马自达CX-60车型e-Skyactiv PHEV系统的开发

1、简述

在马自达技术发展的长期愿景“可持续Zoom-Zoom 2030”中，以帮助解决地球、社会和人类面临的问题。马自达首款插电式混合动力系统“e-Skyactiv PHEV”已在CX-60车型中搭载。它的目标是强大而舒适的驾驶，出色的环保性能，日常和周末使用的实用性，以及允许新的所有权体验的便利性。马自达新开发的“三明治式”电动机与2.5L汽油机+ 8速AT相结合。e-Skyactiv PHEV车型实现了75公里的EV续航里程。充电设备充满电时间最长为4小时。

2系统特征

2.1系统配置

一般来说，插电式混合动力系统的方式主要有串联、并联和串并联等三种方式。e-SKYACTIV PHEV采用了在内燃机+电动机的长距离巡航及加速衔接和最高速度方面具有优势的并联方式。图1所示了e-SKYACTIVPHEV系统的结构。在2.5L汽油发动机和新开发的8速AT之间搭载了新开发的电动机。在电动机的转子内侧配备了用于分离发动机和电动机的湿式多片离合器，在EV行驶和减速回生时分离发动机，从而提高了EV的续航距离。如图2所示。根据FR的结构(车身中央有传动轴)，将高压锂离子电池分为左右两部分装载在后排地板下，从而确保了17.8kWh的容量。2.5L汽油发动机和电动机的系统最大功率为241kw，最大扭矩为500nm。EV续航里程实现了75km。充电供电装置在后部配置了2相7.2kW的AC充电+CHAdeMO(仅日本规格)，支持V2L/V2H。

 

图1 车型下车身布局示意

图2 动力系统离合器布置位置示意

2.2系统操作

(1)内燃机和电动机的操作

e-SKYACTIV PHEV的基本操作是，开始行驶时将汽油发动机分离，利用外部充电储存的电池能量驱动电动机行驶，电池能量耗尽后启动汽油发动机进行行驶。另外，即使在EV行驶中，如果驾驶者的加速度要求较大，也可启动汽油发动机，配合汽油发动机和电动机的输出进行加速。如图3所示。

图3 发动机与电动机匹配应用

(2)EV行驶时的发动机启动

从EV行驶切换到使用汽油发动机行驶时的发动机启动采用了i-stop开发的发动机启动和电动机离合器启动两种方式。起动机启动系统由12v铅酸蓄电池向起动机供电。启动中的12v电源电压保证由副电池和启动器断开继电器供应。如图4所示。启动机启动是在EV行驶中要求切换至最大功率行驶时或高压锂离子电池电量下降时实施的。这样一来，启动时无需保持高压锂离子电池的能量，从而提高了EV行驶时的续航距离和最大输出性能。离合器启动系统通过图4所示的离合器1向发动机传递电动机扭矩后启动。另外，通过滑动离合器2可以防止启动中的扭矩变动传递给车辆。离合器启动主要在HEV行驶和低功率EV行驶切换到最大输出时进行。

图4 动力总成布局图

2.3发动机

CX-60的发动机设计方面，需要适合于M Hybrid Boost(直6内燃机+8速AT的48v混合动力系统和e-SKYACTIV PHEV的薄型电动机。因此，开发出了适用于超薄电动机的集中绕组型电动机，并配备在新开发的8速AT上。如图5所示。通过将电动机的外径/宽度与AT本体一体设计，实现了油路、冷却水路以及螺栓固定点的最优化，从而实现了电动机外周直径的小型化，有助于确保驾驶员的踏板工作空间。转换器采用地板下配置，通过在电动机下部配置连接器，缩短线路间距离，尽量减少输电损耗。连同上述车型，最大输出功率达到129kw /最大扭矩达到270Nm。

图5 电动机布置位置

另外，M Hybrid Boost与e-SKYACTIV PHEV为了有效设计所使用的电动机，采用了共用电机断面、固定外径、可根据要求输出相应的扭矩与功率。如表1所示。

表1 车型搭载电动机参数表

2.4高压锂离子电池

(1)高压锂离子电池简介

CX-60 Phev采用96个高容量锂离子电池进行串联，作为总容量为17.8kWh的高压电池组而构成。该高压电池组安装在后排地板下，通过降低车辆重心和降低惯量，实现了符合马自达风格的人马一体的运动性能。

(2)高压锂离子电池外壳

CX-60 Phev的高压锂离子电池为了在有限的车辆空间内最大限度地配备电池，并没有采用常见的钢板制造，采用了构造自由度高的铝压铸制电池壳体。与钢板电池壳体相比，采用了固定结构件以及根据所需强度改变部分板厚的一体成型，减少了90%的部件数量。

此前，由于地板下全部配备的电池在发生碰撞时会受到很大的负荷影响，因此与钢板材质相比韧性较低的铝压铸外壳并不适合使用。为此，确立了基于模型的铝压铸断裂预测方法，如图6所示。通过一体成型进行适当的板厚分配和材料选定，最终实现了铝压铸壳体的采用。由于所采用的铝压铸材料腐蚀成分少，因此大大提高了地板下抗腐蚀能力。另外，在车辆上搭载电池组的安装部件上，通过采用具有能量吸收功能的挤出铝和高张力钢板，在发生碰撞时减少对电池壳体的输入，整体进行了优化设计，相对于钢板制电池壳体实现了质量减轻37kg。如图7所示。

图6 动力电池外壳CAE分析应力

铝压铸件断裂预测

图7 动力电池组外形结构

(3)电池制冷

CX-60 Phev为了将电池温度保持在可发挥良好输入/输出功率的范围内，采用了与车内空调系统协调的电池制冷系统。为配合CX-60的FR驱动方式，电池组采用了由螺旋桨轴分成左右两部分的结构。连接左右电池组之间的冷却管道配置在由排气管产生的高温区域，因此必须防止电池冷却用的制冷剂吸热气化而在左右电池组之间产生冷却能力差异有。另外，为了不让制冷剂返液到压缩机，需要通过热交换器使其完全气化，同时还需要对下游的电池模块进行均匀冷却。

另一方面，机械式膨胀阀与电式膨胀阀相比，不能详细控制制冷剂的流量，因此每个电池模块设置两个热交换器，上游侧和下游侧的热交换器布局在同一个电池模块下面。通过采用反击流方式。如图8所示。提高了冷却能力并实现了均匀化。

图8 动力电池冷却板的制冷剂通道示意图

2.5充电供电装置

(1)充电

CX-60 Phev采用了新开发的充电系统，目的是缩短充电时间和减轻体积。PHEV车辆的普通充电所要求的市场需求定义为“在欧洲每日使用的平均移动距离的80%可以用EV行驶”和“从缺电状态到就寝或工作中充满电”。上述充电性能目标确定为“充电1小时可行驶20km”和“4小时充满电”，采用了2相7.2kW充电器。CX-60 Phev通过支持2相充电，在使用3相11kw设备时，充电0%~充满为2小时20分钟，20~80%为1小时30分钟。另外，充电器机身小型化，配置位置由原来(MX-30)的后备厢下方改为后备厢侧饰条内，有助于确保行李舱容量。

(2)为了满足客户供电多样化的需求

CX-60 Phev可选配1500w的供电设备。另外，考虑到在灾害频发的日本紧急情况下的便利性，配备了CHAdeMO方式的快速充电，支持V2H。

3.e-SKYACTIV PHEV系统的特点

3.1驾驶性能

针对驾驶员期待响应性及扩大汽车对驾驶员积极反馈，致力于以下两点：1.大扭矩与高功率；2.稳定可靠的驱动力控制；采用大扭矩/高功率的2.5L汽油发动机和最大功率129Kw /最大扭矩270Nm的电动机的组合，超越3.3L/6缸柴油发动机实现了驱动力。如图9所示。

图9 动力系统扭矩/转速曲线

3.2精密的驱动力控制

通过提高电动机的响应和油门踏板操作准确度，实现了精准的驱动力控制，提高了车辆行为与操作的一致性。如图10所示。

a.PHEV车型的电动机响应性

充分利用了电动机良好的响应性，将油门操作时的加速度上升响应时间由仅使用发动机时的150ms缩短至90ms。由此提升车辆响应性及可控性。如图11所示。

图11 车辆加速度曲线图

b.提高油门踏板的操作精度

为了提高油门踏板的操作精度，将着眼点放在了踏板角度优化，目标是通过小腿肌肉实现自然、流畅操作的踏板踩力特性。CX-60实现了从踩下开始就只依靠小腿肌肉的操作。如图12所示。

图12 油门踏板角度与踏板力曲线

3.2选择最佳车辆行驶模式

CX-60 Phev车型在Mazda intelligent Drive Select (MiDrive)中设定了NORMAL/EV/SPORT的行驶模式。对于想要兼顾EV行驶和HEV行驶的客户提供NORMAL模式，对于能够最大限度地利用日常EV行驶的客户提供EV模式，对于想要最大限度地享受发动机和电动机的动力性能的客户，通过请其选择SPORT模式，努力提供了各自的乐趣。

在EV模式下，当电池电量充足时，只要不全开油门，就可继续EV行驶，在市区或郊外等一般行驶场景下，可为客户提供电动行驶。因此，在平日上班、购物等近距离使用中，可作为电动汽车使用。另外，在选择EV模式时，设定了从电动机到轮胎的整体效率最佳点的换挡模式，有助于降低车辆电耗。SPORT模式以提高自我感受为设计目标，为了让驾驶员通过油门操作获得正确控制车辆的感觉，提高了加减速的响应速度和强度。另外，相对NORMAL模式，除了使用低速齿轮外，还通过增加电动机助力量来提高驱动力，实现了随心所欲地控制大扭矩的油门操控性。如图13所示。

图13 加速度与加速输出F-S设计目标曲线

3.3HEV行驶阶段尾气清洁化

在日常EV行驶过程中，由于电池功率减少而转换为HEV行驶时，从发动机启动到净化尾气的催化剂激活期间，通过发动机和电动机的协调，实现了稳定、无污染的尾气排放性能。作为新开发的要素，催化剂暖机中的发动机输出扭矩与行驶/NVH(振动)的匹配、燃烧切换(状态转换)的对应。

由于吸入空气量增加，废气的绝对量也会增加，因此催化暖机中的发动机输出扭矩与限制成分全碳氢化合物(THC)的降低背道而驰。这一突破是通过将以往的均质燃烧转换为多层燃烧而实现的，通过从基础上重新审视多层燃烧，如图14所示，发动机扭矩输出max150Nm的THC可以比以前减少一半。

图14 发动机输出扭矩与THC影响变化曲线

另外，为了在降低THC排放量的状态下保持稳定，发动机必须保持一定扭矩，为了满足驾驶者的输出要求，用电动机弥补不足部分，通过相互协调，提高排气性能和行驶性能。

3.4 HEV行驶的CO2改善

CX-60利用高功率电动机和大容量电池，在减速时可储存较大能量，因此通过积极协调摩擦制动和再生制动，提高了回收率。在低速时发动机耗油率较低的区域，利用电池中储存的能量进行EV行驶，在中高速时发动机耗油率较好的区域，利用发电和电动机辅助控制发动机在效率较高的区域工作区。由于这些效果改善了HEV行驶时的CO2排放。。

e-SKYACTIV PHEV系统在驾驶乐趣和出色的环保性能方面，实现了符合CX-60的驾驶娱乐SUV概念的性能。马自达计划2050年实现碳中和化致力于生命周期内减少CO2排放，今后也将挑战马自达特色的电动化技术进化。

全文完~