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在混动领途上， 丰田靠一手出色的THS 技术风靡全球，作为技术狂人的 本田不甘人后在2014年推出了其第一代i-MMD混动系统。在混动效能上，i-MMD拥有着堪比丰田THS 混动系统的实力，深得市场及消费者的认可。i-MMD混动系统在本田混动技术的布局中占据着非常重要的地位，在2014年推出初代的i-MMD混动系统后，仅仅过了五年的时间，也就是2019年随着本田第十代雅阁上市，第三代i-MMD也开始进入大众视野，新一代的混动系统效能更高、体积更小及重量更轻，尤其在电机设计方面变化较大，可以说其在一定程度引领着技术的发展方向，非常值得学习及借鉴。
本田 i-MMD混动系统整体概况:
本田的i-MMD智能多模驱动混动系统是 由 2.0L阿特金森循环发动机、集成双电机的E-CVT、功率控制单元PCU以及锂电池组成，三轴布置。 从第一代进化到第三代过程中，本田i-MMD混动系统遵循着同样的工作原理，整体结构布置上也没有太大变化，只是对发动机、E-CVT 变速箱、电机、功率控制单元等主要部件进行了迭代升级设计。
往简单地讲，本田i-MMD智能多模驱动混动系统主要有三种驱动模式：纯电动模式（EV drive）、混合动力模式（Hybrid drive）、引擎模式（Engine drive）。
在电池电力充沛的情况下，整车在启动、中低速巡航阶段会工作在 EV驱动 模式下 ，此时整车运行模式与纯电动汽车一样，电池的电能直接驱动牵引电机，牵引电机通过传动轴连接，用于产生整车驱动力，同时整车制动时其可以作为发电机产生电能为电池充电等。
在整车电池电量不足或动力不足时，会进入 混合 驱动 模式 ，此时整车的驱动还是由牵引电机完成，但发动机会启动工作拖动发电机发电，整车控制单元VCU会根据具体情况选择发电机发电为电池充电，或者与电池一起为牵引电机直接供电，这个模式就像我们在生活中发现手机电量不足了，一边充电一边玩手机，等到电池充满了我们就会拔掉充电线，重新回到EV驱动模式。
在远离城市工况，进入高速巡航大约车速为七十公里每小时后，整车会切换到 引擎工作模式下 ，此时电动机不再工作，离合器闭合由发动机直接驱动整车，同时整车控制单元VCU 会根据电池的电量来决定发电机是否工作，如果电池电量不足，发动机会通过齿轮拖动发电机发电对电池进行充电，电池电量充满后，发动机就会停止工作，整个系统只有发动机引擎在工作。
其实到这里三种模式都已经基本讲完了，大家有没有注意到本田的i-MMD混动系统是没有多挡位传统变速箱的（也可以说是没有变速箱的）。
在EV驱动和混合驱动模式下 ，由电动机负责整车的驱动，整车驾驶体验更接近于单挡位的纯电动车。
在引擎工作模式 ，也只有一个固定的传动比，而且这个传动比较接近于手动挡中的无档或者第六档，换句话说这个传动比设定就是一个高速传动比。
本田之所以这样做不设计其他的传动比挡位 ：
一是因为其他挡位对应的速度区间，由纯电或者混动模式驱动反而更加高效 ；
二是这种省去传统变速箱多齿轮组的设计，能够使动力源不管是电动机还是发动机引擎都能与驱动轮实现更加简单更加直接的连接，可以使整车运行更加平顺，而且在车辆减速或者滑行时，车轮反过来带动电动机发电的时候，能量就不需要经过一大堆齿轮组造成不必要的损失，提高了整车的效率。
就像前面说的，从第一代进化到第三代过程中，本田i-MMD混动系统整体结构布置上也没有太大变化。但其第三代iMMD变速箱总体重量仅为100.5kg，轴向仅有375mm长，如此紧凑轻便高效是如何实现的呢 ？
如下图所示，第三代i-MMD稍作调整 取消了发动机与发电机之间的常闭离合器，删繁就简，简化结构提升传动效能 ，通过E-CVT变速箱契合的发动机和电机的联动，可以让整套混动系统处于一种高效的工作过程。其中在设计初，为了支持更多的平台， 第三代iMMD的e-CVT变速箱的引擎室要比传统车型减少17.5%的空间 ，仅靠上面的结构微调是难以实现的。
因此， 需要将电机在保持同样输出能力的基础下，整体宽度减小9.2%，高度减小9.7%， 电机的总宽度包括线圈端，定子外径都需要减少。
那第三代i-MMD 混动双电机又是靠什么技术方案实现以上降低尺寸的目标需求呢？接下来，就让我们一起来学习与借鉴其电机技术的亮点，看看其是如何实现电机功率密度及体积密度的提升的。
本田 i-MMD混动双电机
如下图所示，可以发现第二代i-MMD混动系统和第三代i-MMD混动系统所采用的电机在基本性能参数上没有太大的变化，如峰值功率、峰值转矩、最大转速等。但在维持了相同的高效率输出水平下，在其第三代电机中， 创制了一种新型扁线定子结构，以提高电机的输出功率，减小电机的尺寸。同时优化了电机的磁路设计，与传统结构相比，最大转矩增加了2.6%，最大输出增加了8.9%，体积和重量更是大幅度地减少了23%，实现了一流的输出能力和紧凑性。
既然第三代i-MMD的电机如此优秀，其具体设计又是怎么样的呢？从电机设计角度去审视，也许我们可以从中窥视一二技术狂人本田的精细化设计之路。
极槽配合：
本田正在大规模应用的第三代i-MMD混动双电机采用的 12极72槽 的整数槽设计，舍弃了之前的8极48槽 （驱动电机普遍采用该极槽配合） 整数槽配合。本田为什么会这样做呢？12极72槽这个极槽配合有啥优点呢？
1.磁动势谐波 ：虽然采用了不同的极槽配合，但每极每相槽数都为2且一阶齿谐波次数同为z/p ±1=12 ±1，两者总体磁动势谐波含量应该处于同一水平。相较于每极每相槽数小于2 （如8极24槽、6极18槽等）或分数槽绕组设计（如8极12槽、6极9槽等），具备磁动势谐波含量较少的优势。
2. 齿槽转矩： 1） 齿槽转矩幅值：在一个齿距内，齿槽转矩周期数越多，齿槽转矩的幅值越小。合理地选择极槽配合，使一个齿距内齿槽周期数较多，可以有效地削弱齿槽转矩。8极48槽与12极72槽在一个齿距内，周期数相同，齿槽转矩幅值应该受到极槽配合转变的影响很小。
2）齿槽转矩的频率阶次：8极48槽幅值较大的齿槽转矩傅里叶分解阶次分别为48阶、96阶，对应的12极72槽的阶次分布为72阶、144阶次。但实际上，第三代i-MMD电机幅值较大的齿槽转矩阶次为144阶、 288阶。 这是采用什么方式实现其齿槽转矩最小阶次上升呢？
对其仿真计算发现， 本田第三代i-MMD电机 转子采用的不均匀气隙辅助槽设计使得一个齿距内的齿槽转矩波裂解成若干个齿槽转矩波 ，因此使得齿槽幅值降低，阶次提升。其实在整车中，能与144阶的发生共振的频率已经上升到10kHz以上，人的耳朵在这个频率阶段已经不是很敏感了。
3. 转矩波动： 8极48槽对应的转矩波动幅值较大的谐波阶次分别为24阶、48阶、72阶、96阶等，12极72槽则是36阶、72阶、108阶、144阶等。整体来说，采用12极72槽可以使转矩波动阶次上升。
4. 径向力及切向力： 1） 从力的时间阶次上看，8极48槽对应的径向及切向力幅值较大的谐波阶次分别为8阶、16阶、24阶、32阶、40阶、48阶次等8的倍数阶次， 12极72槽则是12阶、24阶、36阶、48阶等12的倍数阶次。对较于8极48槽，采用12极72槽同样也可以使径向力及切向力整体阶次上升。
2）从力的空间振型模数上看， 8极48槽主要力的振型模数为 mode 0、mode 8（可以理解为八边形振型）等，12极72槽主要力的振型模数为mode 0、mode 12（十二边形振型）等。定子的模态振型具有不同的空间阶次，且只受其对应的同阶力振型激励。定子铁心的振动扰度与电机力波模数的四次方成反比，既 低阶次的力的周向模数对NVH性能最为关键。一般来说，非零最低力波模数大于8已经相对来说对电机的振荡已经不是非常重要了。因此， 12极72槽 非零最低力波模数 mode12， 高阶次弯曲模态作为严重的噪声源通常是可以忽略的。
5. 功率密度： 第三代i-MMD电机采用的12极转子设计。12极电机的功率密度及转矩密度要明显高于8极设计， 但同样会导致电机在同样转速情况下，控制器输出频率变高，如驱动电机在最高转速13000rpm对应的控制输出频率高达1300Hz，如此高的输出频率换算成8极电机其转速已经接近达到2万转。高速高频引起的电机铁损和扁线电机电流的集肤及邻近效应都是非常大的挑战，需要在后续设计中解决。
全新的扁线定子设计：
如上文提到的， 第三代iMMD的e-CVT变速箱的引擎室要比传统车型减少17.5%的空间。 因此，在保持同样输出能力的情况下，需要将电机的尺寸进一步地降低。那第三i-MMD电机又是如何来实现电机定子尺寸的降低呢？
之前的i-MMD第二代电机为了充分利用磁阻转矩，其定子采用的是分布绕组设计（传统的圆线驱动电机）， 但缺点是线圈与线圈在线圈绕组的端度相交，使线圈绕组端部长度变大。在制造工艺上，圆线线圈从相对于定子内径的径向方向从槽口嵌入定子槽内，如下图所示，绕组线线之间存在空间间隙限制了定子槽满率进一步地提升。
定子铁芯和绕组端部的尺寸决定了定子体积的大小。 所以，减小绕组端部长度有助于减小定子的空间尺寸。同样，伴随着定子绕组槽满率地提高，在保持相同输出的情况下，电机尺寸可以越小。
因此，本田第三代i-MMD电机为了降低电机定子尺寸， 重新设计了线圈端部结构和增加定子铁心的槽满率来减小定子的尺寸:
1. 高密度扁线线圈端部成型 ： 像较早的把扁线技术应用到汽车中的丰田及通用所采用的技术一样，新结构的定子通过从轴向向定子铁心插入一个塑造成U型的扁线线圈组装焊接而成。将线圈由圆线改为与定子铁心槽的形状重合的扁平线，可以消除死区，增加槽空间利用率。
但作为技术狂人的本田绝对不会做对别人技术的简单复制，如下图所示， 新结构定子绕组概念采用的技术通过消除绕组端部间隙实现了U型扁线更为紧凑及高功率密度的成型。
目前，我们常见的扁线技术大多数都采用单个扁平线圈成型技术，很难实现消除绕组端部间隙实现了U型扁线更为紧凑及高功率密度的成型。如下图所示， 本田所采用的新型定子， 可以实现4个U扁平线圈同时成型 ， 增加了线圈之间的邻近度，使非焊接侧的线圈端部密度更高。
此外，如下图所示， 在扁平线绕组焊接端， 新型定子采用汇流条Busbar的接线方式 ，取代了常规的做法：把扁平线圈塑造成特殊的结构以来实现电路的连接。对于焊接侧的线圈端部， 上述Busbar汇流条结构置于线圈端部上方，而且经过扭转形成的线圈端部件形状相同，增加了线圈之间的邻近性。
在焊接端通过BusBar实现三相电路的连接，使得在非焊接面，扁平线线圈端部结构分布地更加均匀，也进一步地增加了线圈与线圈的邻近度。如下图所示的绕组端部非焊接端， 与常规结构相比，本田声称其可以实现线圈端部高度7%的降低。
而且，为了进一步地降低绕组端部非焊接端的高度， 第三代i-MMD电机采用了双层短距分布绕组设计，缩短了非焊接侧线圈端部的槽跨距。 如下图绕组布置图所示，其在保持同单层整距分布绕组同样的绝缘距离的基础上， 把非焊接侧的绕组端部高度降低了10%。
2. 增加定子绕组槽满率 ：如下图定子槽截面图所示，新型的定子绕组采用扁平线绕组组装而成，并且根据扁平线结构优化设计了其定子槽型。因此与之前采用圆线分布绕组结构的定子相比， 其定子槽满率增加了12%，有利于定子尺寸的减小。
3. 聚集性扁平线绕组端部电源分配部件设计：
如下图电机及发电机的安装位置示意图所示， 电机及发电机的三相绕组引出线，过桥线汇流条，中性点汇流条等电源分配部件聚集分布在绕组焊接侧。 其中，为了减少了布置空间，电机的三相电源分配部件与发电机的三相电源分配部件相互交替， 在空间布置上旋转错开了一定的角度，带来了e-CVT 变速箱在轴向方向布置上节省了17%的空间。
4. 扁平线绕组涡流损耗控制策略 ：如上面介绍的， 扁线 定子通常使用的是粗而扁平的导线，可以增加定子的槽满率。然而，如下图所示， 对于粗而扁平的导线， 当电机在高速巡航时，通过定子槽的磁通会在线圈中形成涡流损耗，会影响电机的效率。
本田采取的策略就是增加每槽匝数，降低每个扁平线导体的厚度来降低扁平线圈导体涡流损耗。 然而，这种方法增加了绝缘覆盖面积的百分比，导致定子槽满率下降。定子槽满率与线圈涡流损耗的关系如下图所示， 将匝数设计为8个(两条并联之路)可以获得更高的槽满率和更低的线圈涡流损耗。
可以说本田的方案不仅是从形式上避开了通用和普锐斯的专利，而且具备了工作电流不受限制、支路电流均衡、端部尺寸小，定子线圈交流损耗小，原材料新等特点。
电机磁路设计：
1.增加低负载区域电机效率 ： 相较于内燃机，电机具备更宽的高效率区间。但在整车大部分时间运行的城市工况的 EV 驱动模式及高速巡航工况中的引擎驱动模式 （此时电机运行在零扭矩附近） ，如下图所示， 电机却运行在效率相对较低的低负载区域。
在以上两个区域，电机的主要损耗都是铁损，因此要提升效率就必须减少电机的铁损。 本田给出的解决策略：一是通过提升电机输出转矩中磁阻转矩的占比(优化电机转子结构及电流控制角），二是利用DCDC升压电路提升系统电压，来减小铁芯用量及永磁体磁通量，进而降低电机的铁损。
值得一提的是，在本田i-MMD的混动系统中，其电池标称电压为260 V左右，当电机运行在高速区域且超过电机设计的弱磁拐点时，弱磁电流就会产生来维持端电压平衡。而且， 在一定电压下，电机绕组电感的大小会限制了电机功率的输出能力。为了减少铁损，本田电机在设计上增加了每相串联匝数，提高了每安培电流转矩输出比并降低了电机硅钢片铁心的重量。 然而，这种做法也会带来一定的问题， 每相串联匝数的提升 （i-MMD第二、三代每相串联匝数分别为44、48 匝） 会 带来电机电感指数倍增加，电机输出功率能力下降。 为了解决这个问题，如下图所示，在本田混动HEV系统中包括了一个双向升压(dc-dc)变换器，在升压变换器的输入端有一个411μF， 370Vdc的电容，在升压变换器的输出端有一个1125μF， 700Vdc的大电容，电池电压被提升到 650~700 Vdc。
集成在电机控制器中的电压控制单元可以控制电压的上升。 如下图电机电压与转矩特性曲线所示，与300V的应用电压相比，在700V 电压系统下，电机的输出的功率增加了50%以上，在不增加电机体积的情况下，实现了电机输出功率的增大。
2.转子磁路结构设计： 为了在紧凑的尺寸下实现高输出，所开发的电机均采用了内置式永磁体转子结构，其磁体呈V形排列，并采用分布式绕组结构、优化V形夹角及电流控制角来需求磁阻转矩的最大化。
第二代及第三代i-MMD电机的转速应用都高达一万三千转，其转子轭的肋部会在转子高速旋转时，由于永磁体的离心力而承受很大的应力。其实，解决这个问题降低应力最有效的方式就是增加肋部宽度，但这种做法会增加漏磁磁链，降低电机的转矩输出。
为了解决这个问题，如下图所示，本田在其第二代i-MMD电机转子结构中 开了狭长的切口来降低应力，实现了靠近永磁体边缘侧转子铁心侧肋应力最大处53%的应力下降。
另外，采用高强度材料也是保证高速转子强度的有效途径之一。然而，如下图所示，高强度材料和低损耗材料是相互矛盾的，因此使用高强度材料往往会影响电机的整体效率，增加电机的铁损。
而本田第三代i-MMD电机转子结构在其第二代的基础上进行了一定地优化设计，如下图所示，舍弃了上一代通过转子结构中开了狭长的切口来降低应力的方式，通过调整转子V字型转子轭磁钢结构来减少应力， 在原来V字型转子轭上增加了两根肋骨，使单极永磁体的个体数量从两个增加至三个，形成了一种分散应力的新V字型转子结构，使得第三代转子磁路承受的应力比第二代降低了15%。
因此，通过转子结构的优化设计确保了转子结构在高达一万三千转应用中的可靠耐久性，且不需要使用高强度的硅钢材料。从而转子结构可以同定子铁心一样使用低损耗的硅钢片来减小铁损。
细心观察可以发现， 第三代转子永磁体中心处的总肋宽相较上一代减少了约50%，这减少了永磁体漏磁和增加了电机转矩输出，有助于提升电机的紧凑性。
此外，本田第二代及第三代转子上均采用了转子辅助槽及斜极设计，在此不再多做赘述，主要目的就是优化设计，减少相应的磁场谐波，降低齿槽转矩及转矩脉动，提升电机的NVH 性能。
3.定子槽口设计： 如下图所示，传统的圆线分布绕电机，其铜绕组需要使用插入器将线圈从定子铁心内径方向插入到定子槽中。而新型扁线定子将线圈绕组从轴向插入槽内，绕组不需要从定子槽口进入定子槽，提供了槽口形状可自由设计的优点。
因此， 新型扁线定子结构采用半闭口槽设计， 如下图磁密波动磁场分析计算所示，半闭口槽可以有效地抑制U，V，W三相切换时产生的磁密波动， 限制了磁密在槽之间的波动。
在齿槽转矩上，如下图磁场分析计算所示， 使用半闭口槽可以减少81%的齿槽转矩。 在i-MMD系统中，牵引电机直接连接到传动轴上，减少齿槽转矩可以降低电机起动和停止时的振动，有助于提高整车的乘坐舒适性。
电机性能表现：
1. 电机转矩及功率输出能力： 如下图所示，与之前的电机相比，第三代新型定子的使用将最大转矩从307 Nm提高到315nm，同时将最大输出从124kW提高到135kW 。如之前提到了，最大转矩增加了2.6%，最大输出增加了8.9%，体积和重量更是大幅度地减少了23%，实现了一流的输出能力和紧凑性。
2.电机效率： 与上一代电机效率相比，如下图所示，第三代新结构的电机在更宽的速度范围内实现了同等的效率输出。
总结
以上简单地介绍了技术狂人本田的i-MMD系统运行原理，重点展示了i-MMD电机的新型定子设计，其独特设计的 新结构定子绕组概念 可以实现4个U扁平线圈同时成型，增加了线圈之间的邻近度 ，消除绕组端部间隙实现了U型扁线更为紧凑及高功率密度的成型；双层短距分 布绕组设计 及 焊接端通过BusBar实现三相电路的连接，使得在非焊接面，扁平线线圈端部结构分布地更加均匀，扁平线绕组端部高度分别实现了7%，10%的下降；而且利用 新型扁线定子将线圈绕组从轴向插入槽内，绕组不需要从定子槽口进入定子槽 特点，将定子槽口设计为半闭口槽设计，有效地抑制了电机的磁密脉动及齿槽转矩；最后为了解决扁线电机在高速巡航时的定子绕组涡流损耗问题， 本田采取了增加每槽匝数，降低每个扁平线导体的厚度来降低扁平线圈导体涡流损耗的策略，将匝数设计为8个(两条并联之路)来获得更高的槽满率和更低的线圈涡流损耗。相较于在 第四代混动普锐斯Prius 中运用的电装 （ DENS O） 8层 无BUS-BAR上下层串联一条之路 扁线电机方案， 可以说本田的方案不仅是从形式上避开了通用和普锐斯的专利，而且具备了工作电流不受限制、支路电流均衡、端部尺寸小，定子线圈交流损耗小，原材料新等特点。
其中，本田电机采用的12极72槽及内置式永磁转子设计虽然都是较成熟的技术，但总有自己的设计细节注入其中。与新型定子技术 组合在一起，较上一代电机相比，效率水平相同，扭矩却从307 Nm增加到315Nm，输出从124 kW增加到135 kW，且体积减少23%，重量减少23%，开发的第三代电机实现了一流的输出和空间紧凑性。
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