本田i-MMD混合动力系统PCU和电机的开发

2022-01-26江苏高惠民

汽车维修与保养 2021年10期

◆文/江苏高惠民

一、概述

目前，为应对气候变化和能源问题，需要燃油经济性更好和排放量更低的机动车辆。本田汽车通过开发安装在INSIGHT、CR-Z、FREED HYBRID和FIT HYBRID等车型上的Integrated Motor Assist（集成电机辅助，简称IMA）系统来响应降低油耗这些期望。此外本田还一直在开发燃料电池电动汽车和电池电动汽车（EV）这类高度先进的零排放汽车。燃料电池电动汽车使用氢气作为燃料，使其与空气中的氧气发生反应以产生电力并提供驱动力。电池EV使用存储在电池中的电力作为驱动电源。它的优点是在运行时不排放废气，但电池EV面临的一个问题是，与内燃机汽车（ICEV）相比，它的行驶里程有限。

目前，加氢站和充电设施也并不多，在基础设施完善之前，很难做到更广泛的使用。为了解决这些问题，本田开发了2014年款Accord Plug-in Hybrid。其电池可以通过家庭电源或其他类似电源充电，使电动汽车能够在通勤、购物和其他此类日常短程用途。当剩余电池容量减少时，车辆可以利用汽油中的能量在混合动力模式下运行。因此续航里程不受电池容量的限制。该车配备了新开发的SPORT HYBRID i-MMD系统（智能多模式混合驱动系统），具有更高的电动传动比。其电机和功率控制单元（PCU）可以获得增强的性能和效率，以实现更高的动态性能以及油耗。在CD状态下的油耗为115MPG（注CD:Charge Depleting电荷耗尽态，PHEV和BEV中电池的荷电态的描述语，在PHEV或BEV中，电池可以较为深度的进行放电，SOC可以变化在0.2～0.9之间，故称之为电荷耗尽态）。在CS状态的油耗为46MPG（注CS:Charge sustaining，电荷维持态，是HEV中电池的荷电态的描述语，因为在HEV中，电池是反复充电放电的过程，电池的SOC态维持在0.4～0.6之间，故称之为电荷维持态），以及20.92km的EV行驶。本文将介绍这套系统新开发的电机和PCU的技术。

二、SPORT HYBRID i-MMD系统

图1所示为SPORT HYBRID i-MMD系统动力传动总成。电动机和发电机内置在电耦合CVT的中。PCU位于其上方。该系统发动机是为混合动力电动汽车使用而开发的2.0L阿特金森循环发动机。图2所示为SPORT HYBRID i-MMD系统为串并联的三种运行模式，即（1）EV驱动模式；（2）混合动力驱动的串联模式；（3）发动机驱动的并联方式，即采用发动机直接驱动车辆。

图1 混合动力总成

图2 运行模式

图3所示为电耦合CVT和各种模式下的传输路径的截面图。电机扭矩通过齿轮传递到驱动轴。在EV驱动模式下，车辆由电机驱动，发动机和发电机关闭。在混合动力的串联驱动模式下，发动机扭矩传递到发电机并转换为电能，电机使用该电能驱动车辆。在发动机驱动模式下，内置在电耦合CVT中的超速挡离合器接合，发动机扭矩传递到驱动轴。高速大负荷时电机使用电池能量参与驱动车辆。选择模式以在各种操作条件下最小化燃料消耗。EV驱动模式用于在低负载下启动车辆，在高负载或加速时使用混合驱动模式，高速巡航时使用发动机驱动模式。在该系统中，电机作用于驱动车辆和再生制动，而PCU执行电力转换和电压控制。

图3 电耦合CVT动力传递路线

三、电机

在SPORT HYBRID i-MMD系统下，电机需要在整个驱动力范围内驱动车辆。车辆的加速性能和最高速度取决于电机扭矩、输出特性和最大转子速度，而电机效率对油耗影响很大。因此需要高扭矩、高输出、高效率的电机。在最大的电机速度下，转子强度成为一个问题，因此需要采取措施来减少转子应力。此外，更高的电机输出伴随着电机发热的增加，因此需要冷却系统以确保稳定的驱动力。为了实现115MPGe（CD）的油耗和更高的动态性能，是车辆的性能目标，电机的开发目标性能值如表1所示。

表1 电机的目标性能

1.提高电机运行效率

电机的转矩特性以及电机的高效区和正常运行时的运行区如图4所示。在城市道路行驶时，电机在低负荷区域运行频率较高。而高速巡航时，车辆将运行在发动机驱动模式，电机将在零扭矩附近运行。常规电机在高输出范围内具有高效区，而HV电机要有效利用高效区，旨在提高低负荷区域的效率，以提高正常运行期间的效率。电机中的损耗可分为发生在线圈中的铜损和发生在铁芯电工钢中的铁损。在低负荷区，铁损占较大比例，为了提高低负荷区的效率，必须降低铁损。因此为了有效的减少低负荷区域的铁损，减少电工钢的质量和减少磁通量，则通过采用磁阻转矩和提高电压来实现。

图4 电机扭矩性能和工作区域

2.利用磁阻转矩

磁阻转矩是利用转子的磁凸角的转矩。一般来说，磁通很容易通过铁，但不容易通过空气和磁铁。材料通过磁通量的难易程度差异越大，磁吸引力越大。如果可以使用该力，则可以在不增加磁体扭矩的情况下增加电机扭矩，更大的紧凑性减少铁芯的质量，将实现铁损的减少。同时，采用新型内置永磁同步电机，定子绕组选用分布式绕组。电机的剖视图如图5所示，为了最大限度地发挥磁阻转矩效应，磁铁以V形排列放置。V形中的角度α越小，扭矩越大。然而，这也会导致转矩脉动增加，从而导致电机声音变大。角度α是考虑到电机转矩和转矩脉动而确定的。不同电流相位角下的扭矩（图6）电流相位角表示交流电相对于转子位置的时序。当电流相位为0°时，磁体转矩最大。开发的电机在当前相位为55°时达到最大扭矩。实现了最大转矩比磁体转矩大82%且高比率磁阻转矩磁路。

图5 电机的剖视图

图6 不同电流相位角下的电机扭矩特性

3.提高电压

电机高速运转时，会产生弱磁电流。此外，低于特定电压时，产生的输出会受到线圈中电感分量的限制。为了减少铁损，线圈绕组增加到最大电流通过时铁芯磁通密度达到饱和的区域，增加扭矩，减轻电工钢的重量。这样做会存在电感增加的问题和输出减少。为了解决这些问题，提高了电机的工作电压，电压升高由内置在PCU中的电压控制单元（VCU）执行。施加电压为700V时，与300V相比，输出增加了50%以上，在不扩大电机本体的情况下实现了124kW的最大输出（电机电压和转矩特性如图7所示）。

图7 电机电压与扭矩特性

4.提高转子速度

当电机的转子达到高转速时，转子需要更坚固，而强度就成了问题。在高速下，磁铁的径向离心力会增加。这会导致在V形磁铁中心的中心肋和它们两侧的侧肋中出现高应力。减小应力的一种有效方法是增加每个肋的宽度，但这会导致磁体漏磁增加，从而降低电机转矩。为了解决这些问题，在转子轭结构中制造了狭缝。图8所示为两种模拟应力分布在转子旋转过程中对比分析。采用狭缝结构，在狭缝附近使用低刚性钢，使集中在磁铁外侧的侧肋处的应力降低了53%，结果是提高了转子速度而无需增加侧肋的宽度。

图8 转子轭模拟应力分布对比

5.电机冷却系统

构建了油冷却系统，以确保电机稳定运行。图9所示为冷却系统，图10所示为电机冷却系统的结构。由电耦合CVT内部的机械损耗以及电机中产生的铜损和铁损所产生的热量被吸入自动变速器油（ATF）的冷却介质中，并输送到ATF冷却器进行释放热量。电机在ATF中得到冷却。ATF从位于线圈上方的管道中滴落。这种冷却系统的结构使电机能够稳定运行。

图9 冷却系统框图

图10 电机冷却系统结构

四、控制单元

PCU（动力控制单元）负责对电池、电机和发电机执行电力转换功能，它影响电机输出和油耗。PCU体积大小和安装位置也会影响机舱机舱空间。为了提供与传统汽油动力车辆相同的驾驶室空间，PCU必须与车辆电气系统的12V电池一起安装在发动机舱内。为了实现车辆的目标输出和油耗，并确保驾驶室空间，需要提供更高输出、更高效率和更紧凑的PCU。PCU是根据表2中所示的目标性能值开发的。

表2 PCU的目标性能

1.PCU输出和紧凑性

PCU输出和紧凑性框图如图11所示。图12所示为PCU的内部配置。PCU组件包括智能功率模块（IPM）、控制电动机和发电机的ECU、电容器、电抗器和电流传感器。IPM由通过开关转换电流的电源模块（P/M）、用于开关控制的栅极驱动器（G/D）和用于电压控制单元（VCU）的ECU组成。将电机、发电机、VCU的P/M、G/D、VCU ECU集成封装，实现了部件的通用化和更大的紧凑性。在电容器方面，电机、发电机、VCU的次级平滑电容器的功能集成，以及VCU初级平滑电容器和噪声滤波器的集成封装，实现了更好的紧凑性。通过增强IPM的散热以及在直流和三相交流部分使用具有承受高电流能力的高压连接器，实现了更高的输出能力。

图11 PCU框图

图12 PCU配置

2.增强 IPM 以实现更高的输出和更大的紧凑性

图13所示为 IPM 的配置图。

图13 IPM配置

IPM由P/M、G/D和VCU ECU、散热器等组成，用于电机、发电机电压单元。当施加到P/M上的电压或电流增加时，P/M内部的芯片会产生更多热量。如果增加更多的芯片数量会增加PCU的体积。为了达到增加输出和减少PCU体积的目标，增强P/M的散热，减少了芯片的温度和数量。图14显示了P/M基板的结构。传统的基板结构是绝缘基板和散热板通过焊锡连接，基板之间通过导热胶连接到散热片。这里采用的散热结构取消了散热板和导热膏，而是将绝缘基板通过焊料直接连接到散热片上，用于直冷式P/M。在直接冷却结构的情况下，绝缘基板和散热器之间的线性传导差异对焊料造成比传统结构更大的应力，但这里的结构采用高强度无铅焊料以确保耐用性，与传统结构的相比较，采用直冷结构，散热性能提高了24%，芯片更少，更紧凑（图15）。

图14 PM基板的结构

图15 P/M基板冷却与电机工作的特性比较

3.具有高电流能力的高压连接器

图16所示为连接到PCU的直流和三相交流连接器的内部端子结构。传统的端子结构具有与阴端子侧与阳端子的接触区域配合，并在一个方向上夹紧以提供接触区域。然而，在这里阳端子被制成圆柱体，该圆柱体与阴端子侧的接触区域配合，具有圆弧的横截面，并朝中心夹紧，以便接触的接触面积增加。这些措施能够将接触电阻减半，支持因电流增加而产生的更高输出，并使PCU足够紧凑以安装在发动机舱中。与传统连接器相比，每安培的重量和体积减少了30%，同时允许电流增加了一倍。

图16 高压连接器结构

4.增强IPM以提高效率

IPM的开关元件采用了能够实现大功率、高速开关的绝缘栅双极晶体管（IGBT）。IGBT性能是对PCU效率影响较大的因素之一。本系统中的IPM实现了IGBT的损耗降低。这里采用的IGBT具有位于表面结构中的P基极和不同位置的栅极（图17）。这结构不会失去载流子收集效应，同时增强导通di/dt的可控性和实现低电阻N漂移层的应用。这限制了关断期间的振荡，同时实现了9%的器件厚度减小和损耗特性降低20%。

图17 IGBT的结构

五、性能

图18显示了使用PCU实现的电机性能和电机效率。采用最大输出400kVA和电压升至700V的PCU，实现电机最大扭矩307N·m，最大输出124kW，最大速度12 584r/min。电机和PCU共同实现了96%的最大效率。此外，通过控制电压使电机高效区最大化，将高效区扩大到的低负载区，在正常工作区也实现更高的效率。