本田i-MMD混動系統電機開發

文 彥 東

（中國第一汽車股份有限公司新能源開發院，長春 130011）

主題詞：混合動力系統 電機 i-MMD PCU

1 前言

為了應對氣候變化和能源問題，需要開發低排放和更加節油的新能源汽車。本田公司一直致力于混合動力車研發，2017款雅閣混合動力車升級雙電機式混合動力機構“i-MMD”，大幅減小電機、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，本田發布其在美國和中國市場主力車型“雅閣”的換代產品，繼續提供混合動力車型，并計劃推出基于全新平臺設計的混合動力汽車。本文重點介紹本田開發的智能多模驅動系統（i-MMD），該系統具有更高的電傳動比、更高的功率和效率，是混和動力市場上非常具有代表性的產品，對我國混動系統開發也具有借鑒意義[1]。

2 本田i-MMD混合動力系統概述

2016款雅閣混動轎車i-MMD系統主要由阿特金森（Atkinson）循環發動機、電動無級變速器e-CVT（內置發電機、驅動電機、超越離合器及平行軸系及齒輪、主減速器及差速器總成等）和動力電池總成等組成[2]。

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

（1）純電動模式，即EV drive，該模式下發動機不工作，離合器斷開，驅動電機通過齒輪機構直接輸出轉矩。

圖1 本田i-MMD混合動力系統[3]

圖3 發動機效率MAP圖[6]

（2）串聯混合動力模式，即Hybrid drive，該模式下發動機通過發電機發電，離合器斷開，驅動電機通過齒輪機構輸出轉矩。

（3）并聯混合動力模式，即Engine drive，該模式下發動機直接輸出扭矩，離合器結合，驅動電機同時輸出轉矩，以上三個模式就是雅閣i-MMD(intelligent Multi-Modes Drive)系統所謂的多模式[4]。

圖2 i-MMD工作模式[5]

驅動電機轉矩通過齒輪傳遞到驅動軸。在純電動模式，車輛由驅動電機單獨驅動，發動機和發電機關閉。在混合驅動模式，發動機扭矩傳遞到發電機并被轉換為電能，驅動電機輸出轉矩驅動車輛。在發動機驅動模式，集成于e-CVT內的超越離合器結合，發動機輸出的扭矩直接驅動整車。以油耗最優和不同工作條件為目標選擇不同的工作模式。在小負荷起動車輛使用純電動模式；在高負荷和加速時，使用混動驅動模式；在高速行駛時使用發動機驅動模式。

i-MMD系統在三個運行模式間通過兩種方式來進一步提升經濟性：

（1）在每一個模式下盡可能提高燃油經濟性;

（2）切換模式來提高燃油經濟性。

首先，在Hybrid/Engine drive模式中，在原有工況的基礎上，控制器通過改變發動機和驅動電機工作點，進一步提升發動機效率。

發動機的MAP如圖3所示，橫坐標為轉速、縱坐標為扭矩，顏色深淺表示了發動機的輸出效率高低。“△”和“□”的點分別是電池不輸出能量時的發動機工作點，“○”的點是驅動電機介入、調整后的發動機工作點。

Hybrid Drive模式下，車輪是機械解耦的，不是發動機直接驅動的[5]。為達到最佳的發動機工作燃油經濟性，按整車需求功率和發動機輸出功率調整驅動電機的工作點位置，同時監測電池SOC，決定對電池充放電。如整車需求功率大，而發動機輸出功率無法滿足，則由電池放電驅動電機補充不足的功率。反之則發動機輸出的多余功率給電池充電。

Engine Drive模式下，電機與發動機同時工作，驅動車輛，此時調節發動機和驅動電機工作點，讓發動機工作在最佳燃油經濟性區域[5]。

其次是通過切換模式來提高燃油經濟性，在純電動與串聯兩種模式之間，i-MMD采用了一種間斷式的混動策略（Intermittent hybrid mode），即電池部分參與供電，這樣的策略車輛在低速/低負荷工況，相對沒有模式切換的工況最多能提升50%系統效率。i-MMD阿特金森循環發動機使用兩種不同的凸輪來保證動力性和經濟性最佳。一般情況下，動力性凸輪在啟動工況和大扭矩工況下使用，而經濟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現了奧托循環和阿特金森循環的切換[5]。經濟性凸輪的進氣門開啟時間延長。通過進氣門晚關，將進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的效果。

整車加速性能和最高車速取決于驅動電機的轉矩和轉速，驅動電機系統的效率對燃油經濟性有很大的影響。對于高速行駛工況，發動機直接驅動，驅動電機工作在零轉矩模式，這部分區域恰恰是電機系統的低效區，為了提高效率，必須降低驅動電機損耗。電機損耗分為銅損和鐵損，銅損主要損耗在定子線圈上，鐵損主要體現在定轉子的硅鋼片上。在低負荷區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，通過采用磁阻轉矩和升壓技術可以達成上述目標。驅動電機采用的是“V”型磁鋼布置，磁鋼夾角和磁阻轉矩大小直接相關，夾角越小，磁阻轉矩越大，帶來的負面影響是轉矩波動大，可能導致振動噪聲大。因此，磁鋼夾角的確定需要綜合考慮磁阻轉矩和轉矩波動。

為了實現驅動電機的小型化和高功率，高壓化是重要技術方案，因此，該系統采用了高壓方案，其最大電壓達到700 V。電機系統的功率是轉速和轉矩的乘積，同樣的功率提高轉速就可以降低系統的扭矩需求，電機大小和轉矩大小成正比，更小的轉矩意味著更小的電機尺寸，尺寸越小，電機系統材料用量越少，從而成本更低。但因高功率的需求，在轉矩變小情況下，電機轉速必須成倍的升高，高速化帶來的挑戰就是要設計更高的轉子強度以及更有效的冷卻手段來保證電機在高速下穩定運行。

由于高速化，內嵌于轉子槽內的永磁體將受到很大的離心力作用，應力主要集中在轉子外圓隔磁橋和兩個磁鋼中間的肋部，增加隔磁橋和肋部厚度可以提高轉子強度，但是卻會產生更大的漏磁，導致輸出功率和轉矩降低。因此為了保證電機在高轉速下結構強度，在轉子軛部設計了一些狹長的細槽，通過這樣的設計降低了53%的應力，見圖4。

圖4 壓力分布仿真云圖[7]

3 新一代i-MMD永磁同步電機設計改進

3.1 方形導線技術

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

圖5 定子線圈由圓導線改為方導線[8]

3.2 高絕緣性漆包線

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

3.3 雙層繞線

最新一代的雅閣驅動電機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。

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

4 結論及啟示

目前本田的雅閣已經是第十代，使用的是第三代的i-MMD混動系統，油耗低于5 L/100km，本田為新能源的混合動力汽車提出了創新的技術路線。為應對日本許多混合動力車型行駛品質相對一般的問題，本田新的一批混合動力車型除了節能性之外，還強調了行駛品質和駕乘樂趣等等，這也得益于其優異的性能和獨特的構型。本田的i-MMD混動系統將激發整個新能源車企的競爭，促進所有整車廠技術進步和節能減排，提升了汽車行業進步和技術創新水平。