(qū)動模式是利用發(fā)動機發(fā)電以驅(qū)動電機行駛的模式(通常是在市區(qū)行駛或需要強勁加速動力時方才運用該模式)。主動利用熱效率較高的發(fā)動機運行工況，達到在中、高車速區(qū)域高效運轉(zhuǎn)的目標。

發(fā)動機驅(qū)動模式是指將發(fā)動機的驅(qū)動力直接傳遞到車軸的模式(在以中、高車速行駛時，通過降低傳動摩擦以實現(xiàn)高效發(fā)動機運轉(zhuǎn))。高速巡航時車輛要求的功率與發(fā)動機高效區(qū)域相一致的情況下，可有效運用機械傳動，以此提高系統(tǒng)效率。

有效利用高壓蓄電池并通過電力輔助及充電功能，可以提升發(fā)動機高運行工況的利用頻度，以及利用高功率電機以實現(xiàn)車輛強勁而順暢的加速性能，兼顧了環(huán)保性能與駕駛體驗。

2 電動式無級變速器(E-CVT)

i-MMD的E-CVT具有將2個電機(驅(qū)動電機和發(fā)電機)與發(fā)動機的動力直接傳遞到輪胎的直接連接離合器。驅(qū)動電機產(chǎn)生驅(qū)動力并可在制動時回收再生能量。發(fā)電機則通過發(fā)動機的輸出功率進行發(fā)電，承擔了為蓄電池充電及為驅(qū)動電機供電的功用(圖3)。

E-CVT在有限的發(fā)動機機艙空間內(nèi)需要安裝2臺電機，電機通常采用組合繞組結(jié)構(gòu)，即從定子鐵心的軸向插入成型的繞組(圖4)。本繞組使用耐高壓的絕緣線材，并進行高密度成形，使電位差較高的異相繞組實現(xiàn)緊密貼合，降低繞組過渡部分的高度。并且，由于繞組采用了符合槽形的扁平線材成型方式，通過提高繞組的占空因數(shù)，降低了定子的外徑尺寸。采用這種新結(jié)構(gòu)定子，有效實現(xiàn)了電機的小型化，相比傳統(tǒng)電機，可以使全新開發(fā)的電機體積縮小達23%。

圖4 電機繞組結(jié)構(gòu)

第三代新型i-MMD電機，雖然其具有小型、高轉(zhuǎn)矩、高輸出功率的特性，但是根據(jù)穩(wěn)定供給材料及材料成本的要求，避免選擇含有重稀土的原材料，如鏑(Dy)及鋱(Tb)等元素，而是采用了熱加工磁鐵。該類磁鐵相比添加了重稀土元素的傳統(tǒng)型(Nd)磁鐵，目前仍亟需解決高溫環(huán)境下矯頑力降低的問題。為此，重新審定了磁鐵及保有特定形狀的磁力回路，以便維持所要求的輸出功率，并提高磁鐵的抗去磁特性，其結(jié)果表明，隨著轉(zhuǎn)矩-電流特性的提高，降低最大電流，由于抑制了施加在磁鐵上的去磁因素，使抗去磁特性提高24%。同時，以降低轉(zhuǎn)子中內(nèi)置的磁鐵溫度為目的，采用了軸心冷卻結(jié)構(gòu)(圖5)。運用經(jīng)由轉(zhuǎn)軸的離心力，對轉(zhuǎn)子軛內(nèi)供給機油，以實現(xiàn)更有效的磁鐵冷卻。由此，相比以往的電機可將磁鐵的冷卻性能提高23%，從而大幅降低了磁鐵的工作溫度。

圖5 電機軸心冷卻結(jié)構(gòu)

由于利用磁力回路以提高抗去磁特性，同時利用軸心冷卻結(jié)構(gòu)以降低磁鐵溫度，實現(xiàn)了面向i-MMD用電機磁鐵免除重稀土元素的應(yīng)用(圖6)。

圖6 i-MMD中的重稀土類元素的使用比例

3 動力控制裝置(PCU)

本裝置是將高壓蓄電池儲存的電力逆變?yōu)榻涣麟?，并供給電機/發(fā)電機的動力模塊等電氣設(shè)備的集成單元(圖7)。由于智能化動力裝置(IPU)的小型化，在第三代i-MMD中，將第二代i-MMD中曾經(jīng)位于IPU內(nèi)的直流/直流(DC/DC)轉(zhuǎn)換器布置于PCU中，而由于動力模塊等系統(tǒng)的小型化，PCU本身尺寸并未得以擴大，為此可直接安裝在E-CVT的上部。此外，IPU尺寸相應(yīng)縮小了26.2%，質(zhì)量降低了0.45 kg。

圖7 PCU結(jié)構(gòu)示意圖

3.1 動力模塊的小型化

本動力模塊并未使用傳統(tǒng)型的焊錫(軟釬料)接合方式，而是采用了燒結(jié)接合工藝，使熱阻降低10%，力求實現(xiàn)功率半導(dǎo)體芯片及動力模塊的小型化。傳統(tǒng)的焊錫接合，在焊錫熔融時會發(fā)生較大的孔隙，對其散熱性能會造成不利的影響。第三代PCU，由于在芯片焊接工藝中，運用摻有銀(Ag)納米顆粒的燒結(jié)接合技術(shù)而減少了空隙(圖8)。燒結(jié)接合工藝是利用納米尺寸效應(yīng)，在低于Ag熔點的溫度下，實施燒結(jié)工藝。能在與錫焊接合相一致的接合溫度下進行燒結(jié)處理。

圖8 動力模塊的冷卻結(jié)構(gòu)

3.2 電壓控制裝置(VCU)

i-MMD系統(tǒng)由電源電壓對電機/發(fā)電機用驅(qū)動電壓進行升壓處理，以高效率、高輸出功率狀態(tài)進行運轉(zhuǎn)。承擔其升壓功能的裝置是配裝于PCU內(nèi)的VCU。VCU采用了全新的控制方式，即不同于傳統(tǒng)的斬波器方式，而是融合了斬波器與電容器的變換方式。高壓側(cè)及低壓側(cè)分別設(shè)有2個電橋臂，按照180°錯開脈沖寬度調(diào)制(PWM)的相位方式，使通往電抗器的弱脈動電流頻率為載波頻率的2倍，同時由于配裝了可短期儲存電荷的電容器(C0)，降低了面向電抗器的附加電壓。因此相比傳統(tǒng)方式，電感降低到原有的1/4，電抗器尺寸縮小65%(圖9)。

圖9 VCU工作方式

4 智能化動力模塊(IPU)

以本田雅閣混合動力汽車(HEV)為代表的傳統(tǒng)型HEV中，受車輛封裝的制約，由高電壓蓄電池所構(gòu)成的IPU必須配裝于行李艙內(nèi)。與汽油車相比，行李艙容積以及使用便捷性相應(yīng)受到了限制。因此，為了將其打造成與汽油車具有同等商品競爭力的普及型混合動力車型，新開發(fā)了可配裝于后排座椅下的小型IPU。結(jié)果是其容積擴大約44%，可與汽油車相當，實現(xiàn)了大開口行李廂貫通結(jié)構(gòu)(圖10)。

圖10 提高HEV商品性

4.1 IPU的功能

如圖11所示，IPU由高電壓鋰離子蓄電池模塊、具備電流斷開功能的高電壓配電零件、冷卻用零部件以及承擔蓄電池狀態(tài)監(jiān)測、控制蓄電池的ECU構(gòu)成。IPU不僅具有電力儲存功能，而且配備有管理蓄電池系統(tǒng)的監(jiān)測性功能。由于將內(nèi)置了蓄電池的IPU配裝于后排座椅下方，使車輛重心位置向車輛中部的較低位置偏移，力求實現(xiàn)車輛的低重心化。

圖11 IPU結(jié)構(gòu)示意圖

4.2 IPU的配裝技術(shù)

后排座椅下配裝IPU的空間是考慮了如圖12所示的幾種系統(tǒng)的制約而作出的決定。并且，IPU如要布置于邊界范圍之內(nèi)，則需滿足續(xù)航里程要求，并確保后排座椅的乘員空間以及考慮到車輛距地面的最低高度等因素。

圖12 后排座位下的布置

為了實現(xiàn)IPU面向后排座椅下方的安裝要求，應(yīng)用了以下技術(shù)，包括將具有座椅定位功能的車體地板集成到IPU罩內(nèi)的低車身化技術(shù)、削減蓄電池排氣通道冷卻結(jié)構(gòu)的最佳化技術(shù)，以及提高蓄電池效率的小型化技術(shù)。尤其是在提高單電池工作效率方面，開發(fā)了全新的蓄電池模塊結(jié)構(gòu)，將每個電池模塊的單電池層疊數(shù)由18個擴充到了36個。由于大幅度削減了蓄電池模塊的附屬零件，實現(xiàn)了小型化。而且，由于將以往內(nèi)置于IPU中的DC/DC轉(zhuǎn)換器的功能集成到PCU中而實現(xiàn)了整體化，即可將IPU配裝于后排座椅下方。結(jié)果表明，其可實現(xiàn)與汽油車同等的行李廂容積，設(shè)計出了具備行李廂貫通結(jié)構(gòu)的普及型高效率HEV。

5 發(fā)動機

作為采用了i-MMD的混合動力驅(qū)動模式，例如電動客車模式，發(fā)動機使用區(qū)域的設(shè)定自由度更大。因此，除了有效改善發(fā)動機的有效燃油消耗率(BSFC)之外，通常將BSFC的下止點區(qū)域作為工作線使用，并力求改善燃油經(jīng)濟性能。

采用了阿特金森循環(huán)及相關(guān)冷卻方式的廢氣再循環(huán)(EGR)系統(tǒng)的車型力圖優(yōu)化2.0 L汽油機的熱平衡，同時為改善發(fā)動機的BSFC，將提高理論熱效率、降低熱損失及降低機械損失等列為了改善BSFC的主要課題。同時為提高理論熱效率，通過對進氣門的鏡面化處理，以及在排氣門中填充鈉(Na)，從而改善了抗爆燃性，并實現(xiàn)了高壓縮比。由于增加了EGR氣體引入量，采用了高流動性滾流進氣道，實現(xiàn)了快速燃燒過程并有效降低熱損失(圖13)。引進了已在其他發(fā)動機本體結(jié)構(gòu)中得以應(yīng)用的低摩擦平磨加工工藝及低摩擦均衡軸等降低機械損失的技術(shù)。通過以上改善措施，使最小BSFC降至208.1 g/(kW·h)(最大熱效率可達40.6%)，在相同的發(fā)動機運行工況，相比以往車型，改善后的BSFC可減少8 g/(kW·h)。

圖13 提高進氣流速

此外，由于快速燃燒的實現(xiàn)，使整機在廣闊的區(qū)域內(nèi)均有較好的BSFC。同時，在提高燃燒壓力升高率的同時，發(fā)動機的振動問題也亟需解決。串聯(lián)混合動力方式將發(fā)動機的最佳效率線設(shè)定為工作線，而在以往的車型中，該設(shè)定兼顧了發(fā)動機噪聲的降低與燃油經(jīng)濟性的改善，結(jié)果如圖14所示，工作線不能直接套用BSFC最低的工作區(qū)域。此次開發(fā)的發(fā)動機，為改善燃油耗，工作線要求能使用燃燒壓力上升率較高的BSFC下止點區(qū)域。通過重新審定曲軸形狀，降低了發(fā)動機的振動水平(圖15)。由于BSFC能進一步改善，從而使工作線能逐漸移動到高扭矩側(cè)，所以該部分發(fā)動機旋轉(zhuǎn)時的振動水平得以全面降低，提高了整機加速的靜音性。圖14中的白色線表示混合動力驅(qū)動模式中的工作線，隨著發(fā)動機單機BSFC的改善，考慮發(fā)動機工作線改善的HEV系統(tǒng)性能的提高，改善了車輛的實際性能。

圖14 發(fā)動機燃油耗性能

圖15 發(fā)動機噪聲的降低

6 結(jié)語

本田i-MMD系統(tǒng)通過高功率電機進行驅(qū)動，可主動地在高效率區(qū)域使用發(fā)動機，能同時兼顧駕駛性以及環(huán)保性能。得益于長期以來各種設(shè)備的小型化，第三代i-MMD系統(tǒng)具有與汽油車同等的商業(yè)價值。此外，通過改善發(fā)動機的靜音性，在發(fā)動機驅(qū)動模式下，也能提供更加高質(zhì)量的加速體驗。提高混合動力車的商品價值，同時可向更多客戶提供備選方案，而且也優(yōu)化了環(huán)境問題。

此外，i-MMD系統(tǒng)只通過高功率電機即可驅(qū)動，因此，通過將高電壓蓄電池調(diào)整為高容量型蓄電池，可將其配裝于插電式混合動力車(PHEV)上進行推廣應(yīng)用，從2017年起已配裝于名為“Clarity”的PHEV并投放北美市場銷售。本田公司今后仍將通過提高i-MMD的效率，以及使裝置進一步小型化，提高商品性，為實現(xiàn)HEV與PHEV的普及而持續(xù)努力。