本田第四代混合动力系统（IMA）研究

牛人

1 前言  
    1997年，本田（Honda）公司开发出第一代IMA（Integrated Motor Assist）系统。1999年12月，搭载IMA系统的Insight在美国正式上市，本田成为第一个在北美销售混合动力车的公司。2003年，装配第二代IMA系统的四门小型轿车civic投放市场，深受消费者欢迎。本田雅阁混合动力车成为第三代IMA系统装备起来的混合动力中型轿车，也成为世界上第一款混合动力中型轿车。  
    到2005年4月份，本田混合动力车全球销量突破了10万台。2005年ll月份，本田技研工业株式会社专务兵后笃芳在“2005年中国（广州）汽车论坛”上透露，旗下广州本田、东风本田两家合资公司都将在中国推出混合动力轿车，分别是雅阁和思域混合动力轿车。最近，本田将最新研制的第四代IMA混合动力系统又应用在了2006款civic混合动力车上。本田最新IMA混合动力技术，也是目前唯一可以适用于现有量产车型的高端技术。在此研发领域中，本田始终在全球范围内保持着领先地位。  
    2 IMA系统介绍  
    2.1 IMA系统组成  
    第四代IMA系统的主要部件有一个1.3-literi-VTEC 4-cylinder汽油机，一个高功率的超薄永磁同步电动机，一个无级变速器（CVT）和一个智能动力单元（IPU -Intelligent Power U-nit）。IPU由一个动力控制单元（PCU - Power con-trol Unit ），一组高性能镍氢电池和一个制冷单元组成。汽油机和电机布置在车的前部，智能动力单元布置在车的后部，具体结构如图1所示。

2.2 IMA系统工作过程  
    a.启动加速：发动机以低速配气正时状态运转，同时电机提供辅助能量。  
    b.急加速状态：发动机以高速配气正时状态运转，此时电池会提供额外的功率来给电机与发动机共同驱动车辆，改善整车的加速性能，直到电池状态监控模块（BCM—Battery Condition Module）发现电池电量不足，此时电池充电命令是关闭的。  
    C.低速巡航状态：发动机的四个气缸阀门全部关闭，燃烧停止，车辆以纯电动状态驱动车辆。  
    d.一般加速或高速巡航：发动机以低速配气正时状态运转单独驱动车辆。  
    e.减速状态：发动机关闭，电动机此时作为一个发电机。在电动控制传输系统的帮助下将机械能最大限度的转化为电能，存储到电池组中。  
    f.停车状态：发动机自动关闭，来减少燃料损失和排放。  
    3 IMA分析  
    3.1 发动机  
    2006款Civic混合动力 1.3L发动机以2005款1.3Li-DSI发动机为基础，对部件进行了改进。主要采用了i-VTEC和智能化双火花塞顺序点火技术（ i-DSI）以及可变气缸管理技术（VCM），实现了超低油耗，提高燃油经济性。新系统提供了低速，高速及间歇3种模式的配气正时状态，通过4个气缸全部间歇，可以提高减速时的能量回收效率，是目前最为先进的气门控制技术。  
    3.1.1 i-VTEC （intelligent-Variable Valve Timingand Lift Electronic Control System）系统  
    VECT （Variable Valve Timing and Lift ElectronicControl System）即可变气门配气相位和气门升程电子控制技术，通过电磁阀调节摇臂活塞液压系统，从而使发动机在不同的转速工况下由不同的凸轮控制，影响进气门的开度和时间。在发动机低速运转时，通过在主进气门和辅助进气门之间的升程差，创造成了一个合理的涡流比，可实现良好的性能。而在高速时维持了传统4气门发动机的高功率输出。从而使发动机在具有高功率输出的同时，保持了低油耗的性能。  
    i-VTEC系统是在VTEC系统上增加了可变正时控制系统（VTC-valve overlap control）机构，即i-VTEC=VTEC+VTC。通过ECU控制程序调节进气门的开启关闭，使气门的重叠时间更加精确，达到最佳的进、排气时机，进一步提高了发动机功率，且帮助发动机在车减速时减少能量损失。  
    3.1.2 智能化双火花塞顺序点火i-DSI系统  
    智能化双火花塞顺序点火i-DSI系统，把通常1个汽缸1个火花塞控制点火方式改为在1个汽缸上安装2个火花塞，分别设在进气侧和排气侧，缩短了燃烧室内火焰传播的时间，实现了全域范围内的急速燃烧，同时降低了燃爆的倾向，使得大幅度提高压缩比成为可能，实现了高输出功率、高输出扭矩及低油耗的统一。  
    本田独有的双火花塞连续控制系统是根据发动机转速和负荷状况来编制的。当燃料化合物进入燃烧室，第一个靠近人口的火花塞点火。马上不久，靠近排气口的第二个火花塞点火，促进燃烧过程。与单一的火花塞系统相比，这个系统使燃烧更加完全。使发动机输出功率更大，油耗更少，排放降低。


    3.1.3 VCM（variable cylinder management）即可变气缸管理技术  
    新的VCM系统是一个上代的3缸间歇系统的改进，其可将4个气缸全部间歇。电动机（同时作为发电机）附属在发动机的机轴上，发动机需要在减速时提供尽可能少的阻力，使得电动机能够更高效的给电池充电。传统的发动机，在减速时，气缸活塞的运行将提供一定阻力，或者叫（发动机制动）。VCM将消除这种影响，使得再生制动系统能够尽可能多的回收能量。  
    3.2 电动机  
    IMA电机是一个3相超薄永磁同步电机，安装在发动机和CVT（无极变速器）之间，最大能够提供15KW的功率和139Nm的辅助力矩。电动机提供辅助推动力给发动机和在低速行驶状态下的电动机动力，也作为发电机在减速和制动时回收动能给电池充电。由于电机的辅助使整车的动力性得到了很大的提高，动力性曲线如图4所示。

电机使用了一种最新的偏线圈缠绕构造，这种线圈缠绕密度更大。这使得电动机最大功率和最大扭矩与2005版civic混合动力电机相比分别增加了50%和14%，转换效率由原来的94.6%提高为96%。本田单独研制了用于控制电动机速度的换流器，它与电动机的ECU（嵌人控制单元）集成在一起，采用数字式通讯方式，使控制更为准确，这样也就提高了电动机的效率和混合动力系统的燃油经济性。  
    3.3 电池  
    电池是混合动力系统的一个重要环节，存储电力的多少，直接关系着汽车的续航里程。新的混合动力系统采用最新研制的高效镍氢电池，它比上代提升了30%的蓄电能力，电池电压由144伏升高到了158伏，专门设计的电池箱外形紧凑，冷却性和减震性也更好，为电池长期稳定地工作提供了保证。采用全新的松下的双模包装与前代相比减轻了重量而且增加了电流的效率，体积减小了12%节省了更多的空间。  
    3.4 混合式空气压缩机  
    civic的车内空调采用专门设计的“混合式”空气压缩机，它即可以由发动机驱动，也可以由电动机驱动，还可以由两者一起驱动。当发动机不工作时，电动机就可以驱动这个小巧的空气压缩机继续工作，保证车内的温度。如果外面温度特别高，需要高速制冷，单靠电动机驱动已经不行时，发动机系统就会自动启动，将冷气源源不断的供到车内。当车内温度已经稳定到最佳水平时，发动机又会自动关闭，从而节约油耗。  
    3.5 再生制动系统  
    IMA电动机能够在制动，稳定行驶，缓慢减速，或滑行时作为一个发电机，通过再生制动回收动能和以电能的形式将这些能量存入电池中。当制动时，制动踏板传感器给汽车IMA计算机（IPU）一个信号。计算机激活了刹车系统的制动主缸中的伺服单元，使机械制动和电动机能量回馈之间制动力均衡，以得到最大的能量回馈。本田原来的IMA系统是事先固定制动能量分配比率，低于最大能量回馈，而且没有可变的比例。新系统更少的依赖传统制动系统且减少了发动机的能量损失，能量回收能力比2005civic增加了70%，而且使得燃料供给更加节约。  
    3.6 系统控制  
    IMA系统的功率是通过智能动力单元（IPU）来控制的，其位置在后轮座下，IPU由动力控制单元（PCU），一个可再充镍氢电池模块和一个制冷单元组成具体外观结构如图5所示。

    PCU作为IPU的核心部分控制着电机辅助，制动回馈和电池（包括IMA电池包和12V电池）充放电。PCU通过节气门开度，发动机参数和电池包的荷电状态，来决定电能辅助的多少。其主要组成部分有电池监控模块（BCM-Battery Condition Moni-tor），电机控制模块（MCM-Motor control module），电机驱动模块（MDM-motor drive module）。第四代使用最新的电脑芯片技术，PCU的反映时间比以往的任何一代都要快。而采用最新开发的逆变器和DC-DC转换器帮助IMA系统全面提高了其最大功率。完整的制冷系统降低了由电流进出电池包产生的热量，制冷系统模块安装在电池箱外部，内部箱体中的空气不断从后座下的通风管溢出。

    3.6.1 电池监控模块（BCM-Battery Condition Monitor）  
    电池监控模块监控的电池信息主要有：SOC，电池保护需求信息，电池温度等。通过温度传感器，电压传感器和电流传感器监控主体电池，测定充放电比率，且将信息提供给电机控制模块（MCM）。BCM控制IMA电池包荷电状态在理想的状态（20%～80%）下工作，同时防止额外的电量消耗和电池过充。电池监控模块同时控制着电池制冷风扇的运行。  
    3.6.2 电机控制模块（MCM-Motor control module）  
    MCM控制着电机的各种行为，MCM是一个低压的计算机，其主要功能有（1）与发动机控制模块（ECM-Engine Control Module）通信，决定车辆的运行状态，同时将IMA系统中检测到的问题，传输给ECM。（2）与电池监控模块BCM通信，获得电池模块的荷电状态。这个信息用于保护电池模块和保持适当的充电平衡。（3）与仪表盘连接，始终显示IMA系统条件和运行状态的信息。（4）与电机驱动模块MDM连接来接收电机的整流信息，通过电压转换模块控制电机功率变换器（MPI-Motor Power Inverter）。  
    3.6.3 电机驱动模块（MDM-motor drive module）  
    电机驱动模块控制电机辅助发动机和给电池充电，其可实现电流在电机和电池之间的双向传递。其内部主要为一个电机功率变换器（MPI）和电压控制单元。在电机处于辅助状态时，能量从电池模块通过MPI转换由直流变为3相交流电传给电机。同时MCM收到三个电机整流传感器反馈的信息，得到电机的状态信息，通过在准确的时间控制3相电流的相位来确保电机的正确运行。电压转换模块收到电机控制模块（MCM）的命令几，通过控制绝缘栅双极晶体管的开启和关闭来满足系统的要求。在制动时，电流从电机到MDM，电机产生3相交流电，通过MPI转化为直流后给电池充电。  
    3.7 与前代的比较

    表1所示为搭载第四代IMA的civic2006与前代civic2005两种混合动力系统参数的对比。从与上代产品的对比中可以看出，主要部件选型未变，通过采用最新技术对发动机，电机和控制系统进行了改进，在减小各个部件空间的同时，增大了系统的动力性，使燃油和排放也有了很大的提高。  
    4 总结  
    作为一款已经投放市场的混合动力汽车，civic2006具有了先进的技术特征和良好的整车性能。本文通过对本田第四代混合动力系统IMA的工作特性与主要零部件的分析研究，揭示了其基本的设计思想和工作原理，对于国内轻度混联混合动力汽车的研发具有一定的借鉴作用。
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