本田i-MMD混合动力系统及其优化
本田i-MMD混合动力系统及其优化
本田开发的SPORT HYBRID i-MMD（智能多模式驱动）的高效双电机混合系统，搭载在Accd车型上。这个系统可以根据行车条件切换三种驱动模式：EV驱动、混合驱动和发动机驱动。可以帮助提高39%的燃油效率。
本文以SPORT HYBRID i-MMD插电式为例介绍了新开发的双电机混合系统的目标和特点，并讨论提高效率、确保可靠性和性能的控制系统。
以前的IMA系统利用轻型和紧凑的混合动力系统的特点，提高了小型汽车燃油经济性。但是，中型和大型汽车也需要提高燃料经济性，以减少未来的环境污染。因此新开发了双电机混合动力系统SPORT HYBRID i-MMD，其目的是高效率。该系统根据驾驶条件，切换EV驱动、混合动力驱动和发动机驱动三种模式。与IMA系统相比，其具有以下特点：
（1）扩大了EV驱动范围，更高的效率
（2）扩大能使发动机高效运行的区间
（3）更有效地减速能量回收
该系统能够实现良好的燃料经济性。但是比IMA系统更大，并且需要协调操作以维持足够的性能，同时遵守各种限制条件以保证可靠性。相应地开发了控制系统，通过在不同环境和驾驶条件下对系统的适当控制，同时实现燃油经济性和性能目标。
系统总体配置
图1显示了SPORT HYBRID i-MMD系统的主要组件。
电耦合CVT：包含两个电动机（电动机和发电机）和一个离合器，内置在变速器壳体中，与专为HEV开发的阿特金森循环发动机一起，布置在发动机舱。
电力控制单元（PCU）：包含一个提升锂离子电池电压的电压控制单元，一个用于控制电动机和发电机的电机控制单元，以及一个位于电耦合CVT上方的变频器。
智能供电装置（IPU）：位于后座椅后方，包含一个锂离子电池，一个DC/DC转换器和一个控制锂离子电池和DC/DC转换器的电池控制单元。插电式混合动力车辆还配备了专用的大容量锂离子电池和高输出车载充电器，可以在EV驾驶模式下实现10英里或更远的范围内的城市内驾驶。
动力系统概览
图2是动力系统的概览，其由2.0L直列4缸发动机和电耦合CVT单元组成。
这种阿特金森（Atkinson）循环发动机采用VTEC，电动VTC和冷却EGR，并且减少了摩擦，与以前的2.0L发动机相比，能够实现105kW的高输出，提高10%的效率（BSFC）。 电机实现了124 kW的高输出和96%（最大）的高效率，通过使用增压器来增加电压并利用磁阻转矩。 表1列出了动力传动总成的主要参数。
插电式混动运行模式
插电式混合运行分为以下两种模式：
第一种模式称为电量消耗模式（CD模式）。 该模式主要通过插入式充电使存储在锂离子电池中的电能来执行EV驱动。通过设置发动机起动的高阈值，CD模式扩大了EV驱动操作范围，并且能确保13英里的EV驱动范围，如图3所示。
第二种模式称为电量保持模式（CS模式）。 在此模式下，当锂离子电池的充电状态（SOC）低于指定值时，汽车将使用汽油作为能源，以使SOC保持在规定范围内。 换句话说，汽车使用混合动力运行。
驱动模式概览
图4显示了SPORT HYBRID i-MMD系统的驱动模式类型。该系统有三种驱动模式，通过根据驱动条件选择合适的驱动模式，系统效率得到提高。
第一种模式称为EV驱动模式。在这种模式下，车辆通过电动机使用存储在锂电池中的电力来驱动。
第二模式被称为混合动力驱动模式。在该模式中，发动机动力通过发电机转换为电力，并且车辆通过使用该电力的电动机行进（系统作为串联混合动力）。当发电机产生的电力比电动机消耗的电力小时，将通过锂电池放电来补偿。当发电机产生过量的电力时，多余的电力将被充进锂电池。
第三种模式称为发动机驱动模式。在这种模式下，发动机和车轴使用离合器在固定传动比时进行耦合，并且车轮直接由发动机进行驱动（系统作为并联混合动力）。在这种情况下，电机执行辅助和充电功能，可以从锂电池（辅助）放电，或充电到锂电池。
接下来将讲述本田雅阁i-MMD混动系统控制策略的优化，以及对发动机和电动机的优化方式
本田雅阁i-MMD混合动力系统的结构
iMMD系统构型如下图：
该系统由阿特金森循环发动机、离合器、双电机组成，三轴布置。发动机通过离合器连接到发动机输出轴，在离合器前通过齿轮与发电机连接;电动机直接连接电机输出轴;在发动机输出轴和电机输出轴之间有第三根轴，这根轴将动力传递到车轮。
驱动模式
纯电动模式，即EV drive。该模式下发动机不工作，离合器断开，电机通过齿轮机构直接输出转矩;
串联混合动力模式，即Hybrid drive。该模式下发动机通过发电机发电，离合器断开，电机通过齿轮机构输出转矩;
并联混合动力模式，即Engine drive。该模式下发动机直接输出转矩，离合器结合，电机同时输出转矩。
以上三个模式就是雅阁iMMD（intelligent Multi-Modes Drive）系统的Multi-Modes，那么i所代表的intelligent在哪里呢？i体现在本田对控制策略的优化。
iMMD系统控制策略优化
iMMD系统在三个运行模式间通过两种方式来进一步提升经济性：
（1） 在每一个模式下尽可能提高燃油经济性;
（2） 切换模式来提高燃油经济性。
? 在每一个模式下尽可能提高燃油经济性
在Hybrid/Engine drive模式中，在原有工况的基础上，控制器通过改变发动机/电机工作点，进一步提升发动机效率，如图：
图示是发动机的MAP图，横坐标为转速、纵坐标为转矩，颜色冷暖表示了发动机的输出效率。蓝色和黄色的点分别是电池不输出能量进行调整时的发动机工作点。红色的点是调整后的发动机工作点。
Hybrid Drive 模式下，发动机和车轮实际上是机械解耦的，为了让发动机工作在最佳燃油经济性的位置上。驱动电机的需求功率由电池弥补。
Engine Drive 模式下，发动机与电机同时驱动，此时让发电机和驱动电机参与调节发动机的工作点，使发动机工作在最佳燃油经济性的位置。
?切换模式来提高燃油经济性
（1） EV mode 和 Hybrid drive mode的切换
在EV与Hybrid两种模式之间，iMMD采用了一种间断式的混动策略intermittent hybrid mode），即电池部分参与供电，这样的策略车辆在低速/低负荷工况，最多能提升50%;而在高速/高负荷工况下，经济性则没有明显提升，部分工况能效反而下降。
（2） Hybrid drive mode 和 Engine drive mode 的切换
在Hybrid与Engine两种混动模式中，发动机和电机的工作点也并不是完全由工况决定的。从巡航速度缓慢加速，engine drive mode 效率更高，比hybrid mode 最多提升12%;激烈驾驶时，hybrid drive mode 效率更高。
iMMD系统部件优化：发动机
本田iMMD系统采用了阿特金森循环发动机。阿特金森循环发动机的特点：经济性好，动力性差。但以上特点尤其适用于混合动力，动力性的缺点可以由电动机来弥补。
iMMD阿特金森循环发动机实现方法：通过设计两种凸轮（VTEC+EVTC），动力凸轮和经济性凸轮（Output Cam/FE Cam），使之分别在启动工况和大转矩工况和正常驾驶工况运行，实际上凸轮的切换也实现了奥托循环和阿特金森循环（米勒循环）的切换。
凸轮型线与原理：经济性凸轮的进气门开启时间延长（wide duration）。通过进气门晚关，将进气冲程吸入的气体在压缩冲程又排出去一部分，造成膨胀比大于压缩比的阿特金森循环的效果。
动力凸轮和经济性凸轮的效果：经济性凸轮动力性明显下降，但经济性水平上升。
iMMD系统部件优化：电动机
? 初代iMMD永磁同步电机设计
手段1：提高磁阻转矩（reluctance tque）
城市工况中低负荷的工作点比较多，需要降低电磁转矩（magnet tque）增加磁阻转矩（reluctance tque）。因为在低转矩工况下，磁通量波动（magnetic flux fluctuation）产生的铁损不可忽视。
改造磁钢位置，提升的磁阻转矩将整个电机的输出转矩最高增高了82%。
手段2：高电压
为了实现驱动电机的小型化，同时保证驱动电机的功率，最大电压达到700V（对比第三代普锐斯采用了同样的手段，最大驱动电压是650V）
手段3：提高电机转速
增速降扭是普锐斯和雅阁的通用手段，更小的转矩意味着更小的电机尺寸，进而使得电机的功率密度有所上升，所带来的代价是必须要设计更高的转子强度以及更有效的冷却手段来保证电机在高速下稳定运行。
因此为了保证电机在高转速下结构安全，在转子上设计了一些槽，降低53%的应力。
同时设计了冷却管路，避免高温下永磁体退磁，该管路将变速器油引到电机与发电机处
值得一提的是，这样的冷却管路制造并非易事，其所需要的冷却油泵可能只有NSK可以生产。
新一代iMMD永磁同步电机改造手段
手段1：定子绕线的重新设计
由圆形细线改为方形粗线，槽型也改为方形，这样可以填入更大面积的导线，槽满率上升，电机尺寸可以相应减小
手段2：漆包线的改进
为增强绝缘性，在原有的漆包线外再增加一层树脂
使用粉末喷涂技术，在线圈两端覆盖绝缘层，与浸漆工艺相比：在机械强度、附着力、耐腐蚀、耐老化等方面更优，成本也在同效果的浸漆工艺之下
手段3：单层绕线→双层绕线——减小体积
线圈更加致密，高度降低，端部高度减小10%，端部损耗同样减小
手段4：减小功率配件尺寸
由于绕线方式和线形的改变，相应接线工艺也得以改进，电机端部轴向尺寸减小17%
手段5：改变转子磁钢分布
增加两条肋，进一步提升转子强度
改造效果：
（1） 重量体积均减小23%，非常了不起;
（2） 最大转矩307Nm→315Nm，最大功率124kW→135kW;
（3） 效率几乎不变
综上所述，雅阁混合动力系统iMMD所实现的低油耗涉及到发动机、电机、控制系统的诸多关键技术。