第四代IMA混合動(dòng)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(gè)在北美銷售混合動(dòng)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(fèi)者歡迎。本田雅閣混合動(dòng)力車成為第三代IMA系統(tǒng)裝備起來的混合動(dòng)力中型轎車，也成為世界上第一款混合動(dòng)力中型轎車。

最近，本田將最新研制的第四代IMA混合動(dòng)力系統(tǒng)又應(yīng)用在了2006款civic混合動(dòng)力車上。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(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(gè)1.3-literi-VTEC4-cylinder汽油機(jī)，一個(gè)高功率的超薄永磁同步電動(dòng)機(jī)，一個(gè)無級變速器（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(jī)和電機(jī)布置在車的前部，智能動(dòng)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(dòng)加速：發(fā)動(dòng)機(jī)以低速配氣正時(shí)狀態(tài)運(yùn)轉(zhuǎn)，同時(shí)電機(jī)提供輔助能量。

b.急加速狀態(tài)：發(fā)動(dòng)機(jī)以高速配氣正時(shí)狀態(tài)運(yùn)轉(zhuǎn)，此時(shí)電池會(huì)提供額外的功率來給電機(jī)與發(fā)動(dòng)機(jī)共同驅(qū)動(dòng)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(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(jī)的四個(gè)氣缸閥門全部關(guān)閉，燃燒停止，車輛以純電動(dòng)狀態(tài)驅(qū)動(dòng)車輛。

d.一般加速或高速巡航：發(fā)動(dòng)機(jī)以低速配氣正時(shí)狀態(tài)運(yùn)轉(zhuǎn)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)車輛。

e.減速狀態(tài)：發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)閉，電動(dòng)機(jī)此時(shí)作為一個(gè)發(fā)電機(jī)。在電動(dòng)控制傳輸系統(tǒng)的幫助下將機(jī)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(dòng)機(jī)自動(dòng)關(guān)閉，來減少燃料損失和排放。

3 IMA分析

3.1 發(fā)動(dòng)機(jī)

2006款Civic混合動(dòng)力1.3L發(fā)動(dòng)機(jī)以2005款1.3Li-DSI發(fā)動(dòng)機(jī)為基礎(chǔ)，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(xiàn)了超低油耗，提高燃油經(jīng)濟(jì)性。新系統(tǒng)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(dòng)機(jī)在不同的轉(zhuǎn)速工況下由不同的凸輪控制，影響進(jìn)氣門的開度和時(shí)間。在發(fā)動(dòng)機(jī)低速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，通過在主進(jìn)氣門和輔助進(jìn)氣門之間的升程差，創(chuàng)造成了一個(gè)合理的渦流比，可實(shí)現(xiàn)良好的性能。而在高速時(shí)維持了傳統(tǒng)4氣門發(fā)動(dòng)機(jī)的高功率輸出。從而使發(fā)動(dòng)機(jī)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(tǒng)是在VTEC系統(tǒng)上增加了可變正時(shí)控制系統(tǒng)（VTC-valveoverlapcontrol）機(jī)構(gòu)，即i-VTEC=VTEC+VTC。通過ECU控制程序調(diào)節(jié)進(jìn)氣門的開啟關(guān)閉，使氣門的重疊時(shí)間更加精確，達(dá)到最佳的進(jìn)、排氣時(shí)機(jī)，進(jìn)一步提高了發(fā)動(dòng)機(jī)功率，且?guī)椭l(fā)動(dòng)機(jī)在車減速時(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(tǒng)

智能化雙火花塞順序點(diǎn)火i-DSI系統(tǒng)，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(shè)在進(jìn)氣側(cè)和排氣側(cè)，縮短了燃燒室內(nèi)火焰?zhèn)鞑サ臅r(shí)間，實(shí)現(xiàn)了全域范圍內(nèi)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(xiàn)了高輸出功率、高輸出扭矩及低油耗的統(tǒng)一。

本田獨(dú)有的雙火花塞連續(xù)控制系統(tǒng)是根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和負(fù)荷狀況來編制的。當(dāng)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)燃燒過程。與單一的火花塞系統(tǒng)相比，這個(gè)系統(tǒng)使燃燒更加完全。使發(fā)動(dòng)機(jī)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(gè)上代的3缸間歇系統(tǒng)的改進(jìn)，其可將4個(gè)氣缸全部間歇。電動(dòng)機(jī)（同時(shí)作為發(fā)電機(jī)）附屬在發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)軸上，發(fā)動(dòng)機(jī)需要在減速時(shí)提供盡可能少的阻力，使得電動(dòng)機(jī)能夠更高效的給電池充電。傳統(tǒng)的發(fā)動(dòng)機(jī)，在減速時(shí)，氣缸活塞的運(yùn)行將提供一定阻力，或者叫（發(fā)動(dòng)機(jī)制動(dòng)）。VCM將消除這種影響，使得再生制動(dòng)系統(tǒng)能夠盡可能多的回收能量。

3.2 電動(dòng)機(jī)

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

電機(jī)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(dòng)機(jī)最大功率和最大扭矩與2005版civic混合動(dòng)力電機(jī)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(dú)研制了用于控制電動(dòng)機(jī)速度的換流器，它與電動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)的效率和混合動(dòng)力系統(tǒng)的燃油經(jīng)濟(jì)性。

3.3 電池

電池是混合動(dòng)力系統(tǒng)的一個(gè)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(dòng)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(jì)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(jī)

civic的車內(nèi)空調(diào)采用專門設(shè)計(jì)的“混合式”空氣壓縮機(jī)，它即可以由發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，也可以由電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，還可以由兩者一起驅(qū)動(dòng)。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)不工作時(shí)，電動(dòng)機(jī)就可以驅(qū)動(dòng)這個(gè)小巧的空氣壓縮機(jī)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(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)已經(jīng)不行時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)就會(huì)自動(dòng)啟動(dòng)，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(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)又會(huì)自動(dòng)關(guān)閉，從而節(jié)約油耗。

3.5 再生制動(dòng)系統(tǒng)

IMA電動(dòng)機(jī)能夠在制動(dòng)，穩(wěn)定行駛，緩慢減速，或滑行時(shí)作為一個(gè)發(fā)電機(jī)，通過再生制動(dòng)回收動(dòng)能和以電能的形式將這些能量存入電池中。當(dāng)制動(dòng)時(shí)，制動(dòng)踏板傳感器給汽車IMA計(jì)算機(jī)（IPU）一個(gè)信號。計(jì)算機(jī)激活了剎車系統(tǒng)的制動(dòng)主缸中的伺服單元，使機(jī)械制動(dòng)和電動(dòng)機(jī)能量回饋之間制動(dòng)力均衡，以得到最大的能量回饋。本田原來的IMA系統(tǒng)是事先固定制動(dòng)能量分配比率，低于最大能量回饋，而且沒有可變的比例。新系統(tǒng)更少的依賴傳統(tǒng)制動(dòng)系統(tǒng)且減少了發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)力單元（IPU）來控制的，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結(jié)構(gòu)如圖5所示。

PCU作為IPU的核心部分控制著電機(jī)輔助，制動(dòng)回饋和電池（包括IMA電池包和12V電池）充放電。PCU通過節(jié)氣門開度，發(fā)動(dòng)機(jī)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(jī)控制模塊（MCM-Motorcontrolmodule），電機(jī)驅(qū)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(jìn)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(hù)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(jī)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充。電池監(jiān)控模塊同時(shí)控制著電池制冷風(fēng)扇的運(yùn)行。

3.6.2 電機(jī)控制模塊（MCM-Motorcontrolmodule）

MCM控制著電機(jī)的各種行為，MCM是一個(gè)低壓的計(jì)算機(jī)，其主要功能有（1）與發(fā)動(dòng)機(jī)控制模塊（ECM-Engine ControlModule）通信，決定車輛的運(yùn)行狀態(tài)，同時(shí)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(gè)信息用于保護(hù)電池模塊和保持適當(dāng)?shù)某潆娖胶狻＃?）與儀表盤連接，始終顯示IMA系統(tǒng)條件和運(yùn)行狀態(tài)的信息。（4）與電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊MDM連接來接收電機(jī)的整流信息，通過電壓轉(zhuǎn)換模塊控制電機(jī)功率變換器（MPI-MotorPowerInverter）。

3.6.3 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊（MDM-motordrivemodule）

電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊控制電機(jī)輔助發(fā)動(dòng)機(jī)和給電池充電，其可實(shí)現(xiàn)電流在電機(jī)和電池之間的雙向傳遞。其內(nèi)部主要為一個(gè)電機(jī)功率變換器（MPI）和電壓控制單元。在電機(jī)處于輔助狀態(tài)時(shí)，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(jī)。同時(shí)MCM收到三個(gè)電機(jī)整流傳感器反饋的信息，得到電機(jī)的狀態(tài)信息，通過在準(zhǔn)確的時(shí)間控制3相電流的相位來確保電機(jī)的正確運(yùn)行。電壓轉(zhuǎn)換模塊收到電機(jī)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(dòng)時(shí)，電流從電機(jī)到MDM，電機(jī)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(dòng)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(dòng)機(jī)，電機(jī)和控制系統(tǒng)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(tǒng)的動(dòng)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(dòng)力汽車，civic2006具有了先進(jìn)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(dòng)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(jì)思想和工作原理，對于國內(nèi)輕度混聯(lián)混合動(dòng)力汽車的研發(fā)具有一定的借鑒作用。

責(zé)任編輯：gt