日本本田公司双电机混合动力系统的先进技术

概述

为满足日趋严格的环保法规的要求并合理应对资源短缺风险问题，降低汽车的燃油耗势在必行。日本本田公司一方面要最大限度地提高燃油经济性，另一方面则通过充分利用蓄电池驱动的电动汽车(EV)，以获得较好的行驶静音性、强劲的加速性，以及快速的扭矩响应等优点。目前已于2013年开发出插电式智能多模式驱动系统(i-MMD)，该系统作为双电机混合动力系统，具有与传统型内燃机+变速器系统驱动方式迥异的动力传动系统。

本田公司通过引进电驱系统的先进技术，于2016年成功开发了第二代i-MMD，又于2018年开发出了第三代i-MMD，实现了i-MMD系统的小型化并提高了性能。2018年发布的第三代i-MMD是通过装置小型化以提高标准部件商品性，同时兼顾高效率与静音性的目标而进行开发的，本文介绍了该技术的总体概况(图1)。


图1 本田公司的i-MMD外观

1 本田公司混合动力系统概要

i-MMD是以串联式混合动力为基础，同时可直接与发动机进行串联或并联。灵活运用如图2所示的3种驱动模式，最大限度地发挥发动机、电机等结构要素的潜能，实现了高效的能量管理。


图2 3种驾驶模式

EV的驱动模式是利用储存在高电压蓄电池中的电能而实现行驶的。避开热效率较低的发动机部分负荷下的运转工况，达到可提高低速工况下效率的目的。在减速时也可实现车辆的制动能量再生。

混合动力驱动模式是利用发动机发电以驱动电机行驶的模式(通常是在市区行驶或需要强劲加速动力时方才运用该模式)。主动利用热效率较高的发动机运行工况，达到在中、高车速区域高效运转的目标。

发动机驱动模式是指将发动机的驱动力直接传递到车轴的模式(在以中、高车速行驶时，通过降低传动摩擦以实现高效发动机运转)。高速巡航时车辆要求的功率与发动机高效区域相一致的情况下，可有效运用机械传动，以此提高系统效率。

有效利用高压蓄电池并通过电力辅助及充电功能，可以提升发动机高运行工况的利用频度，以及利用高功率电机以实现车辆强劲而顺畅的加速性能，兼顾了环保性能与驾驶体验。

2 电动式无级变速器(E-CVT)

i-MMD的E-CVT具有将2个电机(驱动电机和发电机)与发动机的动力直接传递到轮胎的直接连接离合器。驱动电机产生驱动力并可在制动时回收再生能量。发电机则通过发动机的输出功率进行发电，承担了为蓄电池充电及为驱动电机供电的功用(图3)。


图3 双电机E-CVT

E-CVT在有限的发动机机舱空间内需要安装2台电机，电机通常采用组合绕组结构，即从定子铁心的轴向插入成型的绕组(图4)。本绕组使用耐高压的绝缘线材，并进行高密度成形，使电位差较高的异相绕组实现紧密贴合，降低绕组过渡部分的高度。并且，由于绕组采用了符合槽形的扁平线材成型方式，通过提高绕组的占空因数，降低了定子的外径尺寸。采用这种新结构定子，有效实现了电机的小型化，相比传统电机，可以使全新开发的电机体积缩小达23%。


图4 电机绕组结构

第三代新型i-MMD电机，虽然其具有小型、高转矩、高输出功率的特性，但是根据稳定供给材料及材料成本的要求，避免选择含有重稀土的原材料，如镝(Dy)及铽(Tb)等元素，而是采用了热加工磁铁。该类磁铁相比添加了重稀土元素的传统型(Nd)磁铁，目前仍亟需解决高温环境下矫顽力降低的问题。为此，重新审定了磁铁及保有特定形状的磁力回路，以便维持所要求的输出功率，并提高磁铁的抗去磁特性，其结果表明，随着转矩-电流特性的提高，降低最大电流，由于抑制了施加在磁铁上的去磁因素，使抗去磁特性提高24%。同时，以降低转子中内置的磁铁温度为目的，采用了轴心冷却结构(图5)。运用经由转轴的离心力，对转子轭内供给机油，以实现更有效的磁铁冷却。由此，相比以往的电机可将磁铁的冷却性能提高23%，从而大幅降低了磁铁的工作温度。


图5 电机轴心冷却结构

由于利用磁力回路以提高抗去磁特性，同时利用轴心冷却结构以降低磁铁温度，实现了面向i-MMD用电机磁铁免除重稀土元素的应用(图6)。


图6 i-MMD中的重稀土类元素的使用比例

3 动力控制装置(PCU)

本装置是将高压蓄电池储存的电力逆变为交流电，并供给电机/发电机的动力模块等电气设备的集成单元(图7)。由于智能化动力装置(IPU)的小型化，在第三代i-MMD中，将第二代i-MMD中曾经位于IPU内的直流/直流(DC/DC)转换器布置于PCU中，而由于动力模块等系统的小型化，PCU本身尺寸并未得以扩大，为此可直接安装在E-CVT的上部。此外，IPU尺寸相应缩小了26.2%，质量降低了0.45 kg。


图7 PCU结构示意图

3.1 动力模块的小型化

本动力模块并未使用传统型的焊锡(软钎料)接合方式，而是采用了烧结接合工艺，使热阻降低10%，力求实现功率半导体芯片及动力模块的小型化。传统的焊锡接合，在焊锡熔融时会发生较大的孔隙，对其散热性能会造成不利的影响。第三代PCU，由于在芯片焊接工艺中，运用掺有银(Ag)纳米颗粒的烧结接合技术而减少了空隙(图8)。烧结接合工艺是利用纳米尺寸效应，在低于Ag熔点的温度下，实施烧结工艺。能在与锡焊接合相一致的接合温度下进行烧结处理。


图8 动力模块的冷却结构

3.2 电压控制装置(VCU)

i-MMD系统由电源电压对电机/发电机用驱动电压进行升压处理，以高效率、高输出功率状态进行运转。承担其升压功能的装置是配装于PCU内的VCU。VCU采用了全新的控制方式，即不同于传统的斩波器方式，而是融合了斩波器与电容器的变换方式。高压侧及低压侧分别设有2个电桥臂，按照180°错开脉冲宽度调制(PWM)的相位方式，使通往电抗器的弱脉动电流频率为载波频率的2倍，同时由于配装了可短期储存电荷的电容器(C0)，降低了面向电抗器的附加电压。因此相比传统方式，电感降低到原有的1/4，电抗器尺寸缩小65%(图9)。


图9 VCU工作方式

4 智能化动力模块(IPU)

以本田雅阁混合动力汽车(HEV)为代表的传统型HEV中，受车辆封装的制约，由高电压蓄电池所构成的IPU必须配装于行李舱内。与汽油车相比，行李舱容积以及使用便捷性相应受到了限制。因此，为了将其打造成与汽油车具有同等商品竞争力的普及型混合动力车型，新开发了可配装于后排座椅下的小型IPU。结果是其容积扩大约44%，可与汽油车相当，实现了大开口行李厢贯通结构(图10)。


图10 提高HEV商品性

4.1 IPU的功能

我国专业化管理机构建设稳步推进，不断完善和规范全流程的规章制度，但还需要进一步围绕科研服务需求，将有关制度规定整合衔接起来，并加快流程化、可视化和公开化工作，便于管理人员、申请人、评审人及公众掌握和遵循。


图11 IPU结构示意图

4.2 IPU的配装技术

后排座椅下配装IPU的空间是考虑了如图12所示的几种系统的制约而作出的决定。并且，IPU如要布置于边界范围之内，则需满足续航里程要求，并确保后排座椅的乘员空间以及考虑到车辆距地面的最低高度等因素。


图12 后排座位下的布置

为了实现IPU面向后排座椅下方的安装要求，应用了以下技术，包括将具有座椅定位功能的车体地板集成到IPU罩内的低车身化技术、削减蓄电池排气通道冷却结构的最佳化技术，以及提高蓄电池效率的小型化技术。尤其是在提高单电池工作效率方面，开发了全新的蓄电池模块结构，将每个电池模块的单电池层叠数由18个扩充到了36个。由于大幅度削减了蓄电池模块的附属零件，实现了小型化。而且，由于将以往内置于IPU中的DC/DC转换器的功能集成到PCU中而实现了整体化，即可将IPU配装于后排座椅下方。结果表明，其可实现与汽油车同等的行李厢容积，设计出了具备行李厢贯通结构的普及型高效率HEV。

5 发动机

作为采用了i-MMD的混合动力驱动模式，例如电动客车模式，发动机使用区域的设定自由度更大。因此，除了有效改善发动机的有效燃油消耗率(BSFC)之外，通常将BSFC的下止点区域作为工作线使用，并力求改善燃油经济性能。

采用了阿特金森循环及相关冷却方式的废气再循环(EGR)系统的车型力图优化2.0 L汽油机的热平衡，同时为改善发动机的BSFC，将提高理论热效率、降低热损失及降低机械损失等列为了改善BSFC的主要课题。同时为提高理论热效率，通过对进气门的镜面化处理，以及在排气门中填充钠(Na)，从而改善了抗爆燃性，并实现了高压缩比。由于增加了EGR气体引入量，采用了高流动性滚流进气道，实现了快速燃烧过程并有效降低热损失(图13)。引进了已在其他发动机本体结构中得以应用的低摩擦平磨加工工艺及低摩擦均衡轴等降低机械损失的技术。通过以上改善措施，使最小BSFC降至208.1 g/(kW·h)(最大热效率可达40.6%)，在相同的发动机运行工况，相比以往车型，改善后的BSFC可减少8 g/(kW·h)。


图13 提高进气流速

此外，由于快速燃烧的实现，使整机在广阔的区域内均有较好的BSFC。同时，在提高燃烧压力升高率的同时，发动机的振动问题也亟需解决。串联混合动力方式将发动机的最佳效率线设定为工作线，而在以往的车型中，该设定兼顾了发动机噪声的降低与燃油经济性的改善，结果如图14所示，工作线不能直接套用BSFC最低的工作区域。此次开发的发动机，为改善燃油耗，工作线要求能使用燃烧压力上升率较高的BSFC下止点区域。通过重新审定曲轴形状，降低了发动机的振动水平(图15)。由于BSFC能进一步改善，从而使工作线能逐渐移动到高扭矩侧，所以该部分发动机旋转时的振动水平得以全面降低，提高了整机加速的静音性。图14中的白色线表示混合动力驱动模式中的工作线，随着发动机单机BSFC的改善，考虑发动机工作线改善的HEV系统性能的提高，改善了车辆的实际性能。


图14 发动机燃油耗性能


图15 发动机噪声的降低

6 结语

本田i-MMD系统通过高功率电机进行驱动，可主动地在高效率区域使用发动机，能同时兼顾驾驶性以及环保性能。得益于长期以来各种设备的小型化，第三代i-MMD系统具有与汽油车同等的商业价值。此外，通过改善发动机的静音性，在发动机驱动模式下，也能提供更加高质量的加速体验。提高混合动力车的商品价值，同时可向更多客户提供备选方案，而且也优化了环境问题。

此外，i-MMD系统只通过高功率电机即可驱动，因此，通过将高电压蓄电池调整为高容量型蓄电池，可将其配装于插电式混合动力车(PHEV)上进行推广应用，从2017年起已配装于名为“Clarity”的PHEV并投放北美市场销售。本田公司今后仍将通过提高i-MMD的效率，以及使装置进一步小型化，提高商品性，为实现HEV与PHEV的普及而持续努力。