第四代IMA混合動力系統(tǒng)的工作原理、組成及應(yīng)用研究

1 前言

1997年，本田（Honda）公司開發(fā)出第一代IMA（IntegratedMotorAssist）系統(tǒng)。1999年12月，搭載IMA系統(tǒng)的Insight在美國正式上市，本田成為第一個在北美銷售混合動力車的公司。2003年，裝配第二代IMA系統(tǒng)的四門小型轎車civic投放市場，深受消費者歡迎。本田雅閣混合動力車成為第三代IMA系統(tǒng)裝備起來的混合動力中型轎車，也成為世界上第一款混合動力中型轎車。

最近，本田將最新研制的第四代IMA混合動力系統(tǒng)又應(yīng)用在了2006款civic混合動力車上。本田最新IMA混合動力技術(shù)，也是目前唯一可以適用于現(xiàn)有量產(chǎn)車型的高端技術(shù)。在此研發(fā)領(lǐng)域中，本田始終在全球范圍內(nèi)保持著領(lǐng)先地位。

2 IMA系統(tǒng)介紹

2.1 IMA系統(tǒng)組成

第四代IMA系統(tǒng)的主要部件有一個1.3-literi-VTEC4-cylinder汽油機，一個高功率的超薄永磁同步電動機，一個無級變速器（CVT）和一個智能動力單元（IPU-IntelligentPowerU-nit）。IPU由一個動力控制單元（PCU-Powercon-trolUnit），一組高性能鎳氫電池和一個制冷單元組成。汽油機和電機布置在車的前部，智能動力單元布置在車的后部，具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2.2 IMA系統(tǒng)工作過程

a.啟動加速：發(fā)動機以低速配氣正時狀態(tài)運轉(zhuǎn)，同時電機提供輔助能量。

b.急加速狀態(tài)：發(fā)動機以高速配氣正時狀態(tài)運轉(zhuǎn)，此時電池會提供額外的功率來給電機與發(fā)動機共同驅(qū)動車輛，改善整車的加速性能，直到電池狀態(tài)監(jiān)控模塊（BCM？BatteryConditionModule）發(fā)現(xiàn)電池電量不足，此時電池充電命令是關(guān)閉的。

C.低速巡航狀態(tài)：發(fā)動機的四個氣缸閥門全部關(guān)閉，燃燒停止，車輛以純電動狀態(tài)驅(qū)動車輛。

d.一般加速或高速巡航：發(fā)動機以低速配氣正時狀態(tài)運轉(zhuǎn)單獨驅(qū)動車輛。

e.減速狀態(tài)：發(fā)動機關(guān)閉，電動機此時作為一個發(fā)電機。在電動控制傳輸系統(tǒng)的幫助下將機械能最大限度的轉(zhuǎn)化為電能，存儲到電池組中。

f.停車狀態(tài)：發(fā)動機自動關(guān)閉，來減少燃料損失和排放。

3 IMA分析

3.1 發(fā)動機

2006款Civic混合動力1.3L發(fā)動機以2005款1.3Li-DSI發(fā)動機為基礎(chǔ)，對部件進行了改進。主要采用了i-VTEC和智能化雙火花塞順序點火技術(shù)（i-DSI）以及可變氣缸管理技術(shù)（VCM），實現(xiàn)了超低油耗，提高燃油經(jīng)濟性。新系統(tǒng)提供了低速，高速及間歇3種模式的配氣正時狀態(tài)，通過4個氣缸全部間歇，可以提高減速時的能量回收效率，是目前最為先進的氣門控制技術(shù)。

3.1.1 i-VTEC（intelligent-VariableValveTimingandLiftElectronicControlSystem）系統(tǒng)

VECT（VariableValveTimingandLiftElectronicControlSystem）即可變氣門配氣相位和氣門升程電子控制技術(shù)，通過電磁閥調(diào)節(jié)搖臂活塞液壓系統(tǒng)，從而使發(fā)動機在不同的轉(zhuǎn)速工況下由不同的凸輪控制，影響進氣門的開度和時間。在發(fā)動機低速運轉(zhuǎn)時，通過在主進氣門和輔助進氣門之間的升程差，創(chuàng)造成了一個合理的渦流比，可實現(xiàn)良好的性能。而在高速時維持了傳統(tǒng)4氣門發(fā)動機的高功率輸出。從而使發(fā)動機在具有高功率輸出的同時，保持了低油耗的性能。

i-VTEC系統(tǒng)是在VTEC系統(tǒng)上增加了可變正時控制系統(tǒng)（VTC-valveoverlapcontrol）機構(gòu)，即i-VTEC=VTEC+VTC。通過ECU控制程序調(diào)節(jié)進氣門的開啟關(guān)閉，使氣門的重疊時間更加精確，達到最佳的進、排氣時機，進一步提高了發(fā)動機功率，且?guī)椭l(fā)動機在車減速時減少能量損失。

3.1.2 智能化雙火花塞順序點火i-DSI系統(tǒng)

智能化雙火花塞順序點火i-DSI系統(tǒng)，把通常1個汽缸1個火花塞控制點火方式改為在1個汽缸上安裝2個火花塞，分別設(shè)在進氣側(cè)和排氣側(cè)，縮短了燃燒室內(nèi)火焰?zhèn)鞑サ臅r間，實現(xiàn)了全域范圍內(nèi)的急速燃燒，同時降低了燃爆的傾向，使得大幅度提高壓縮比成為可能，實現(xiàn)了高輸出功率、高輸出扭矩及低油耗的統(tǒng)一。

本田獨有的雙火花塞連續(xù)控制系統(tǒng)是根據(jù)發(fā)動機轉(zhuǎn)速和負(fù)荷狀況來編制的。當(dāng)燃料化合物進入燃燒室，第一個靠近人口的火花塞點火。馬上不久，靠近排氣口的第二個火花塞點火，促進燃燒過程。與單一的火花塞系統(tǒng)相比，這個系統(tǒng)使燃燒更加完全。使發(fā)動機輸出功率更大，油耗更少，排放降低。

3.1.3 VCM（variablecylindermanagement）即可變氣缸管理技術(shù)

新的VCM系統(tǒng)是一個上代的3缸間歇系統(tǒng)的改進，其可將4個氣缸全部間歇。電動機（同時作為發(fā)電機）附屬在發(fā)動機的機軸上，發(fā)動機需要在減速時提供盡可能少的阻力，使得電動機能夠更高效的給電池充電。傳統(tǒng)的發(fā)動機，在減速時，氣缸活塞的運行將提供一定阻力，或者叫（發(fā)動機制動）。VCM將消除這種影響，使得再生制動系統(tǒng)能夠盡可能多的回收能量。

3.2 電動機

MA電機是一個3相超薄永磁同步電機，安裝在發(fā)動機和CVT（無極變速器）之間，最大能夠提供15KW的功率和139Nm的輔助力矩。電動機提供輔助推動力給發(fā)動機和在低速行駛狀態(tài)下的電動機動力，也作為發(fā)電機在減速和制動時回收動能給電池充電。由于電機的輔助使整車的動力性得到了很大的提高，動力性曲線如圖4所示。

電機使用了一種最新的偏線圈纏繞構(gòu)造，這種線圈纏繞密度更大。這使得電動機最大功率和最大扭矩與2005版civic混合動力電機相比分別增加了50%和14%，轉(zhuǎn)換效率由原來的94.6%提高為96%。本田單獨研制了用于控制電動機速度的換流器，它與電動機的ECU（嵌人控制單元）集成在一起，采用數(shù)字式通訊方式，使控制更為準(zhǔn)確，這樣也就提高了電動機的效率和混合動力系統(tǒng)的燃油經(jīng)濟性。

3.3 電池

電池是混合動力系統(tǒng)的一個重要環(huán)節(jié)，存儲電力的多少，直接關(guān)系著汽車的續(xù)航里程。新的混合動力系統(tǒng)采用最新研制的高效鎳氫電池，它比上代提升了30%的蓄電能力，電池電壓由144伏升高到了158伏，專門設(shè)計的電池箱外形緊湊，冷卻性和減震性也更好，為電池長期穩(wěn)定地工作提供了保證。采用全新的松下的雙模包裝與前代相比減輕了重量而且增加了電流的效率，體積減小了12%節(jié)省了更多的空間。

3.4 混合式空氣壓縮機

civic的車內(nèi)空調(diào)采用專門設(shè)計的“混合式”空氣壓縮機，它即可以由發(fā)動機驅(qū)動，也可以由電動機驅(qū)動，還可以由兩者一起驅(qū)動。當(dāng)發(fā)動機不工作時，電動機就可以驅(qū)動這個小巧的空氣壓縮機繼續(xù)工作，保證車內(nèi)的溫度。如果外面溫度特別高，需要高速制冷，單靠電動機驅(qū)動已經(jīng)不行時，發(fā)動機系統(tǒng)就會自動啟動，將冷氣源源不斷的供到車內(nèi)。當(dāng)車內(nèi)溫度已經(jīng)穩(wěn)定到最佳水平時，發(fā)動機又會自動關(guān)閉，從而節(jié)約油耗。

3.5 再生制動系統(tǒng)

IMA電動機能夠在制動，穩(wěn)定行駛，緩慢減速，或滑行時作為一個發(fā)電機，通過再生制動回收動能和以電能的形式將這些能量存入電池中。當(dāng)制動時，制動踏板傳感器給汽車IMA計算機（IPU）一個信號。計算機激活了剎車系統(tǒng)的制動主缸中的伺服單元，使機械制動和電動機能量回饋之間制動力均衡，以得到最大的能量回饋。本田原來的IMA系統(tǒng)是事先固定制動能量分配比率，低于最大能量回饋，而且沒有可變的比例。新系統(tǒng)更少的依賴傳統(tǒng)制動系統(tǒng)且減少了發(fā)動機的能量損失，能量回收能力比2005civic增加了70%，而且使得燃料供給更加節(jié)約。

3.6 系統(tǒng)控制

IMA系統(tǒng)的功率是通過智能動力單元（IPU）來控制的，其位置在后輪座下，IPU由動力控制單元（PCU），一個可再充鎳氫電池模塊和一個制冷單元組成具體外觀結(jié)構(gòu)如圖5所示。

PCU作為IPU的核心部分控制著電機輔助，制動回饋和電池（包括IMA電池包和12V電池）充放電。PCU通過節(jié)氣門開度，發(fā)動機參數(shù)和電池包的荷電狀態(tài)，來決定電能輔助的多少。其主要組成部分有電池監(jiān)控模塊（BCM-BatteryConditionMoni-tor），電機控制模塊（MCM-Motorcontrolmodule），電機驅(qū)動模塊（MDM-motordrivemodule）。第四代使用最新的電腦芯片技術(shù)，PCU的反映時間比以往的任何一代都要快。而采用最新開發(fā)的逆變器和DC-DC轉(zhuǎn)換器幫助IMA系統(tǒng)全面提高了其最大功率。完整的制冷系統(tǒng)降低了由電流進出電池包產(chǎn)生的熱量，制冷系統(tǒng)模塊安裝在電池箱外部，內(nèi)部箱體中的空氣不斷從后座下的通風(fēng)管溢出。

3.6.1 電池監(jiān)控模塊（BCM-BatteryConditionMonitor）

電池監(jiān)控模塊監(jiān)控的電池信息主要有：SOC，電池保護需求信息，電池溫度等。通過溫度傳感器，電壓傳感器和電流傳感器監(jiān)控主體電池，測定充放電比率，且將信息提供給電機控制模塊（MCM）。BCM控制IMA電池包荷電狀態(tài)在理想的狀態(tài)（20%～80%）下工作，同時防止額外的電量消耗和電池過充。電池監(jiān)控模塊同時控制著電池制冷風(fēng)扇的運行。

3.6.2 電機控制模塊（MCM-Motorcontrolmodule）

MCM控制著電機的各種行為，MCM是一個低壓的計算機，其主要功能有（1）與發(fā)動機控制模塊（ECM-Engine ControlModule）通信，決定車輛的運行狀態(tài)，同時將IMA系統(tǒng)中檢測到的問題，傳輸給ECM。（2）與電池監(jiān)控模塊BCM通信，獲得電池模塊的荷電狀態(tài)。這個信息用于保護電池模塊和保持適當(dāng)?shù)某潆娖胶?。?）與儀表盤連接，始終顯示IMA系統(tǒng)條件和運行狀態(tài)的信息。（4）與電機驅(qū)動模塊MDM連接來接收電機的整流信息，通過電壓轉(zhuǎn)換模塊控制電機功率變換器（MPI-MotorPowerInverter）。

3.6.3 電機驅(qū)動模塊（MDM-motordrivemodule）

電機驅(qū)動模塊控制電機輔助發(fā)動機和給電池充電，其可實現(xiàn)電流在電機和電池之間的雙向傳遞。其內(nèi)部主要為一個電機功率變換器（MPI）和電壓控制單元。在電機處于輔助狀態(tài)時，能量從電池模塊通過MPI轉(zhuǎn)換由直流變?yōu)?相交流電傳給電機。同時MCM收到三個電機整流傳感器反饋的信息，得到電機的狀態(tài)信息，通過在準(zhǔn)確的時間控制3相電流的相位來確保電機的正確運行。電壓轉(zhuǎn)換模塊收到電機控制模塊（MCM）的命令幾，通過控制絕緣柵雙極晶體管的開啟和關(guān)閉來滿足系統(tǒng)的要求。在制動時，電流從電機到MDM，電機產(chǎn)生3相交流電，通過MPI轉(zhuǎn)化為直流后給電池充電。

3.7 與前代的比較

表1所示為搭載第四代IMA的civic2006與前代civic2005兩種混合動力系統(tǒng)參數(shù)的對比。從與上代產(chǎn)品的對比中可以看出，主要部件選型未變，通過采用最新技術(shù)對發(fā)動機，電機和控制系統(tǒng)進行了改進，在減小各個部件空間的同時，增大了系統(tǒng)的動力性，使燃油和排放也有了很大的提高。

4 總結(jié)

作為一款已經(jīng)投放市場的混合動力汽車，civic2006具有了先進的技術(shù)特征和良好的整車性能。本文通過對本田第四代混合動力系統(tǒng)IMA的工作特性與主要零部件的分析研究，揭示了其基本的設(shè)計思想和工作原理，對于國內(nèi)輕度混聯(lián)混合動力汽車的研發(fā)具有一定的借鑒作用。

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