Honda进入Earth Dreams世代后,共推出了三款油电混合技术:单马达油电系统“SPORT HYBRID i-DCD”、双马达油电系统“SPORT HYBRID i-MMD”以及三马达油电系统“SPORT HYBRID SH-AWD”。
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主要用于中型车以上车种的i-MMD系统,全名为“SPORT HYBRID Intelligent Multi-Mode Drive”,以“EV Drive Mode”“Hybrid Drive Mode”“Engine Drive Mode”三种驱动模式,针对各种路况提供最适当的驱动型式。
SPORT HYBRID i-MMD系统主要包括:“Atkinson循环引擎”、“整合驱动用和充电用双马达以及离合器的E-CVT(Electric Coupled CVT)”、“整合变频器、电压控制以及马达控制的PCU(Power Control Unit)动力控制单元”以及“整合锂电池和相关控制模组的IPU(Intelligent Power Unit)智慧动力单元”。
随着2013年9代 Accord Hybrid 首度导入市售至今,已经发展到第三世代,并已搭载于2017年发表的10代 Accord Hybrid,以及2018年发表的第3代 Insight。历代以来,持续针对引擎、马达、PCU和IPU等主要部件进行改良,进入第三世代的i-MMD系统,除了将2.0L DOHC i-VTEC Atkinson循环引擎的热效率突破40%,更首度导入热效率达 40.5% 的 1.5L DOHC i-VTEC Atkinson循环引擎,成功将这套油电系统Downsizing。
根据《日経xTECH》的报导,由于i-MMD系统Downsizing化,成本也逐渐降低的关系,未来有机会从第四代Fit Hybrid开始,逐步导入小型车的动力编成中。
顺应环保与绿能趋势,Honda 立下“旗下四轮产品于2030年时,全球贩卖台数中的三分之二为电动化车款”的目标,逐渐进化的i-MMD系统,将会在这计画中,扮演相当重要的角色。因此本篇将会针对这套油电系统,介绍其技术架构和历代演进。
【系统主要架构】
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■ Atkinson循环引擎:结合Honda独创的i-VTEC技术和Atkinson循环,达成优异的热效率。i-MMD演进至第三代,2.0L引擎的热效率从39.1%提升至40.6%,压缩比从13.0提升至13.5,1.5L引擎则具备同排量顶尖的40.5%热效率。
■ E-CVT(Electric Coupled CVT):整合发电用马达和驱动用马达,以及可直接传输引擎动力的离合器。
■ PCU(Power Control Unit):有i-MMD系统的总教练或是领队之称,控管系统整体运作。整合将交流电转为直流电并控制两组马达的PDU(Power Drive Unit),以及将电池电压升压并供应给马达VCU(Voltage Control Unit)。在第三代i-MMD一般车型上,则将原先在IPU内的12V DC-DC转换器整合至PCU内。
■ IPU(Intelligent Power Unit):整合锂电池、12V DC-DC转换器以及相关控制ECU的电力模组。在第三代i-MMD一般车型上,原先在IPU内的12V DC-DC转换器,则整合至PCU内,并改善冷却系统设计,让IPU体积更为缩小,可置于一般房车的后座下方,将尾厢容积提升至汽油车型般的水准。
【驱动模式】
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■ EV Drive Mode:起步以及引擎效率较差的行驶速域,或是在高速行驶时,电量充足的状况下,透过锂电池供应电力给驱动马达的行车模式。该模式下,行驶中不使用汽油。
■ Hybrid Drive Mode:高负载行驶状态,或是电量较低时,透过引擎的高效率区间,驱动发电用马达。由发电马达产生的电力,再供应给驱动马达,实现兼具省油且有力的行驶模式。当有更高出力的需求时,电池也会加入提供电力。
■ Engine Drive Mode:高速巡航时,透过离合器直接结合引擎和传动轴。以适合高速巡航的齿比,搭配Atkinson循环的高效率区间,实现省油的巡航过程。
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注:在Hybrid Drive Mode和Engine Drive Mode下,会针对行驶状况,对电池进行充电,或是透过电池提供电力辅助。
【一般油电系统和i-MMD的差异】
并联式油电(如Honda IMA):
Honda的初代和二代Insight所搭载的“Honda IMA”系统,采用引擎为主、马达为辅的并联式油电。轻量、体积小等特色虽然适合小型车,但发电效率和行驶中的辅助性能有所极限。
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串联式油电:
一般常见的串联式油电系统,基本上以引擎驱动发电马达,将电力提供给驱动用马达,再将动力传输至车轮。在时常走走停停的市区,行驶过程中发电可以非常有效率。但在高速巡航或是低负载的状况下,和串联式相比,引擎直接驱动车轮的方式,还是较为高效率,这是目前串联式油电所需面对的课题。
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SPORT HYBRID i-MMD:
Honda的着眼点,是将一般串联式油电较不擅长的低负荷区域,提高效率。透过独家的直接连结离合器设计,在市区行驶时,引擎可结合发电机发电,高速巡航等低负载路况时,引擎可直接传输动力给车轮。借此从根本解决串联式油电所面对的课题,并提供EV、Hybrid以及Engine等三种动力模式,让i-MMD车款能因应各种路况,可以是电动车、油电车以及汽油车。
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【搭载车款】
一般版本:
Accord Hybrid
Odyssey Hybrid
STEP WGN Hybrid
CR-V Hybrid(首度将AWD导入i-MMD系统)
Insight
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Plug-in版本:
Clarity PHEV(首度导入1.5L引擎)
9代 Accord Plug-in Hybrid(已停产)
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■ 历代i-MMD简介
【第一代】
2012年,Honda发表了第一代SPORT HYBRID i-MMD系统,并于2013年随着Accord Hybrid正式推出。有别于以往引擎为主、马达为辅的Honda IMA油电系统,这回的i-MMD系统,改由马达领衔主演,热效率达38.9%的2.0L DOHC i-VTEC Atkinson循环引擎则担当所谓的名配角。
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为了追求省油表现和爽快的驾驭感受,Honda为i-MMD系统设计了高扭力、高输出以及体积精巧的马达,其中的定子也采用有利于缩小体积的分布绕线方式。透过可发挥“magnetic torque(定子和磁石间,相吸和互斥时产生的扭矩)”以及“reluctance torque(定子吸引铁芯时产生的扭矩)”最大值的磁路设计和独门的磁石配置,达成307 N-m的高扭力表现。
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而借由升压器可提供最大700V的驱动电压,让这组轻巧马达具备124kW的高输出表现。此外,由于可针对行驶状况进行升压调整,使得i-MMD系统从市区 到高速行驶等驾驶域,皆能保持在高效率行驶状态。
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为了确保马达的高输出与高扭力性能,并稳定的面对各种行车情境,在线圈上端的适当位置设计了冷却油管,采用油冷系统为马达进行冷却。
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Honda在马达的开发设计上,针对材料部份,一直以希望减少重稀土元素的使用为目标。自2008年起,铽元素的使用量已达成零含量,更进一步朝减少使用镝元素迈进。针对过往镝元素散布在本体各处的磁石,这次的新技术已可将镝元素仅使用于磁石表面,大幅降低重稀土元素的用量。
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由于从低速域至高速域的行车过程中,基本上都是由马达负责驱动,因此在i-MMD系统当中,引擎转为支援马达发挥最大性能的辅助角色。这具专为i-MMD系统设计开发的2.0L DOHC i-VTEC Atkinson循环引擎,结合Honda独创的i-VTEC技术,使“Atkinson循环”更能发挥出更为优异的热效率,创造出兼具省油表现和高输出的极致性能。无论是在Hybrid Drive Mode或是Engine Drive Mode,皆能提供高效率的行驶表现。
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透过Honda独创的VTEC+VTC技术,实现有助于提升热效率的“Atkinson循环”。和仅有VTC机构的Atkinson循环相比,结合i-VTEC技术,更能发挥Atkinson循环的优势。由于VTEC使用了针对“汽门扬程量”与“汽门正时”的两组凸轮,除了具备Atkinson循环本身低油耗的优势,更能在需要充沛动力时,提供高出力的表现。再借由电子化VTC针对进气阀门相位,进行连续控制,让VTEC和Atkinson循环的效果更为提升。
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在VTEC可变汽门正时与扬程机构中,“省油用凸轮”具备了较广的作用角,让进气阀开启时间较长。进气阀延迟关闭的关系,一部分汽缸内的混合气体会回到进气口内,形成膨胀比较压缩比大的“Atkinson循环”,提升省油性能。而“出力用凸轮”则能让气门较使用“省油用凸轮”时早关闭,增加空气进气量,并提供适合提升出力的汽门正时。
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在电子VTC连续可变汽门正时控制机构的部分,将一般使用油压进行凸轮相位连续调整的“VTC”电子化,并安置于进气端凸轮。当省油用凸轮运转时,让进气阀延迟关闭,增加Atkinson循环的热效率提升效果,并在气门提前关闭时,增加冷却 EGR的导入量,针对驾驶情况,提供最适当的正时控制,提升省油性能。而当出力用凸轮运转时,可针对低转速域以及中高转速域,进行最适当的气门正时控制。透过VTEC的连动,不只能在各种行驶状况下,保持高效率运作,同时实现与“SPORT
HYBRID”相呼应的高动力性能。此外,由于VTC作动改为电子化,在引擎刚启动等低油压状况下,也能进行汽门正时的控制,确保引擎刚启动后保持高效率。当引擎启动的时候,在压缩行程中延迟气门关闭时机,进行减低缸内压力的排压动作,降低启动时的振动,让行驶体验更为顺畅。
为了让燃烧过的气体以再循环的方式,作为进气气体的一部份,针对为废气进行减低NOx的EGR系统中,导入了EGR冷却器。除了防止废气在冷却至约100℃的高负荷状态下易产生爆震现象,也降低了冷却损失。此外,由于废气再循环的效果,可增加节流阀开度,对降低pumping loss也有显著的成效。
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这具全新开发的引擎,将冷却泵浦改为电子化,让冷却水流量不必伴随引擎转速,进行更为致密的温度管理,有助于提升热效率。此外,由于采用EPS、电动空调的关系,省去了附件皮带,降低摩擦损失。
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在高速巡航时,透过“引擎直结离合器”将引擎输出轴直接连结传动轴,以“Engine Drive Mode”进行驱动。借由适合高速行驶的最佳齿比,发挥Atkinson循环的高效率运转效果。
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有i-MMD系统总教练或领队之称的PCU,负责直流电与交流电的转换,以及两具马达的控制。整合了PDU、必要时提供驱动电压700V升压控制的VDU,以及控制马达的ECU。跟过往的IMA相比,提供10倍以上的高输出,并在升压回路中,以直接水冷方式为散热片基座进行冷却,提升冷却效率。是一个集合复数机能且体积小的控制模组,并可安置于引擎室内。
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整合锂电池、12V DC-DC转换器以及相关控制ECU的IPU,主要负责马达的电力供应,并释出辅助电力,以及储存发电马达产生的电力和动能回收电力。当中的高输出、大容量锂电池,性能较过往的镍氢电池大幅提升,透过独家技术,降低内部阻抗,提供过往IMA系统约3.5倍的出力密度,以及约1.7倍的能量密度。因此,除了提高EV Drive Mode的频率,提升省油表现外,也让行驶感受有良好的回馈感。
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主要诸元(LFA- MF8)
2.0L DOHC i-VTEC Atkinson循环引擎
排气量(cc):1.993
缸径×冲程(mm):81.0×96.7
压缩比:13.0
最大输出(kW[PS] /rpm):105 [143] /6,200
最大扭力(N-m[kgf-m]/rpm):165 [16.8] /3,500 - 6,000
马达型式:MF8 交流同步马达
最大输出(kW[PS] /rpm):124 [169] /3,857 - 8,000
最大扭力(N-m[kgf-m]/rpm):307 [31.3] /0 - 3,857
动力用主电池(种类/个数):锂电池/72
综效输出:146 kW(199 PS)
【第二代】
2016年,第二代i-MMD系统随着9.5代Accord Hybrid正式推出。包含引擎、E-CVT、PCU以及IPU等部件皆进行改良,使得综效输出从146 kW(199 PS)提升至158 kW(215 PS),并首度导入SPORT模式,除了维持优异的省油表现外,更增添驾驶乐趣。
2.0L DOHC i-VTEC Atkinson循环引擎方面,最大输出从105 kW [143 PS]提升至107 kW [145 PS],最大扭力则从165 N-m提升为175 N-m。
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马达部分,透过线圈绕线方式以及构造的改良,体积较前代缩小了23%,而动力输出和扭力也有显著的提升。最大输出从124 kW提升为135 kW,最大扭力则从307 N-m提升至315 N-m。
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引擎直结离合器则提升了容许负载上限,让动力提升的引擎更能发挥性能。
PCU部分,重量减轻27%、体积缩小约23%、功率密度则提升了25%。
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IPU在硬件部件的组成和输出跟前代相同,但体积缩小了30%以上,重量减轻约13%。
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主要诸元(LFA-H4,CR-V为 LFB-H4)
2.0L DOHC i-VTEC Atkinson循环引擎
排气量(cc):1.993
缸径×冲程(mm):81.0×96.7
压缩比:13.0
最大输出(kW[PS] /rpm):107 [145] /6,200
最大扭力(N-m[kgf-m]/rpm):175 [17.8] /4,000
马达型式:H4 交流同步马达
最大输出(kW[PS] /rpm):135 [184] /5,000 - 6,000
最大扭力(N-m[kgf-m]/rpm):315 [32.1] /0 - 2,000
动力用主电池(种类/个数):锂电池/72
综效输出:158 kW(215 PS)
【第三代】
2017年底,第三代i-MMD系统同样伴随大改款Accord Hybrid正式登场。2.0L DOHC i-VTEC Atkinson循环引擎的热效率从39.8%提升至突破40%,并首度导入无重稀土元素的双马达,降低成本和重量。而原先在IPU内的12V DC-DC转换器整合至体积和前代相同的PCU内,并改善IPU冷却系统设计,因此让IPU体积更为缩小,可置于一般房车的后座下方,将尾厢容积提升至汽油车型般的水准。
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在准备进入2018年的前夕,一般版本的i-MMD系统有了新的变革,Honda宣布第三代Insight将重新问世,首度导入热效率达40.5%的1.5L DOHC i-VTEC Atkinson循环引擎。
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2.0L DOHC i-VTEC Atkinson循环引擎部分,以Honda首具热效率突破40%的2.0L汽油引擎为目标,进行开发。除了同样使用Atkinson循环和冷却EGR系统之外,将进气阀门改为镜面处理、排气阀门改为封入纳元素的阀门,让压缩比从原先的 13.0 提升至 13.5。而为了降低热损失,采用能产生高EGR化、高流动滚流进气口设计,实现高速燃烧。其他引擎构造,则降低曲轴、活塞、凸轮轴等活动件的机械磨耗损失,并进行引擎的最佳化,让这具引擎的热效率提升至40.6%。
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而在1.5L DOHC i-VTEC Atkinson循环引擎方面,主要针对热效率改善、燃烧改善、降低摩擦力以及轻量化进行设计。
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透过高流动滚流进气口设计,更容易升成强大的滚流,让缸内气体流动和空燃比的均质度获得改善,有利于急速燃烧。为了降低冷却损失并提升热效率,汽缸头和活塞设计为能最佳化S/V比(表面积/容积)的燃烧室形状。当气门开启时机延迟时,降低排气损失,而关闭时机提早时,则减少内部EGR,创造有利于Atkinson循环的高膨胀比。针对爆震改善的部分,在汽缸套与汽缸套间设置间隙,提升冷却效果,并在排气阀中空部为填入纳元素,有利于抗爆震。
为了降低摩擦损失,汽缸内部采用进化型平顶珩磨工法,导链和摇臂添加PTFE(氟素树酯),并使用超低紧迫油封。而活塞使用适合HPDC(High Pressure Die Casting)高压压铸的新开发材料,进行有利于轻量化的设计,实现同缸径中世界最为轻量化的活塞。此外,借由汽缸头薄型化和凸轮轴中空径扩大,也有助于引擎本身的轻量化工程。
马达部分,首度使用完全不具有助于确保耐热性的重稀土元素(铽、镝)的铷磁石。为了解决耐热性,采用了轴芯冷却方式,由转子的转轴供应ATF冷却油,以离心力原理将磁石进行冷却,并结合过往从定子上方滴油的冷却方式,提升马达整体的冷却性能。
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在IPU(Intelligent Power Unit)的部分,借由锂电池模组体积缩小化、各部件设计更为紧凑、冷却系统最佳化,并将DC-DC转换器整合至位于引擎室的PCU(Power Control Unit)模组内,让IPU总体积缩小了32.1%,重量也减轻了10%,同时可以让IPU模组设计于后座下方,使Accord Hybrid具备 549L 的行李厢空间(Insight为519L),并支援 6/4 分离椅背倾倒。
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■ 2.0L 版本(LFB-H4)
2.0L DOHC i-VTEC Atkinson循环引擎(LFB)
排气量(cc):1.993
缸径×冲程(mm):81.0×96.7
压缩比:13.5
最大输出(kW[PS] /rpm):107 [145] /6,200
最大扭力(N-m[kgf-m]/rpm):175 [17.8] /3,500
马达型式:H4 交流同步马达
最大输出(kW[PS] /rpm):135 [184] /5,000 - 6,000
最大扭力(N-m[kgf-m]/rpm):315 [32.1] /0 - 2,000
动力用主电池(种类/个数):锂电池/72
综效输出:158 kW(215 PS)
■ 1.5L 版本(LEB-H4)
1.5L DOHC i-VTEC Atkinson循环引擎(代号 LEB)
排气量(cc):1,496
缸径×冲程(mm):73.0×89.4
压缩比:13.5
最大输出(kW[PS] /rpm):80 [109] /6, 000
最大扭力(N-m[kgf-m]/rpm):134 [13. 7] /5, 000
马达型式:H4 交流同步马达
最大输出(kW[PS] /rpm):96 [131] /4,000 - 8,000
最大扭力(N-m[kgf-m]/rpm):267 [27.2] /0 - 3,000
动力用主电池(种类/个数):锂电池/60
综效输出:113 kW(153 PS)