本田i-MMD混合動力系統PCU和電機的開發

◆文/江蘇 高惠民

一、概述

目前，為應對氣候變化和能源問題，需要燃油經濟性更好和排放量更低的機動車輛。本田汽車通過開發安裝在INSIGHT、CR-Z、FREED HYBRID和FIT HYBRID等車型上的Integrated Motor Assist（集成電機輔助，簡稱IMA）系統來響應降低油耗這些期望。此外本田還一直在開發燃料電池電動汽車和電池電動汽車（EV）這類高度先進的零排放汽車。燃料電池電動汽車使用氫氣作為燃料，使其與空氣中的氧氣發生反應以產生電力并提供驅動力。電池EV使用存儲在電池中的電力作為驅動電源。它的優點是在運行時不排放廢氣，但電池EV面臨的一個問題是，與內燃機汽車（ICEV）相比，它的行駛里程有限。

目前，加氫站和充電設施也并不多，在基礎設施完善之前，很難做到更廣泛的使用。為了解決這些問題，本田開發了2014年款Accord Plug-in Hybrid。其電池可以通過家庭電源或其他類似電源充電，使電動汽車能夠在通勤、購物和其他此類日常短程用途。當剩余電池容量減少時，車輛可以利用汽油中的能量在混合動力模式下運行。因此續航里程不受電池容量的限制。該車配備了新開發的SPORT HYBRID i-MMD系統（智能多模式混合驅動系統），具有更高的電動傳動比。其電機和功率控制單元（PCU）可以獲得增強的性能和效率，以實現更高的動態性能以及油耗。在CD狀態下的油耗為115MPG（注CD:Charge Depleting電荷耗盡態，PHEV和BEV中電池的荷電態的描述語，在PHEV或BEV中，電池可以較為深度的進行放電，SOC可以變化在0.2～0.9之間，故稱之為電荷耗盡態）。在CS狀態的油耗為46MPG（注CS:Charge sustaining， 電荷維持態，是HEV中電池的荷電態的描述語，因為在HEV中，電池是反復充電放電的過程，電池的SOC態維持在0.4～0.6之間，故稱之為電荷維持態），以及20.92km的EV行駛。本文將介紹這套系統新開發的電機和PCU的技術。

二、SPORT HYBRID i-MMD系統

圖1所示為SPORT HYBRID i-MMD系統動力傳動總成。電動機和發電機內置在電耦合CVT的中。PCU位于其上方。該系統發動機是為混合動力電動汽車使用而開發的2.0L阿特金森循環發動機。圖2所示為SPORT HYBRID i-MMD系統為串并聯的三種運行模式，即（1）EV驅動模式；（2）混合動力驅動的串聯模式；（3）發動機驅動的并聯方式，即采用發動機直接驅動車輛。

圖1 混合動力總成

圖2 運行模式

圖3所示為電耦合CVT和各種模式下的傳輸路徑的截面圖。電機扭矩通過齒輪傳遞到驅動軸。在EV驅動模式下，車輛由電機驅動，發動機和發電機關閉。在混合動力的串聯驅動模式下，發動機扭矩傳遞到發電機并轉換為電能，電機使用該電能驅動車輛。在發動機驅動模式下，內置在電耦合CVT中的超速擋離合器接合，發動機扭矩傳遞到驅動軸。高速大負荷時電機使用電池能量參與驅動車輛。選擇模式以在各種操作條件下最小化燃料消耗。EV驅動模式用于在低負載下啟動車輛，在高負載或加速時使用混合驅動模式，高速巡航時使用發動機驅動模式。在該系統中，電機作用于驅動車輛和再生制動，而PCU執行電力轉換和電壓控制。

圖3 電耦合CVT動力傳遞路線

三、電機

在SPORT HYBRID i-MMD系統下，電機需要在整個驅動力范圍內驅動車輛。車輛的加速性能和最高速度取決于電機扭矩、輸出特性和最大轉子速度，而電機效率對油耗影響很大。因此需要高扭矩、高輸出、高效率的電機。在最大的電機速度下，轉子強度成為一個問題，因此需要采取措施來減少轉子應力。此外，更高的電機輸出伴隨著電機發熱的增加，因此需要冷卻系統以確保穩定的驅動力。為了實現115MPGe（CD）的油耗和更高的動態性能，是車輛的性能目標，電機的開發目標性能值如表1所示。

表1 電機的目標性能

1.提高電機運行效率

電機的轉矩特性以及電機的高效區和正常運行時的運行區如圖4所示。在城市道路行駛時，電機在低負荷區域運行頻率較高。而高速巡航時，車輛將運行在發動機驅動模式，電機將在零扭矩附近運行。常規電機在高輸出范圍內具有高效區，而HV電機要有效利用高效區，旨在提高低負荷區域的效率，以提高正常運行期間的效率。電機中的損耗可分為發生在線圈中的銅損和發生在鐵芯電工鋼中的鐵損。在低負荷區，鐵損占較大比例，為了提高低負荷區的效率，必須降低鐵損。因此為了有效的減少低負荷區域的鐵損，減少電工鋼的質量和減少磁通量，則通過采用磁阻轉矩和提高電壓來實現。

圖4 電機扭矩性能和工作區域

2.利用磁阻轉矩

磁阻轉矩是利用轉子的磁凸角的轉矩。一般來說，磁通很容易通過鐵，但不容易通過空氣和磁鐵。材料通過磁通量的難易程度差異越大，磁吸引力越大。如果可以使用該力，則可以在不增加磁體扭矩的情況下增加電機扭矩，更大的緊湊性減少鐵芯的質量，將實現鐵損的減少。同時，采用新型內置永磁同步電機，定子繞組選用分布式繞組。電機的剖視圖如圖5所示，為了最大限度地發揮磁阻轉矩效應，磁鐵以V形排列放置。V形中的角度α越小，扭矩越大。然而，這也會導致轉矩脈動增加，從而導致電機聲音變大。角度α是考慮到電機轉矩和轉矩脈動而確定的。不同電流相位角下的扭矩（圖6）電流相位角表示交流電相對于轉子位置的時序。當電流相位為0°時，磁體轉矩最大。開發的電機在當前相位為55°時達到最大扭矩。實現了最大轉矩比磁體轉矩大82%且高比率磁阻轉矩磁路。

圖5 電機的剖視圖

圖6 不同電流相位角下的電機扭矩特性

3.提高電壓

電機高速運轉時，會產生弱磁電流。此外，低于特定電壓時，產生的輸出會受到線圈中電感分量的限制。為了減少鐵損，線圈繞組增加到最大電流通過時鐵芯磁通密度達到飽和的區域，增加扭矩，減輕電工鋼的重量。這樣做會存在電感增加的問題和輸出減少。為了解決這些問題，提高了電機的工作電壓，電壓升高由內置在PCU中的電壓控制單元（VCU）執行。施加電壓為700V時，與300V相比，輸出增加了50%以上，在不擴大電機本體的情況下實現了124kW的最大輸出（電機電壓和轉矩特性如圖7所示）。

圖7 電機電壓與扭矩特性

4.提高轉子速度

當電機的轉子達到高轉速時，轉子需要更堅固，而強度就成了問題。在高速下，磁鐵的徑向離心力會增加。這會導致在V形磁鐵中心的中心肋和它們兩側的側肋中出現高應力。減小應力的一種有效方法是增加每個肋的寬度，但這會導致磁體漏磁增加，從而降低電機轉矩。為了解決這些問題，在轉子軛結構中制造了狹縫。圖8所示為兩種模擬應力分布在轉子旋轉過程中對比分析。采用狹縫結構，在狹縫附近使用低剛性鋼，使集中在磁鐵外側的側肋處的應力降低了53%，結果是提高了轉子速度而無需增加側肋的寬度。

圖8 轉子軛模擬應力分布對比

5.電機冷卻系統

構建了油冷卻系統，以確保電機穩定運行。圖9所示為冷卻系統，圖10所示為電機冷卻系統的結構。由電耦合CVT內部的機械損耗以及電機中產生的銅損和鐵損所產生的熱量被吸入自動變速器油（ATF）的冷卻介質中，并輸送到ATF冷卻器進行釋放熱量。電機在ATF中得到冷卻。ATF從位于線圈上方的管道中滴落。這種冷卻系統的結構使電機能夠穩定運行。

圖9 冷卻系統框圖

圖10 電機冷卻系統結構

四、控制單元

PCU（動力控制單元）負責對電池、電機和發電機執行電力轉換功能，它影響電機輸出和油耗。PCU體積大小和安裝位置也會影響機艙機艙空間。為了提供與傳統汽油動力車輛相同的駕駛室空間，PCU必須與車輛電氣系統的12V電池一起安裝在發動機艙內。為了實現車輛的目標輸出和油耗，并確保駕駛室空間，需要提供更高輸出、更高效率和更緊湊的PCU。PCU是根據表2中所示的目標性能值開發的。

表2 PCU的目標性能

1.PCU輸出和緊湊性

PCU輸出和緊湊性框圖如圖11所示。圖12所示為PCU的內部配置。PCU組件包括智能功率模塊（IPM）、控制電動機和發電機的ECU、電容器、電抗器和電流傳感器。IPM由通過開關轉換電流的電源模塊（P/M）、用于開關控制的柵極驅動器（G/D）和用于電壓控制單元（VCU）的ECU組成。將電機、發電機、VCU的P/M、G/D、VCU ECU集成封裝，實現了部件的通用化和更大的緊湊性。在電容器方面，電機、發電機、VCU的次級平滑電容器的功能集成，以及VCU初級平滑電容器和噪聲濾波器的集成封裝，實現了更好的緊湊性。通過增強IPM的散熱以及在直流和三相交流部分使用具有承受高電流能力的高壓連接器，實現了更高的輸出能力。

圖11 PCU框圖

圖12 PCU配置

2.增強 IPM 以實現更高的輸出和更大的緊湊性

圖13所示為 IPM 的配置圖。

圖13 IPM配置

IPM由P/M、G/D和VCU ECU、散熱器等組成，用于電機、發電機電壓單元。當施加到P/M上的電壓或電流增加時，P/M內部的芯片會產生更多熱量。如果增加更多的芯片數量會增加PCU的體積。為了達到增加輸出和減少PCU體積的目標，增強P/M的散熱，減少了芯片的溫度和數量。圖14顯示了P/M基板的結構。傳統的基板結構是絕緣基板和散熱板通過焊錫連接，基板之間通過導熱膠連接到散熱片。這里采用的散熱結構取消了散熱板和導熱膏，而是將絕緣基板通過焊料直接連接到散熱片上，用于直冷式P/M。在直接冷卻結構的情況下，絕緣基板和散熱器之間的線性傳導差異對焊料造成比傳統結構更大的應力，但這里的結構采用高強度無鉛焊料以確保耐用性，與傳統結構的相比較，采用直冷結構，散熱性能提高了24%，芯片更少，更緊湊（圖15）。

圖14 PM基板的結構

圖15 P/M基板冷卻與電機工作的特性比較

3.具有高電流能力的高壓連接器

圖16所示為連接到PCU的直流和三相交流連接器的內部端子結構。傳統的端子結構具有與陰端子側與陽端子的接觸區域配合，并在一個方向上夾緊以提供接觸區域。然而，在這里陽端子被制成圓柱體，該圓柱體與陰端子側的接觸區域配合，具有圓弧的橫截面，并朝中心夾緊，以便接觸的接觸面積增加。這些措施能夠將接觸電阻減半，支持因電流增加而產生的更高輸出，并使PCU足夠緊湊以安裝在發動機艙中。與傳統連接器相比，每安培的重量和體積減少了30%，同時允許電流增加了一倍。

圖16 高壓連接器結構

4.增強IPM以提高效率

IPM的開關元件采用了能夠實現大功率、高速開關的絕緣柵雙極晶體管（IGBT）。IGBT性能是對PCU效率影響較大的因素之一。本系統中的IPM實現了IGBT的損耗降低。這里采用的IGBT具有位于表面結構中的P基極和不同位置的柵極（圖17）。這結構不會失去載流子收集效應，同時增強導通di/dt的可控性和實現低電阻N漂移層的應用。這限制了關斷期間的振蕩，同時實現了9%的器件厚度減小和損耗特性降低20%。

圖17 IGBT的結構

五、性能

圖18顯示了使用PCU實現的電機性能和電機效率。采用最大輸出400kVA和電壓升至700V的PCU，實現電機最大扭矩307N·m，最大輸出124kW，最大速度12 584r/min。電機和PCU共同實現了96%的最大效率。此外，通過控制電壓使電機高效區最大化，將高效區擴大到的低負載區，在正常工作區也實現更高的效率。

圖18 PCU的電機性能和效率

六、結論

開發電機和PCU是為了在駕駛樂趣與應對氣候變化和能源問題的措施之間取得平衡。這實現了以下目標：

（1）通過使用磁阻轉矩和提高電壓，使電機獲得更高的轉矩、更高的輸出和更高的效率；

（2）通過減少應力的轉子狹縫結構實現更高的轉子速度；

（3）通過油冷系統實現電機的穩定驅動；

（4）通過安裝VCU將系統電壓提高到700V，通過增強IPM散熱和采用具有大電流能力的高壓連接器來提高PCU輸出；

（5）通過提高IPM散熱性能和統一具有相同功能的部件來增強PCU的緊湊性；

（6）采用低損耗IGBT提高IPM效率和緊湊。