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本田i-MMD混合动力系统技术分析 第一财经在线直播

来源:股票资讯 作者:佚名 浏览量:211

1.本田i-MMD - IMA混合动力系统的过去寿命

90年代后期,本田开始探索新的动力形式。1997年,本田在东京车展上展示了一款名为VX的混合动力车。1999年,本田首款混动车型INSIGHT(参数|图片)推出。第一代INSIGHT采用三门两厢车型,采用1.0L三缸发动机,配以电机动力布置,以2.8L/100KM的超低油耗成为当时全球油耗最低的量产车。

除了这款车,综合汽车辅助系统(IMA)是一个综合汽车动力系统,主要由发动机提供动力。紧凑型轻型盘式永磁电机可用作三缸发动机的辅助动力、起动电机和平衡器。

与丰田的THS不同,它使用行星齿轮分流器来整合发动机和发电机的功率,本田采用P2电机模式。所谓P2电机,就是在变速箱的前端设置一个电机,数字2代表电机的位置。这种电机布置不仅适用于前驱动的小型汽车平台,也适用于前后驱动和前四轮驱动的大中型汽车平台。由于电机安装在发动机后面和变速箱前端,电机与发动机变速箱同轴,采用同轴扭矩耦合方式。加速时,电机可叠加发动机的扭矩,只需断开发动机即可实现纯电动驱动,电机的动力通过变速箱的换挡实现多级调速,充分发挥电机效率。

IMA系统的设计非常巧妙,因为电机功率小,体积小,所以可以很好地集成在发动机舱内。同时,电机在系统中的位置很低,类似于48V BSG电机的功能。区别在于系统切换到工作模式而不是配电模式。简单来说,本田IMA混合动力系统有五种工作模式,其中发动机和电机在初始加速阶段、快速加速阶段和高速行驶阶段协同工作,可以提高车辆的动态性能。车辆低速行驶时,发动机气缸关闭,车辆完全可以靠电力驱动,但车速不能高于40 km/h左右,车辆处于普通加速阶段,完全由发动机驱动,电机停止工作,发动机动能用于充电。

这个系统有一个很大的问题,就是上面说的发动机停机全电驱动的工况。事实上,当发动机关闭时,供油系统和进排气系统都会关闭。这时电机和曲轴连接,电机实际上是驱动曲轴旋转,输出动力。这个时候会消耗更多的能量,纯电的里程很低。

IMA的出现标志着本田在混合动力领域的正式努力,也是本田的起点。此外,该系统的许多研发理念,包括集成和小型化,对iMMD系统产生了深远的影响。

图1.0 IMA混合系统

1.1.i-MMD混合动力系统(运动型混合智能多模式驱动)

随着技术的创新和市场的变化,本田显然意识到了IMA的局限性。与此同时,与丰田的THS相比,本田的IMA就不能占便宜了。一种效率更高、动力更好的混合动力系统即将问世,即本田I-MMD(智能多模式驱动)系统。

第一代MMD系统于2010年发布,由2.0L自然吸气发动机和双电机驱动。根据布局结构,可以分为两部分:一部分是位于发动机舱内的动力系统和传动系统,另一部分是位于汽车后部(后备箱和后桥之间)的动力电池装置。

2014年,第二代混合动力系统正式上线,大大提高了三电系统的输出和储能,实现了更多工况下的纯电驱动。

2017年,第十代雅阁(parameter | picture)在北美市场推出,第三代i-MMD混合动力系统也同时搭载在新车上,于2018年引入中国。

图1.1 MMD混合系统

1.2.本田第三代i-MMD混合动力系统结构

目前,i-MMD混合动力系统已经发展到第三代,主要由阿特金森循环发动机、电动无级变速器E-CVT(内置发电机、驱动电机、超越离合器和并联轴系及齿轮、主减速器和差速器总成等组成。),动力电池组件,动力控制单元PCU等。与第二代相比,最大的变化是发动机、无稀土电机和更紧凑的IPU(智能动力单元(IPU))。

最新的第三代i-MMD混合动力系统可以根据不同的路况自动判断驱动电机和发动机的优秀区域,并通过一系列电子控制逻辑在两个电机和发动机之间分配功率。它不再强调速度对节能的影响,还试图让驾驶变得轻松有趣。

1.3.本田2.0L阿特金森循环双顶置凸轮轴1-VTEC发动机

在第三代i-MMD系统上,本田优化了2.0L阿特金森循环发动机,压缩比提高到13.5:1。为了防止高压缩比引起的爆震,本田在这台发动机上使用了充钠阀。通过许多细节的优化,发动机的热效率从38.9%提高到40.6%。

该发动机是直列四缸自然吸气发动机。结构如图1.3.1所示。它采用双顶置凸轮轴(DOHC),进气门可变气门升程和正时VTEC系统,以及电动进气门可变气门正时i-VTC系统。安装了电子控制EGR系统,并使用了电动冷却液泵。虽然本田称之为阿特金森循环发动机,但严格意义上应该是米勒循环发动机。米勒循环通过延迟进气门的关闭来实现压缩过程中气流的“回流”功能,从而减少泵送损失,降低压缩比。

图1.3丰田2.5L阿特金森循环发动机结构

安装电控EGR系统,该系统由电动废气再循环阀、EGR冷却器和连接管路组成,废气再循环阀的开启由功率控制单元控制。EGR系统的主要功能是减少氮氧化物的排放。

电动冷却液泵用于替代传统车辆中由皮带驱动的机械冷却液泵,从而降低机械损耗和发动机负荷。此外,电动冷却液泵的流量可以自动调节,以确保充足的冷却液供应,从而减少热量损失和爆震倾向。

图1.3.1本田2.0L阿特金森循环发动机结构

1.4.电动无级变速器

用于i-MMD系统的E-CVT没有传统的变矩器、齿轮或皮带轮等变速结构,而是保留了主减速器和差速器总成。E-CVT集发电机、驱动电机、扭振减振器、超越离合器、超越离合器齿轮、四个平行轴和齿轮于一体。

飞轮和扭转阻尼器

发动机在运转中启动或停止时,会产生很大的扭转振动,但E-CVT取消了传统的变矩器,没有液压减震。因此,为了降低传动系统的扭转振动,提高其可靠性和乘坐舒适性,在发动机飞轮和E-CVT输入轴之间安装了扭转减振器。飞轮通过定位销和8个螺钉与曲轴法兰连接,扭振减振器通过6个螺钉固定在飞轮后端面(图1.4.1)。E-CVT的输入轴通过外花键插入扭转减振器的内花键孔,发动机动力输入到E-CVT。

图图1.4.1飞轮和扭转阻尼器

1.4.2四个平行轴和齿轮

E-CVT集成了四个平行轴和齿轮:输入轴和齿轮、发电机轴和齿轮、驱动电机轴和齿轮、辅助轴和齿轮(图1.4.2)。输入轴的外花键与扭振减振器的内花键连接,发动机的动力输入E-CVT。输入轴还与超越离合器连接。驱动电机轴与驱动电机的转子连接,驱动电机轴齿轮与副轴恒啮合齿轮啮合,然后通过主减速器、差速器和半轴将动力传递给两个前轮(驱动轮),驱动车辆行驶。驻车齿轮通过花键与驱动电机轴连接,并与驱动电机轴同步旋转。

发电机轴与发电机转子连接,发电机轴齿轮与输入轴的恒啮合齿轮啮合。当发动机转动时,通过不断啮合的齿轮传动带动发电机运转。

副轴上集成有副轴恒啮合齿轮和主减速器主动齿轮,副轴恒啮合齿轮与主动电机齿轮和超越离合器齿轮啮合。主减速器的主动齿轮将动力从主动电机或发动机传递到主减速器的从动齿轮,再通过差速器和半轴传递到前轮(驱动轮)。

图1.4.2电子无级变速器中的四个平行轴

1.4.3.超越离合器和超越传动齿轮

I-MMD系统采用超越离合器(图1.4.3),这是一个位于输入轴末端的液压驱动离合器(湿式多片)。通过超越离合器改变动力传递路径,可以在驱动发电机和驱动轮之间切换发动机的动力。

当超越离合器不工作(脱开)时,如果发动机在运转,发动机动力会通过扭振减振器→输入轴→输入轴齿轮→发电机轴→发电机驱动发电机发电。

当超越离合器工作(接合)且发动机运转时,发动机动力将通过扭振减振器→输入轴→超越离合器→超越齿轮→中间轴→终传动齿轮→终传动从动齿轮→差速器→半轴→前轮传递给前轮(驱动轮)。此外,当超越离合器工作(接合)且发动机运转时,发动机也会同时带动发电机转动(怠速)。

图1.4.3超越离合器

1.4.4发电机和牵引电机

发电机和牵引电机是i-MMD系统的核心部件,均采用三相永磁同步电机,重量轻、体积小、效率高。驱动电机的最大功率、扭矩、工作速度分别为135 kW、315N·m、13 000 r/min、67.5 kW、100N·m、700 V、200绝缘、IP55保护。

牵引电机的作用是在滑行和制动时产生驱动力驱动车辆或回收能量。发电机是用来发电的,给高压锂电池充电,开车时反向启动发动机。牵引电机的结构与发电机相同,由三相线圈定子、永磁转子和电机转子位置传感器组成。定子线圈采用分布式绕组,减少振动,确保高速运行时扭矩稳定。为了实现电机的矢量控制,需要精确测量电机转子的转速和磁极的位置(相位)。电机转子位置传感器采用旋转变压器的结构形式,由三个定子线圈和一个转子(与电机转子同步旋转)组成。

发电机和驱动电机的转子有很强的磁性,所以在拆卸E-CVT时不要戴手表和起搏器。由于E-CVT中仍然有机械传动机构和离合器,驱动电机和发电机也需要通过传动油散热,传动油仍然需要定期使用和更换。

1.5.动力电池组件

本田混合动力使用高压锂电池作为动力电池(IMA系统和THS系统使用镍氢电池)。动力电池总成(图1.5)安装在车内后排座椅与后备箱之间的空腔内,动力电池总成外围用高强度钢构件围起来,防止车辆发生事故时锂电池组受损,电解液泄漏,从而避免火灾。

动力电池组件由高压锂电池、智能动力单元IPU和高压锂电池单元冷却风扇组成。IPU智能电源单元集成了DC/DC转换器、连接板、接触器板、维护连接器、高压锂电池状态监控单元和泄漏传感器。

高压锂电池组由空气冷却,由风扇散热。通风进口位于乘客舱后排座椅的最左侧。乘客舱中的空气通过通风口被吸入后部锂电池进行冷却,然后通过行李箱中的通风口排出车外。通风口一定不要被盖住,否则高压锂电池组的温度会过高,影响锂电池的功率输出,甚至导致整个高压电气系统关闭,以保护锂电池。

图1.5动力电池组件

2.混合系统的工作模式

在非插电式混合动力系统中,i-MMD系统的逻辑非常独特。丰田的THS采用行星齿轮分配发动机和电机的功率进行不同比例的混合,有利于发动机驱动车辆,电机更具辅助性,如加速和启动时的辅助性,使发动机保持在经济的速度范围内,从而提高燃油经济性。在i-MMD系统中,电机始终是绝对主力,发动机更多用于发电和动能回收,离合器用于切换不同的驱动模式,保证整个系统始终处于最佳工作效率。从原理的角度来看,本田的第三代MMD与其说是一个混合动力系统,不如说是一个具有发动机直接驱动功能的增程电驱动系统。

本田i-MMD系统的结构如图2.0所示。发电机和牵引电机同轴安装,动力分别通过空心轴与发动机或输出轴耦合。发电机与发动机刚性连接,不能分离。牵引电机和输出轴之间的刚性联轴器不能分离,但牵引电机和发动机之间的连接由多片离合器控制。无论是发动机和发电机之间,还是电机和发动机之间,输出轴都是扭矩耦合的。这和丰田的速度耦合有很大区别。力矩耦合要求两套或两套以上的动力必须同步运转,也就是说转速必须成正比。

图2.0 i-MMD系统结构图

主要有三种工作模式:

电动汽车驱动模式(纯电动驱动模式)

混合驱动模式(混合驱动模式)

发动机驱动模式(发动机驱动模式)

每种模式的适用范围如图2.0.1所示。

图2.0.1工作模式范围

2.1纯电动驱动模式

电动汽车驱动模式是一种由电池供电的纯电动驱动模式,适用于从静止和低速低负载条件下启动。在这种模式下,发动机不工作,发电机不工作,离合器断开,只有动力电池给牵引电机供电。

纯电驱动模式下的功率流(图2.1)是牵引电机旋转,功率传递到电机轴。电机轴将电机动力传递给中间轴和最终减速器的主动齿轮,驱动最终减速器的从动齿轮,从而驱动车辆运动。反向运行是通过反向转动牵引电机实现的,变速箱的功率流保持不变。

图2.1纯电动驱动模式下的功率流

2.2混合驱动模式

混合动力驱动模式(Hybrid Driving mode)是发动机驱动发电机发电,直接向牵引电机供电驱动车轮的混合动力驱动模式,适用于高负荷、快速加速的工况。根据电池充放电状态,可细分为两种模式,即ECVT充电模式和ECVT辅助模式。

ECVT充电模式是介于纯电和ECVT辅助模式之间的一种状态。牵引电机负载大,但不需要电池和发动机供电。此时发动机启动,根据行驶工况主动控制,工作在最佳转速范围内。发动机驱动发电机发电,发电机产生的电能直接为牵引电机供电。剩余电能用于给动力电池充电,而动力电池不向牵引电机供电。

加速期间主要使用ECVT辅助模式,这是该混合动力系统最强的动力模式。这时候发动机带动发电机发电,发电机产生的电全部直接用来驱动牵引电机,但是不够。蓄电池也共同参与和供给牵引电机,使牵引电机的功率和转矩达到峰值。

混合驱动模式下的功率流(图2.2.1)是发动机运行,功率从飞轮传输。驱动电机旋转,动力传递到电机轴。从飞轮传递的发动机动力驱动输入轴和发电机轴,但液压没有施加到超速档离合器上。动力从发动机传递到发电机。电机轴将电机动力传递给中间轴和最终减速器的主动齿轮,驱动最终减速器的从动齿轮,从而驱动车辆运动。

图2.2.1混合驱动模式下的功率流

图2.2.2混合驱动模式下的速度和车速曲线

从图2.2.2可以看出,在混合驱动模式下,车速和牵引电机转速一致,牵引电机提供动力驱动车辆,而发动机转速和发电机转速一致,速比固定,约为2:1。

2.3发动机驱动模式

发动机驱动模式是发动机驱动模式,发动机直接驱动车轮。这种模式的间隔很小,只会用在高速低载区域,也就是高速巡航的时候。一旦油门高速加大,就会立即进入混合驱动模式。

在发动机驱动模式期间,发动机输出被提供给驱动轮和牵引马达,使得车辆由发动机机械驱动。此时牵引电机产生的电能给蓄电池充电,发电机电机不空转。

发动机驱动模式下的功率流(图2.3.1)是发动机运转,飞轮输出的发动机功率驱动输入轴。液压施加到超速档离合器上,然后超速档离合器将超速档齿轮与输入轴接合。输入轴通过超速传动处理驱动中间轴。动力从副轴传递到主减速器的主动齿轮,驱动主减速器的从动齿轮,从而驱动车辆行驶。

图2.3.1发动机驱动模式下的功率流

图2.3.2发动机驱动模式下的速度和车速曲线

高速巡航时,发动机转速和电机转速的趋势如图2.3.2所示。此时,超越离合器接合,发动机、发电机、牵引电机和输出轴刚性连接,转速成固定比例。发动机输出动力驱动车辆,发电机空转不工作,牵引电机发电给高压电池充电。很容易看出,当车速和牵引电机的速度大大增加时,发动机和电机的速度会上升得更快。此时工作模式转变为混合动力驱动模式,动力系统产生最大扭矩满足短期动力需求。

2.4再生模式-动能回收

在车辆减速期间,它将进入再生模式,即动能回收模式。此时发动机和发电机停止,牵引电机发电,给动力电池充电。

再生模式下的功率流(图2.4.1)是当车辆减速时,车辆驱动主减速器的从动齿轮。终传动的从动齿轮驱动中间轴和电机轴。动力从前轮传递到牵引马达。

图2.4.1再生模式下的功率流

图2.4.2正常工况下的速度和车速曲线

图2.4.2是普通道路的行驶曲线图。可以看出,在减速的情况下,发动机和发电机的转速将变为0,动能回收系统将开始工作,进入再生模式。在快速加速的情况下,发动机会随着发电机高速运转以补充电流,并与电池一起为驱动电机提供最大电流以达到最大扭矩。

本田的i-MMD系统在设计理念上具有颠覆性,是一种几乎接近纯电动驱动模式的混合动力系统。我们可以先把它理解为电动车,可以用于纯电驱动,也可以用于增程式混合动力。高速巡航时,发动机直接连接,充分发挥燃油发动机高速、高效率的特点。凭借PCU、阿特金森循环发动机和性能良好的电机系统,i-MMD最终为客户带来了流畅的加速感、线性动力匹配和本田运动混合动力。

来源:剑盘车神

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