混动系统集成化设计-上｜盖世大学堂混动系统系列知识讲解

本文涵盖了汽车混动系统与电机的设计、冷却及集成化策略。同时，深入分析了电机冷却技术，包括油冷与水冷的优缺点，强调了电机热管理在提升效率和延长寿命方面的重要性。此外，还讨论了电机设计的优化和成本控制，提出利用温度模型替代昂贵的温度传感器作为降低成本的策略。

一、混动系统布置形式（一）布置形式的发展与现状

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在混动系统集成化设计领域，布置形式的选择至关重要。以本田混动系统为例，早期其采用两个电机同轴布置的方案。随着扭矩需求的增加，电机的直径和轴向长度增大，致使整个轴向尺寸变大，车辆轮距也相应变宽。为解决这一问题，本田在其最新的4.0版本中，借鉴丰田的架构，采用平行轴布置形式。这种布置形式在相同扭矩段下，能使系统尺寸与最早一代同轴布置时基本类似，轴向尺寸差异仅约3毫米 。

目前，平行轴布置形式在国内车企以及部分日系、德系车企中得到广泛应用。同轴布置形式虽也可行，但需借助行星系结构来实现紧凑的轴向尺寸设计。吉利第二代DH pro产品曾采用同轴方案，将尺寸控制在380毫米左右，达到了类似平行轴布置的紧凑化效果。然而，考虑到国内行星系的加工水平和制造精度，吉利后续版本也转向平行轴布置结构，以降低成本 。

（二）绕组形式的特点与影响

混动系统中的绕组形式对电机性能和成本有着重要影响，常见的绕组形式有波绕、叠绕组、H-Pin、I-Pin、X-Pin五种。 

叠绕组早期应用于微型电机或部分较大电机，其形状类似花瓣，通过冲压外壳组合形成电机。该绕组形式的槽满率较低，焊接点数量为2m×p（m为电机相数，p为电机极对数），槽开口无限制，焊接端长较长。其典型应用为本田i-MMD产品 。

H-Pin绕组的轴向截面呈矩形，槽满率较高，一般槽内分6层或8层。焊接点数为槽数乘以导体层数再除以2，槽开口同样无限制，但焊接长度较长。其采用端部轴向插入的方式，代表车型有丰田普锐斯、特斯拉Model Y以及宝马i7 。

I-Pin绕组是在H-Pin基础上的工艺改进，通过简化结构，去掉了一些无用部分，但因其3D绕折曲面的形状，导致局部PDRV值衰减，为解决此问题，其在焊接时两端都需焊接，工艺难度增加。不过，这种绕组形式的焊接端长相比H-Pin更短，在大批量生产时可节约铜线使用量。目前，和联电采用这种绕组形式 。

X-Pin绕组在I-Pin基础上进一步改进，去掉了I-Pin上边部分的焊接，在折弯处设计切角以保证焊接质量，进一步节省了铜线材料。此外，还有一种在X-Pin基础上增加小直线段的形式，用于改善焊接效果 。

波绕绕组通过控制直线段角度实现较大角度的扭转，其槽满率低，无需焊接，整体通过盘形结构实现，轴向长度更短。但波绕一般使用pick线材，对线材绝缘层的柔韧性要求较高，且绕线设备复杂，整体成本较高。在热管理方面，波绕的效果相对较好 。

二、多合一电驱动系统热管理

（一）热管理方式及特点

热管理对于混动系统的稳定运行至关重要，常见的热管理方式有油冷和水冷。油冷电机通常在定子上开槽，让油从壳体引入，冷却定子绕组，同时利用转子旋转时的飞溅作用润滑内部绕组，但中间部分的润滑效果相对较弱。以特斯拉电机为例，其定子有许多小油孔，与壳体配合实现油冷 。 

水冷则是在电机外壳设置水套，通过水的循环带走热量。水冷的冷却能力较强，但其无法直接冷却受热导体，只能通过热传导和热辐射间接冷却。此外，水套的设计还需考虑密封问题，若密封不当，可能导致水蒸气泄漏 。

目前，部分混动系统采用油冷与水冷结合的方式，旨在综合两者的优势，提升冷却效果。例如，在定子上开槽进行油冷，同时在外壳设置水套，但这种方式会增加零部件数量和系统复杂度 。

（二）热管理的优化与测试

为了优化热管理效果，一些特殊设计应运而生。如将定子设计成特殊的角形结构，使油能够直接冷却受热体，提高冷却效率，但这种设计需要增加密封结构，且对定子内端直径有一定要求 。

在实际热管理设计中，还需要考虑诸多因素。例如，在电机设计阶段，会通过仿真软件对不同冷却方案进行分析，模拟水流速度、压降以及散热情况，提前优化设计方案。在测试阶段，会对结合面开口度等项目进行测试，通过在产品上安装传感器，记录实际数据，并与分析结果进行对比。如果前期设计项目积累了足够的经验，对于一些分析结果较为准确的项目，可以省略实际测试环节。

此外，电机温度监测也是热管理的重要部分。一般在电机定子上安装 NTC（负温度系数热敏电阻）作为温度传感器，同MCU也具备温度监测功能。通过监测不同位置的温度，获取电机的实时温度数据，为热管理系统提供反馈。部分车企通过建立精确的温度模型，能够在一定程度上替代温度传感器的功能，实现成本控制，例如长安的电驱动系统就尝试取消 NTC，利用温度模型覆盖相关工况。不过，取消 NTC 需要考虑到油品兼容性、绝缘性等问题，以确保电机的稳定运行。

从标杆机的拆解分析来看，丰田的热管理系统表现较为出色。丰田混动系统历经五代发展，前两代采用电子水泵，通过混动箱、散热器，再经过 MCU，中间部分采用水道冷却。第三代则完全采用油冷方式冷却电机，水冷主要用于 MCU。第三代和第四代又根据不同的混动车型（HEV 和 PHEV）细分了版本，冷却方式也有所差异。例如，第三代通过差速器绕到中间齿轮轴，再利用油槽高度差进行冷却；第四代在轴部分增加了轴心润滑油道，进一步提升了冷却效果。