为紧凑车型而生，本田新款飞度混合动力电机技术介绍

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引言
本田第4代新款飞度(Fit)的混合动力车型采用了名为“e:HEV”的双电机混合动力系统，该系统在大多数日常驾驶场景中都使用电机行驶。新款飞度搭载了原先用于中型车的双电机混合动力系统，电机线圈的绝缘涂层采用PI材料。通过提高磁路的转矩特性、取消铁芯铆扣、改变磁钢分割方向、改善电流控制方式等手段使电机损耗降低14%，从而实现小型化。



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e:HEV系统简介

本田于2013年发售的第3代飞度混合动力系统是单电机系统(i-DCD)，但2020年2月上市的第4代新款飞度的混合动力车型采用的系统是由原先在雅阁、Insight等中型车上配套的双电机系统(i-MMD)升级而来(系统名称“e:HEV”)。
动力单元由1.5L阿特金森循环DOHC i-VTEC发动机与双电机混合动力系统相结合。包括附件在内，尺寸相对于原先用于中型车的双电机混合动力系统在横向和纵向都缩短了20%以上。


发动机(左)与混合动力变速箱(右) / 内置于混合动力变速箱的驱动电机(左)和发电机(右)
e:HEV搭载一个发电机(Generator)和一个驱动电机(Traction motor)。驱动电机与驱动轴直接连接，负责驱动力的产生与制动时的能量回收，发电机则负责电池的充电以及为驱动电机供电。
e:HEV系统的驱动模式包含以下3种：

1. 电池带动驱动电机行驶的EV Drive模式。

2. 在发动机最高效率区域带动发电机，为电池充电，利用行驶用驱动电机行驶的Hybrid Drive模式。
3. 利用发动机动力行驶的Engine Drive模式。

e:HEV系统的驱动模式
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驱动电机的升级

为了给紧凑车型搭载双电机混合动力系统，需要缩短横向宽度，缩小电机尺寸。同时，扭矩下降和热容量降低会导致温度上升，为了防止驾驶性能受限，需要在整体上降低损耗。另外，还要提高在纯电行驶时的NVH性能。
电机规格方面，与同样搭载i-MMD双电机混合动力系统的Accord Hybrid相比，最大输出功率从135kW降低至80kW，最大扭矩从315Nm减小至253Nm。

驱动电机新旧设计对比i-MMD电机及发电机定子的外径尺寸均为268mm、线圈端高度均为21mm，所以应该是同一制造工艺生产。
定子铁芯厚度从61.5mm降低至55.5mm，降低了约10%，在热容量下降的情况下为了确保扭矩，采取了如下对策。

1. 通过调整转子磁路的磁钢位置以及降低肋宽，提高转矩常数(同一电流下获得更大扭矩)。

2. 使用相对介电常数较低的绝缘涂层来减少电磁线的涂层厚度，从而增加导体截面积，降低铜损。
3. 取消定子叠片铆扣，以及通过改变转子磁钢的分割方向，从而减少涡流，降低高转速区域的损耗。
4. 除了传统PWM控制电机的方式以外，还采取单脉冲控制方式。并在共振频率带以外进行控制，兼顾了损耗降低和振动噪音。



驱动电机外观

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磁路形状

新款飞度配套的e:HEV系统的电机定子外径与双电机混合动力系统i-MMD一致，但铁芯厚度、磁路形状不同。

为了在减小电流的同时确保扭矩，磁路设计通过调节磁铁位置并减小肋宽度，形成高扭矩特性，提高了转矩常数。

仔细观察新旧磁路(左下图)变化的话，会发现转子磁钢附近的空隙(磁通屏障)部分具有承受离心力的磁肋。


磁路形状的新旧比较 / 驱动用电机的扭矩与电流关系转子高速旋转时，由于磁钢和接近外径的铁芯部分的离心力会增加，为了防止变形设置磁肋，虽然为了保证强度需要一定宽度，但由于会形成磁路，所以需要尽可能细。如果磁肋宽度变窄应力就会变大，但通过调整左右磁铁的安装角度与空气层构成的磁通屏障形状，可以兼顾转子轭部强度与性能。本田的磁路设计中，通过将该宽度缩小0.2mm，可减少磁通量短路，同时通过将磁铁移动至靠外径一侧，提高了磁通密度，从而提高转矩常数，减少4%的电流。

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新型绕组绝缘薄膜

驱动电机、发电机的绕组涂层材料从原先的PAI+PEEK变为带有气泡的PI(推测是住友电工Wintec制造的聚酰亚胺空孔扁平线这种新型电磁线)。
定子绕组采用了横截面为矩形的扁线，提高了槽满率。为了扩大电磁线的导体截面积，有以下2种方法：
1. 减小薄膜厚度。2. 减少定子齿宽，增加插槽宽度。但减少齿宽会导致磁通密度饱和，从而降低输出扭矩，因此本田采取了减小薄膜厚度的方法来解决。


定子线圈部分横截面图 / 定子内径一侧(发电机)
e:HEV系统的电机搭载了升压变压器，使用电压570V高于172V的电池电压，这需要确保高电压绝缘。
高电压带来电磁线绕组间电位差变高，薄膜之间的空隙很可能就会产生局部放电，如果放电状态持续，薄膜会逐渐被腐蚀，最终可能造成绝缘破坏。

而且汽车考虑到高海拔(气压低)和高低温等环境影响，需要采取不会发生局部放电的绝缘设计。

绝缘薄膜的局部放电起始电压由薄膜的厚度与相对介电常数来决定，要降低薄膜厚度就需要降低相对介电常数。

e:HEV系统的电机开发中需要提高槽满率，降低损耗，而要扩大电机绕组导体截面积的6%需要减少18%的涂层厚度，也就是需要相对介电常数在2.7及以下的绝缘材料。

相对介电常数在2.7及以下的绝缘树脂一般采用聚乙烯(PE)和聚丙烯(PP)，但这两种材料耐热性较差，不适用于电机领域。因此，本田着眼于相对介电常数为1.0的气体，通过在耐热性较高的绝缘树脂中形成气泡，降低相对介电常数的方法开发了绝缘树脂。基础的绝缘树脂采用耐热性为250℃，相对介电常数也较低的聚酰亚胺(PI)，实现了2.7及以下(2.4)的相对介电常数。


电磁线涂层薄膜的部分放电及涂层腐蚀
绝缘树脂中形成的气泡如果连通就会造成绝缘破坏，电压下降及机械强度下降。通过采用能形成具有外轮廓气泡的材料，实现了独立的气泡。
右下图是绝缘树脂SEM(扫描电子显微镜)图片，各气泡上有外轮廓，可以看到无连通的独立气泡。提高气泡率(体积比率)有利于绝缘性，但在线圈成型时涂层上会产生应变，应力的集中可能会造成断裂，因此将气泡率保持在15%～33%，兼顾绝缘性和加工性。


各类绝缘树脂的耐热性 / 电磁线绝缘树脂的SEM图片
e:HEV系统的电机绕组与i-MMD一样，采用将4根扁线预先成型为单元线圈之后再进行组装的方式。


定子与成型后的单元线圈 / 驱动电机定子外观

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定子铁芯取消铆扣

定子铁芯是通过硅钢片叠压的方式组装，如果只是打孔的话，只是一片片独立的铁板，因此一般都是通过铆扣加焊接的工艺固定，保持层压的状态。为了减少涡流的产生，硅钢片表面上有很薄的绝缘涂层，但铆扣会破坏绝缘涂层，焊接会导致片与片之间相连，产生涡电流的短路，从而导致更大的短路回路，造成涡电流损耗变大。



铆接和焊接部分产生的涡流

传统电机一般会同时采用铆接和焊接来固定铁芯，此次开发的电机则未通过铆扣来固定定子铁芯，只在铁芯外径一侧相对磁通量较少的位置进行焊接，降低了涡流的短路回路。(左下图)


定子的焊接部分 / 通过铆接、焊接来降低涡流
像这样取消定子铁芯的铆扣，焊接处也选择在磁通量较少的部位，可以大幅降低铆接与焊接之间产生的涡流损耗。(右上图)

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改变磁钢的切割方向

e:HEV的电机为永磁同步电机，定子线圈产生的旋转磁场除了基频以外还有谐波成分，转子的钕磁铁是导体，会产生涡电流，从而导致损耗的产生。为减少涡电流而分割磁铁，但以往都是按照层压方向(轴向)来进行分割的。
此次的电机采取的工艺是将分割的磁铁进行粘合，插入转子并固定，通过采取涡电流路径较短的周向磁铁分割，来降低涡流损耗。



磁钢分割方向产生的涡流差异

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升级电流控制

逆变器通过PWM(脉冲宽度调制)来控制电机驱动电流的大小。通过降低开关频率，逆变器损耗会降低，但电流波形的失真会变严重，谐波成分会增加，电机损耗会增加。此外，定子环形振动模态与开关频率形成共振的话，会对车辆NVH性能造成影响。
e:HEV系统同时考虑到了降低损耗和静谧性，采用了不与电机共振频率相同的开关频率。

电机转速与载波频率
使用永磁体的同步电机在转子旋转时，磁通量会与定子线圈交链发电，从而产生反电动势。转速越高，电压接近电源电压时，驱动电流就无法流动，虽然可以通过弱磁控制扩大输出功率范围，但损耗也会相应增加。

提高逆变器电压利用率后，在高转速时也能流通驱动电流。这可以降低损耗。原先作为提高电压利用率的策略，采用过调制PWM控制，此次在部分领域采用单脉冲控制(将ON状态持续一定时间的方式)，将电机损耗降低了2%。

单脉冲控制在相同的直流电源电压下与PWM和过调制PWM相比，可以得到较大的波峰值，但由于波形是矩形波，因此电机输入电流失真，从而导致NVH性能较差。


提高电压利用率此次的系统采用了可降低高转速损耗的单脉冲控制，通过限定使用范围，兼顾了降低损耗和静谧性。


电机转速与噪音水平 / 考虑到噪音的PWM与单脉冲控制的区别

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降低损耗的效果

e:HEV系统的驱动电机采用以高扭矩特性为目标的磁路设计，通过改善电磁线涂层，扩大导体截面积，取消固定铁芯的铆扣，改变磁铁分割方向，增加单脉冲控制来改善电流控制等手段来降低损耗，使电机损耗在JC08工况下合计降低14%。

此外，在降低损耗的同时，电机的最高效率达到了97.8%，在几乎覆盖了所有城市运行工况范围的区域内实现了95%以上的平均效率。


降低电机损耗的效果 / 电机效率MAP

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Q&A

Q: 14%的损耗降低效果是在JC08工况下，在WLTP工况下的损耗降低效果呢？

A: 相对于JC08，WLTP高速工况更多，单脉冲控制的范围更广，所以降低损耗的效果会更大。
Q: 无铆接的组装工艺的缺点是什么？
A: 取消铆点后，铁芯的刚度会下降，所以会增加定子制造工艺难度，但通过制造工艺技术升级已解决这一问题，通过调整焊接条件，内径一侧也不会打开。
Q: 有些领域未将单脉冲控制用来应对噪音和振动，对热管理要求较高的领域会有问题吗？A: 本次演讲中只说明了共振，但是也关注了热方面，在高速行驶的工况点等采取单脉冲控制。

来源: 本田、2020年秋季汽车技术学术演讲会图片：Marklines未经允许，禁止转载