◆文/江蘇 高惠民

一、概述

目前，為應(yīng)對(duì)氣候變化和能源問題，需要燃油經(jīng)濟(jì)性更好和排放量更低的機(jī)動(dòng)車輛。本田汽車通過開發(fā)安裝在INSIGHT、CR-Z、FREED HYBRID和FIT HYBRID等車型上的Integrated Motor Assist（集成電機(jī)輔助，簡(jiǎn)稱IMA）系統(tǒng)來響應(yīng)降低油耗這些期望。此外本田還一直在開發(fā)燃料電池電動(dòng)汽車和電池電動(dòng)汽車（EV）這類高度先進(jìn)的零排放汽車。燃料電池電動(dòng)汽車使用氫氣作為燃料，使其與空氣中的氧氣發(fā)生反應(yīng)以產(chǎn)生電力并提供驅(qū)動(dòng)力。電池EV使用存儲(chǔ)在電池中的電力作為驅(qū)動(dòng)電源。它的優(yōu)點(diǎn)是在運(yùn)行時(shí)不排放廢氣，但電池EV面臨的一個(gè)問題是，與內(nèi)燃機(jī)汽車（ICEV）相比，它的行駛里程有限。

目前，加氫站和充電設(shè)施也并不多，在基礎(chǔ)設(shè)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(fā)了2014年款A(yù)ccord 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(dòng)汽車能夠在通勤、購物和其他此類日常短程用途。當(dāng)剩余電池容量減少時(shí)，車輛可以利用汽油中的能量在混合動(dòng)力模式下運(yùn)行。因此續(xù)航里程不受電池容量的限制。該車配備了新開發(fā)的SPORT HYBRID i-MMD系統(tǒng)（智能多模式混合驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)），具有更高的電動(dòng)傳動(dòng)比。其電機(jī)和功率控制單元（PCU）可以獲得增強(qiáng)的性能和效率，以實(shí)現(xiàn)更高的動(dòng)態(tài)性能以及油耗。在CD狀態(tài)下的油耗為115MPG（注CD:Charge Depleting電荷耗盡態(tài)，PHEV和BEV中電池的荷電態(tài)的描述語，在PHEV或BEV中，電池可以較為深度的進(jìn)行放電，SOC可以變化在0.2～0.9之間，故稱之為電荷耗盡態(tài)）。在CS狀態(tài)的油耗為46MPG（注CS:Charge sustaining， 電荷維持態(tài)，是HEV中電池的荷電態(tài)的描述語，因?yàn)樵贖EV中，電池是反復(fù)充電放電的過程，電池的SOC態(tài)維持在0.4～0.6之間，故稱之為電荷維持態(tài)），以及20.92km的EV行駛。本文將介紹這套系統(tǒng)新開發(fā)的電機(jī)和PCU的技術(shù)。

二、SPORT HYBRID i-MMD系統(tǒng)

圖1所示為SPORT HYBRID i-MMD系統(tǒng)動(dòng)力傳動(dòng)總成。電動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)內(nèi)置在電耦合CVT的中。PCU位于其上方。該系統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)是為混合動(dòng)力電動(dòng)汽車使用而開發(fā)的2.0L阿特金森循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)。圖2所示為SPORT HYBRID i-MMD系統(tǒng)為串并聯(lián)的三種運(yùn)行模式，即（1）EV驅(qū)動(dòng)模式；（2）混合動(dòng)力驅(qū)動(dòng)的串聯(lián)模式；（3）發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的并聯(lián)方式，即采用發(fā)動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)車輛。

圖1 混合動(dòng)力總成

圖2 運(yùn)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(jī)扭矩通過齒輪傳遞到驅(qū)動(dòng)軸。在EV驅(qū)動(dòng)模式下，車輛由電機(jī)驅(qū)動(dòng)，發(fā)動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)關(guān)閉。在混合動(dòng)力的串聯(lián)驅(qū)動(dòng)模式下，發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩傳遞到發(fā)電機(jī)并轉(zhuǎn)換為電能，電機(jī)使用該電能驅(qū)動(dòng)車輛。在發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)模式下，內(nèi)置在電耦合CVT中的超速擋離合器接合，發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩傳遞到驅(qū)動(dòng)軸。高速大負(fù)荷時(shí)電機(jī)使用電池能量參與驅(qū)動(dòng)車輛。選擇模式以在各種操作條件下最小化燃料消耗。EV驅(qū)動(dòng)模式用于在低負(fù)載下啟動(dòng)車輛，在高負(fù)載或加速時(shí)使用混合驅(qū)動(dòng)模式，高速巡航時(shí)使用發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)模式。在該系統(tǒng)中，電機(jī)作用于驅(qū)動(dòng)車輛和再生制動(dòng)，而PCU執(zhí)行電力轉(zhuǎn)換和電壓控制。

圖3 電耦合CVT動(dòng)力傳遞路線

三、電機(jī)

在SPORT HYBRID i-MMD系統(tǒng)下，電機(jī)需要在整個(gè)驅(qū)動(dòng)力范圍內(nèi)驅(qū)動(dòng)車輛。車輛的加速性能和最高速度取決于電機(jī)扭矩、輸出特性和最大轉(zhuǎn)子速度，而電機(jī)效率對(duì)油耗影響很大。因此需要高扭矩、高輸出、高效率的電機(jī)。在最大的電機(jī)速度下，轉(zhuǎn)子強(qiáng)度成為一個(gè)問題，因此需要采取措施來減少轉(zhuǎn)子應(yīng)力。此外，更高的電機(jī)輸出伴隨著電機(jī)發(fā)熱的增加，因此需要冷卻系統(tǒng)以確保穩(wěn)定的驅(qū)動(dòng)力。為了實(shí)現(xiàn)115MPGe（CD）的油耗和更高的動(dòng)態(tài)性能，是車輛的性能目標(biāo)，電機(jī)的開發(fā)目標(biāo)性能值如表1所示。

表1 電機(jī)的目標(biāo)性能

1.提高電機(jī)運(yùn)行效率

電機(jī)的轉(zhuǎn)矩特性以及電機(jī)的高效區(qū)和正常運(yùn)行時(shí)的運(yùn)行區(qū)如圖4所示。在城市道路行駛時(shí)，電機(jī)在低負(fù)荷區(qū)域運(yùn)行頻率較高。而高速巡航時(shí)，車輛將運(yùn)行在發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)模式，電機(jī)將在零扭矩附近運(yùn)行。常規(guī)電機(jī)在高輸出范圍內(nèi)具有高效區(qū)，而HV電機(jī)要有效利用高效區(qū)，旨在提高低負(fù)荷區(qū)域的效率，以提高正常運(yùn)行期間的效率。電機(jī)中的損耗可分為發(fā)生在線圈中的銅損和發(fā)生在鐵芯電工鋼中的鐵損。在低負(fù)荷區(qū)，鐵損占較大比例，為了提高低負(fù)荷區(qū)的效率，必須降低鐵損。因此為了有效的減少低負(fù)荷區(qū)域的鐵損，減少電工鋼的質(zhì)量和減少磁通量，則通過采用磁阻轉(zhuǎn)矩和提高電壓來實(shí)現(xiàn)。

圖4 電機(jī)扭矩性能和工作區(qū)域

2.利用磁阻轉(zhuǎn)矩

磁阻轉(zhuǎn)矩是利用轉(zhuǎn)子的磁凸角的轉(zhuǎn)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(jī)扭矩，更大的緊湊性減少鐵芯的質(zhì)量，將實(shí)現(xiàn)鐵損的減少。同時(shí)，采用新型內(nèi)置永磁同步電機(jī)，定子繞組選用分布式繞組。電機(jī)的剖視圖如圖5所示，為了最大限度地發(fā)揮磁阻轉(zhuǎn)矩效應(yīng)，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(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)增加，從而導(dǎo)致電機(jī)聲音變大。角度α是考慮到電機(jī)轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)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(duì)于轉(zhuǎn)子位置的時(shí)序。當(dāng)電流相位為0°時(shí)，磁體轉(zhuǎn)矩最大。開發(fā)的電機(jī)在當(dāng)前相位為55°時(shí)達(dá)到最大扭矩。實(shí)現(xiàn)了最大轉(zhuǎn)矩比磁體轉(zhuǎn)矩大82%且高比率磁阻轉(zhuǎn)矩磁路。

圖5 電機(jī)的剖視圖

圖6 不同電流相位角下的電機(jī)扭矩特性

3.提高電壓

電機(jī)高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生弱磁電流。此外，低于特定電壓時(shí)，產(chǎn)生的輸出會(huì)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(shí)鐵芯磁通密度達(dá)到飽和的區(qū)域，增加扭矩，減輕電工鋼的重量。這樣做會(huì)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(jī)的工作電壓，電壓升高由內(nèi)置在PCU中的電壓控制單元（VCU）執(zhí)行。施加電壓為700V時(shí)，與300V相比，輸出增加了50%以上，在不擴(kuò)大電機(jī)本體的情況下實(shí)現(xiàn)了124kW的最大輸出（電機(jī)電壓和轉(zhuǎn)矩特性如圖7所示）。

圖7 電機(jī)電壓與扭矩特性

4.提高轉(zhuǎn)子速度

當(dāng)電機(jī)的轉(zhuǎn)子達(dá)到高轉(zhuǎn)速時(shí)，轉(zhuǎn)子需要更堅(jiān)固，而強(qiáng)度就成了問題。在高速下，磁鐵的徑向離心力會(huì)增加。這會(huì)導(dǎo)致在V形磁鐵中心的中心肋和它們兩側(cè)的側(cè)肋中出現(xiàn)高應(yīng)力。減小應(yīng)力的一種有效方法是增加每個(gè)肋的寬度，但這會(huì)導(dǎo)致磁體漏磁增加，從而降低電機(jī)轉(zhuǎn)矩。為了解決這些問題，在轉(zhuǎn)子軛結(jié)構(gòu)中制造了狹縫。圖8所示為兩種模擬應(yīng)力分布在轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)過程中對(duì)比分析。采用狹縫結(jié)構(gòu)，在狹縫附近使用低剛性鋼，使集中在磁鐵外側(cè)的側(cè)肋處的應(yīng)力降低了53%，結(jié)果是提高了轉(zhuǎn)子速度而無需增加側(cè)肋的寬度。

圖8 轉(zhuǎn)子軛模擬應(yīng)力分布對(duì)比

5.電機(jī)冷卻系統(tǒng)

構(gòu)建了油冷卻系統(tǒng)，以確保電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行。圖9所示為冷卻系統(tǒng)，圖10所示為電機(jī)冷卻系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。由電耦合CVT內(nèi)部的機(jī)械損耗以及電機(jī)中產(chǎn)生的銅損和鐵損所產(chǎn)生的熱量被吸入自動(dòng)變速器油（ATF）的冷卻介質(zhì)中，并輸送到ATF冷卻器進(jìn)行釋放熱量。電機(jī)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(tǒng)的結(jié)構(gòu)使電機(jī)能夠穩(wěn)定運(yùn)行。

圖9 冷卻系統(tǒng)框圖

圖10 電機(jī)冷卻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

四、控制單元

PCU（動(dòng)力控制單元）負(fù)責(zé)對(duì)電池、電機(jī)和發(fā)電機(jī)執(zhí)行電力轉(zhuǎn)換功能，它影響電機(jī)輸出和油耗。PCU體積大小和安裝位置也會(huì)影響機(jī)艙機(jī)艙空間。為了提供與傳統(tǒng)汽油動(dòng)力車輛相同的駕駛室空間，PCU必須與車輛電氣系統(tǒng)的12V電池一起安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)。為了實(shí)現(xiàn)車輛的目標(biāo)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(jù)表2中所示的目標(biāo)性能值開發(fā)的。

表2 PCU的目標(biāo)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(nèi)部配置。PCU組件包括智能功率模塊（IPM）、控制電動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)的ECU、電容器、電抗器和電流傳感器。IPM由通過開關(guān)轉(zhuǎn)換電流的電源模塊（P/M）、用于開關(guān)控制的柵極驅(qū)動(dòng)器（G/D）和用于電壓控制單元（VCU）的ECU組成。將電機(jī)、發(fā)電機(jī)、VCU的P/M、G/D、VCU ECU集成封裝，實(shí)現(xiàn)了部件的通用化和更大的緊湊性。在電容器方面，電機(jī)、發(fā)電機(jī)、VCU的次級(jí)平滑電容器的功能集成，以及VCU初級(jí)平滑電容器和噪聲濾波器的集成封裝，實(shí)現(xiàn)了更好的緊湊性。通過增強(qiáng)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(shí)現(xiàn)了更高的輸出能力。

圖11 PCU框圖

圖12 PCU配置

2.增強(qiáng) IPM 以實(shí)現(xiàn)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(jī)、發(fā)電機(jī)電壓?jiǎn)卧?。?dāng)施加到P/M上的電壓或電流增加時(shí)，P/M內(nèi)部的芯片會(huì)產(chǎn)生更多熱量。如果增加更多的芯片數(shù)量會(huì)增加PCU的體積。為了達(dá)到增加輸出和減少PCU體積的目標(biāo)，增強(qiáng)P/M的散熱，減少了芯片的溫度和數(shù)量。圖14顯示了P/M基板的結(jié)構(gòu)。傳統(tǒng)的基板結(jié)構(gòu)是絕緣基板和散熱板通過焊錫連接，基板之間通過導(dǎo)熱膠連接到散熱片。這里采用的散熱結(jié)構(gòu)取消了散熱板和導(dǎo)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(jié)構(gòu)的情況下，絕緣基板和散熱器之間的線性傳導(dǎo)差異對(duì)焊料造成比傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)更大的應(yīng)力，但這里的結(jié)構(gòu)采用高強(qiáng)度無鉛焊料以確保耐用性，與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的相比較，采用直冷結(jié)構(gòu)，散熱性能提高了24%，芯片更少，更緊湊（圖15）。

圖14 PM基板的結(jié)構(gòu)

圖15 P/M基板冷卻與電機(jī)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(nèi)部端子結(jié)構(gòu)。傳統(tǒng)的端子結(jié)構(gòu)具有與陰端子側(cè)與陽端子的接觸區(qū)域配合，并在一個(gè)方向上夾緊以提供接觸區(qū)域。然而，在這里陽端子被制成圓柱體，該圓柱體與陰端子側(cè)的接觸區(qū)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?qū)⒔佑|電阻減半，支持因電流增加而產(chǎn)生的更高輸出，并使PCU足夠緊湊以安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)艙中。與傳統(tǒng)連接器相比，每安培的重量和體積減少了30%，同時(shí)允許電流增加了一倍。

圖16 高壓連接器結(jié)構(gòu)

4.增強(qiáng)IPM以提高效率

IPM的開關(guān)元件采用了能夠?qū)崿F(xiàn)大功率、高速開關(guān)的絕緣柵雙極晶體管（IGBT）。IGBT性能是對(duì)PCU效率影響較大的因素之一。本系統(tǒng)中的IPM實(shí)現(xiàn)了IGBT的損耗降低。這里采用的IGBT具有位于表面結(jié)構(gòu)中的P基極和不同位置的柵極（圖17）。這結(jié)構(gòu)不會(huì)失去載流子收集效應(yīng)，同時(shí)增強(qiáng)導(dǎo)通di/dt的可控性和實(shí)現(xiàn)低電阻N漂移層的應(yīng)用。這限制了關(guān)斷期間的振蕩，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了9%的器件厚度減小和損耗特性降低20%。

圖17 IGBT的結(jié)構(gòu)

五、性能

圖18顯示了使用PCU實(shí)現(xiàn)的電機(jī)性能和電機(jī)效率。采用最大輸出400kVA和電壓升至700V的PCU，實(shí)現(xiàn)電機(jī)最大扭矩307N·m，最大輸出124kW，最大速度12 584r/min。電機(jī)和PCU共同實(shí)現(xiàn)了96%的最大效率。此外，通過控制電壓使電機(jī)高效區(qū)最大化，將高效區(qū)擴(kuò)大到的低負(fù)載區(qū)，在正常工作區(qū)也實(shí)現(xiàn)更高的效率。

圖18 PCU的電機(jī)性能和效率

六、結(jié)論

開發(fā)電機(jī)和PCU是為了在駕駛樂趣與應(yīng)對(duì)氣候變化和能源問題的措施之間取得平衡。這實(shí)現(xiàn)了以下目標(biāo)：

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

（2）通過減少應(yīng)力的轉(zhuǎn)子狹縫結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)更高的轉(zhuǎn)子速度；

（3）通過油冷系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)電機(jī)的穩(wěn)定驅(qū)動(dòng)；

（4）通過安裝VCU將系統(tǒng)電壓提高到700V，通過增強(qiáng)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(tǒng)一具有相同功能的部件來增強(qiáng)PCU的緊湊性；

（6）采用低損耗IGBT提高IPM效率和緊湊。