本田第四代混合動(dòng)力系統（IMA）技術(shù)研究

1前言

1997年，本田(Honda)公司開(kāi)發(fā)出第一代IMA(IntegratedMotorAssist)系統。1999年12月，搭載IMA系統的Insight在美國正式上市，本田成為第一個(gè)在北美銷(xiāo)售混合動(dòng)力車(chē)的公司。2003年，裝配第二代IMA系統的四門(mén)小型轎車(chē)civic投放市場(chǎng)，深受消費者歡迎。本田雅閣混合動(dòng)力車(chē)成為第三代IMA系統裝備起來(lái)的混合動(dòng)力中型轎車(chē)，也成為世界上第一款混合動(dòng)力中型轎車(chē)。

最近，本田將最新研制的第四代IMA混合動(dòng)力系統又應用在了2006款civic混合動(dòng)力車(chē)上。本田最新IMA混合動(dòng)力技術(shù)，也是目前唯一可以適用于現有量產(chǎn)車(chē)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保持著(zhù)領(lǐng)先地位。

2IMA系統介紹

2.1IMA系統組成

第四代IMA系統的主要部件有一個(gè)1.3-literi-VTEC4-cylinder汽油機，一個(gè)高功率的超薄永磁同步電動(dòng)機，一個(gè)無(wú)級變速器(CVT)和一個(gè)智能動(dòng)力單元(IPU-IntelligentPowerU-nit)。IPU由一個(gè)動(dòng)力控制單元(PCU-Powercon-trolUnit)，一組高性能鎳氫電池和一個(gè)制冷單元組成。汽油機和電機布置在車(chē)的前部，智能動(dòng)力單元布置在車(chē)的后部，具體結構如圖1所示。

2.2IMA系統工作過(guò)程

a.啟動(dòng)加速：發(fā)動(dòng)機以低速配氣正時(shí)狀態(tài)運轉，同時(shí)電機提供輔助能量。

b.急加速狀態(tài)：發(fā)動(dòng)機以高速配氣正時(shí)狀態(tài)運轉，此時(shí)電池會(huì )提供額外的功率來(lái)給電機與發(fā)動(dòng)機共同驅動(dòng)車(chē)輛，改善整車(chē)的加速性能，直到電池狀態(tài)監控模塊(BCM?BatteryConditionModule)發(fā)現電池電量不足，此時(shí)電池充電命令是關(guān)閉的。

C.低速巡航狀態(tài)：發(fā)動(dòng)機的四個(gè)氣缸閥門(mén)全部關(guān)閉，燃燒停止，車(chē)輛以純電動(dòng)狀態(tài)驅動(dòng)車(chē)輛。

d.一般加速或高速巡航：發(fā)動(dòng)機以低速配氣正時(shí)狀態(tài)運轉單獨驅動(dòng)車(chē)輛。

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

f.停車(chē)狀態(tài)：發(fā)動(dòng)機自動(dòng)關(guān)閉，來(lái)減少燃料損失和排放。

3IMA分析

3.1發(fā)動(dòng)機

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

3.1.1i-VTEC(intelligent-VariableValveTimingandLiftElectronicControlSystem)系統

VECT(VariableValveTimingandLiftElectronicControlSystem)即可變氣門(mén)配氣相位和氣門(mén)升程電子控制技術(shù)，通過(guò)電磁閥調節搖臂活塞液壓系統，從而使發(fā)動(dòng)機在不同的轉速工況下由不同的凸輪控制，影響進(jìn)氣門(mén)的開(kāi)度和時(shí)間。在發(fā)動(dòng)機低速運轉時(shí)，通過(guò)在主進(jìn)氣門(mén)和輔助進(jìn)氣門(mén)之間的升程差，創(chuàng )造成了一個(gè)合理的渦流比，可實(shí)現良好的性能。而在高速時(shí)維持了傳統4氣門(mén)發(fā)動(dòng)機的高功率輸出。從而使發(fā)動(dòng)機在具有高功率輸出的同時(shí)，保持了低油耗的性能。

i-VTEC系統是在VTEC系統上增加了可變正時(shí)控制系統(VTC-valveoverlapcontrol)機構，即i-VTEC=VTEC+VTC。通過(guò)ECU控制程序調節進(jìn)氣門(mén)的開(kāi)啟關(guān)閉，使氣門(mén)的重疊時(shí)間更加精確，達到最佳的進(jìn)、排氣時(shí)機，進(jìn)一步提高了發(fā)動(dòng)機功率，且幫助發(fā)動(dòng)機在車(chē)減速時(shí)減少能量損失。

3.1.2智能化雙火花塞順序點(diǎn)火i-DSI系統

智能化雙火花塞順序點(diǎn)火i-DSI系統，把通常1個(gè)汽缸1個(gè)火花塞控制點(diǎn)火方式改為在1個(gè)汽缸上安裝2個(gè)火花塞，分別設在進(jìn)氣側和排氣側，縮短了燃燒室內火焰傳播的時(shí)間，實(shí)現了全域范圍內的急速燃燒，同時(shí)降低了燃爆的傾向，使得大幅度提高壓縮比成為可能，實(shí)現了高輸出功率、高輸出扭矩及低油耗的統一。

本田獨有的雙火花塞連續控制系統是根據發(fā)動(dòng)機轉速和負荷狀況來(lái)編制的。當燃料化合物進(jìn)入燃燒室，第一個(gè)靠近人口的火花塞點(diǎn)火。馬上不久，靠近排氣口的第二個(gè)火花塞點(diǎn)火，促進(jìn)燃燒過(guò)程。與單一的火花塞系統相比，這個(gè)系統使燃燒更加完全。使發(fā)動(dòng)機輸出功率更大，油耗更少，排放降低。

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

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

3.2電動(dòng)機

MA電機是一個(gè)3相超薄永磁同步電機，安裝在發(fā)動(dòng)機和CVT(無(wú)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(dòng)機提供輔助推動(dòng)力給發(fā)動(dòng)機和在低速行駛狀態(tài)下的電動(dòng)機動(dòng)力，也作為發(fā)電機在減速和制動(dòng)時(shí)回收動(dòng)能給電池充電。由于電機的輔助使整車(chē)的動(dòng)力性得到了很大的提高，動(dòng)力性曲線(xiàn)如圖4所示。

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

3.3電池

電池是混合動(dòng)力系統的一個(gè)重要環(huán)節，存儲電力的多少，直接關(guān)系著(zhù)汽車(chē)的續航里程。新的混合動(dòng)力系統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(zhuān)門(mén)設計的電池箱外形緊湊，冷卻性和減震性也更好，為電池長(cháng)期穩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%節省了更多的空間。

3.4混合式空氣壓縮機

civic的車(chē)內空調采用專(zhuān)門(mén)設計的“混合式”空氣壓縮機，它即可以由發(fā)動(dòng)機驅動(dòng)，也可以由電動(dòng)機驅動(dòng)，還可以由兩者一起驅動(dòng)。當發(fā)動(dòng)機不工作時(shí)，電動(dòng)機就可以驅動(dòng)這個(gè)小巧的空氣壓縮機繼續工作，保證車(chē)內的溫度。如果外面溫度特別高，需要高速制冷，單靠電動(dòng)機驅動(dòng)已經(jīng)不行時(shí)，發(fā)動(dòng)機系統就會(huì )自動(dòng)啟動(dòng)，將冷氣源源不斷的供到車(chē)內。當車(chē)內溫度已經(jīng)穩定到最佳水平時(shí)，發(fā)動(dòng)機又會(huì )自動(dòng)關(guān)閉，從而節約油耗。

3.5再生制動(dòng)系統

IMA電動(dòng)機能夠在制動(dòng)，穩定行駛，緩慢減速，或滑行時(shí)作為一個(gè)發(fā)電機，通過(guò)再生制動(dòng)回收動(dòng)能和以電能的形式將這些能量存入電池中。當制動(dòng)時(shí)，制動(dòng)踏板傳感器給汽車(chē)IMA計算機(IPU)一個(gè)信號。計算機激活了剎車(chē)系統的制動(dòng)主缸中的伺服單元，使機械制動(dòng)和電動(dòng)機能量回饋之間制動(dòng)力均衡，以得到最大的能量回饋。本田原來(lái)的IMA系統是事先固定制動(dòng)能量分配比率，低于最大能量回饋，而且沒(méi)有可變的比例。新系統更少的依賴(lài)傳統制動(dòng)系統且減少了發(fā)動(dòng)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約。

3.6系統控制

IMA系統的功率是通過(guò)智能動(dòng)力單元(IPU)來(lái)控制的，其位置在后輪座下，IPU由動(dòng)力控制單元(PCU)，一個(gè)可再充鎳氫電池模塊和一個(gè)制冷單元組成具體外觀(guān)結構如圖5所示。

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

3.6.1電池監控模塊(BCM-BatteryConditionMonitor)

電池監控模塊監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(guò)溫度傳感器，電壓傳感器和電流傳感器監控主體電池，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(shí)防止額外的電量消耗和電池過(guò)充。電池監控模塊同時(shí)控制著(zhù)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(zhù)電機的各種行為，MCM是一個(gè)低壓的計算機，其主要功能有(1)與發(fā)動(dòng)機控制模塊(ECM-EngineControlModule)通信，決定車(chē)輛的運行狀態(tài)，同時(shí)將IMA系統中檢測到的問(wèn)題，傳輸給ECM。(2)與電池監控模塊BCM通信，獲得電池模塊的荷電狀態(tài)。這個(gè)信息用于保護電池模塊和保持適當的充電平衡。(3)與儀表盤(pán)連接，始終顯示IMA系統條件和運行狀態(tài)的信息。(4)與電機驅動(dòng)模塊MDM連接來(lái)接收電機的整流信息，通過(guò)電壓轉換模塊控制電機功率變換器(MPI-MotorPowerInverter)。

3.6.3電機驅動(dòng)模塊(MDM-motordrivemodule)

電機驅動(dòng)模塊控制電機輔助發(fā)動(dòng)機和給電池充電，其可實(shí)現電流在電機和電池之間的雙向傳遞。其內部主要為一個(gè)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(shí)，能量從電池模塊通過(guò)MPI轉換由直流變?yōu)?相交流電傳給電機。同時(shí)MCM收到三個(gè)電機整流傳感器反饋的信息，得到電機的狀態(tài)信息，通過(guò)在準確的時(shí)間控制3相電流的相位來(lái)確保電機的正確運行。電壓轉換模塊收到電機控制模塊(MCM)的命令幾，通過(guò)控制絕緣柵雙極晶體管的開(kāi)啟和關(guān)閉來(lái)滿(mǎn)足系統的要求。在制動(dòng)時(shí)，電流從電機到MDM，電機產(chǎn)生3相交流電，通過(guò)MPI轉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(dòng)力系統參數的對比。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(guò)采用最新技術(shù)對發(fā)動(dòng)機，電機和控制系統進(jìn)行了改進(jìn)，在減小各個(gè)部件空間的同時(shí)，增大了系統的動(dòng)力性，使燃油和排放也有了很大的提高。

4總結

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