于潮，張林濤，陳紅濤，王仁廣

(中國汽車技術(shù)研究中心，天津300162)

1 IMA混合動力系統(tǒng)介紹

本田汽車公司的混合動力汽車采用的是并聯(lián)式混合動力系統(tǒng) (圖1)，動力以發(fā)動機為主，結(jié)構(gòu)設(shè)計簡單、布置緊湊、質(zhì)量較輕。1997年，本田開發(fā)出第一代混合動力系統(tǒng) (IMA，Integrated Motor Assist)，并在1999年搭載于在美國銷售的Insight車型上，這使本田成為第一個在美國銷售混合動力車型的公司。2003年，第二代IMA混合動力系統(tǒng)問世，并應(yīng)用在Civic車型上。隨后，本田的第三代IMA混合動力系統(tǒng)出現(xiàn)在Accord車型上，第四代IMA混合動力系統(tǒng)用于在Civic車型上。IMA混合動力系統(tǒng)現(xiàn)在已經(jīng)有了第五代 (如圖2所示)，目前本田公司已經(jīng)擁有Civic、Insight、CR－Z和Fit等多款混合動力車型。

2 IMA混合動力系統(tǒng)的基本構(gòu)成

本節(jié)以第四代IMA系統(tǒng)為例，介紹其基本構(gòu)成。如圖3所示，該系統(tǒng)主要由發(fā)動機、電動機、CVT變速器、智能動力單元IPU(Intelligent Power Unit)等組成。

(1)發(fā)動機

本田公司的發(fā)動機技術(shù)是世界一流的，IMA混合動力系統(tǒng)之所以能夠?qū)崿F(xiàn)超低油耗，發(fā)動機的貢獻(xiàn)率非常高。IMA用發(fā)動機主要通過三項技術(shù)降低油耗，即可變氣門正時和升程控制技術(shù) (i-VTEC)、雙火花塞順序點火技術(shù) (i-DSI)、可變氣缸管理技術(shù) (VCM)。

i-VTEC(Intelligent-Variable Valve Timing and Lift Electronic Control)系統(tǒng)是利用進(jìn)氣凸輪軸上的主凸輪、次凸輪和中間凸輪及對應(yīng)的三套搖臂機構(gòu)組合控制同一缸內(nèi)的主、輔兩個進(jìn)氣門的升程，并通過液壓作動器調(diào)節(jié)進(jìn)氣凸輪軸的相位，實現(xiàn)可變正時控制 (VTC)，實時獲得最佳的配氣相位。當(dāng)發(fā)動機低速運行時，主進(jìn)氣門由主凸輪控制，開度大且開啟時間長，輔進(jìn)氣門由次凸輪控制，開度很小且開啟時間短，使得燃燒室內(nèi)產(chǎn)生渦流，從而提高燃燒效率;當(dāng)發(fā)動機高速運行時，主、輔進(jìn)氣門共同由中間凸輪控制，提高了開度和開啟時間，以獲得足夠的充氣量，提高發(fā)動機功率。

i-DSI系統(tǒng)是在一個氣缸上安裝兩個火花塞，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r間，實現(xiàn)了全域范圍內(nèi)的急速燃燒，使得大幅度提高壓縮比成為可能。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)荷狀況實時控制的，發(fā)動機低速運行時，燃燒室內(nèi)溫度較低的進(jìn)氣側(cè)先點火，以促進(jìn)燃燒、降低油耗;高速時兩處同時點火，通過加快燃燒速度提高功率。

VCM系統(tǒng)可實現(xiàn)四個氣缸全部停缸，由于IMA系統(tǒng)的電機與發(fā)動機曲軸連接，發(fā)動機需要在車輛減速時提供盡可能少的阻力，使電動機能夠更高效地給電池充電。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，即形成發(fā)動機制動。VCM消除了這種影響，使再生制動系統(tǒng)能夠盡可能多地回收能量。此外，VCM系統(tǒng)還可以減小發(fā)動機啟停時的沖擊。

(2)電機

IMA電機為三相超薄永磁同步電機，安裝在發(fā)動機和CVT之間，能夠提供15 kW的功率和139 N·m的轉(zhuǎn)矩。電機給發(fā)動機提供輔助動力或給車輛在低速狀態(tài)下提供驅(qū)動力，也可以作為發(fā)電機在減速和制動時回收動能給電池充電。IMA電機通過使用偏線圈纏繞，提高了線圈纏繞密度，使電機最大功率和最大轉(zhuǎn)矩分別增加了50%和14%，轉(zhuǎn)換效率由原來的94.6%提高到96%。

(3)無級變速器 (CVT)

通過CVT無級變速，不但能夠?qū)崿F(xiàn)平穩(wěn)的變速過程，而且同傳統(tǒng)的固定擋位的自動變速器相比，能夠使發(fā)動機和IMA電機工作在最優(yōu)區(qū)域，從而提高系統(tǒng)效率;新設(shè)計的起動離合器可以充分發(fā)揮IMA系統(tǒng)的優(yōu)點，其在低速時結(jié)合能夠提高起步加速性能和燃油經(jīng)濟性。

(4)智能動力單元IPU

IMA系統(tǒng)的動力流向是通過IPU來控制的，IPU由動力控制器 (PCU)和電池系統(tǒng)集成。其中PCU包括電池監(jiān)控模塊(BCM)、電機控制模塊 (MCM)和電機驅(qū)動模塊 (MDM)。

BCM主要監(jiān)控電池SOC、電池溫度、電池保護需求等信息。通過溫度傳感器、電壓傳感器和電流傳感器采集電池狀態(tài)信息，計算電池SOC，并將信息提供給MCM，同時控制電池制冷風(fēng)扇的運行。

MCM用于計算電機應(yīng)該達(dá)到運行狀態(tài)，主要功能包括:與發(fā)動機控制模塊 (ECM)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;與電池監(jiān)控模塊BCM通信，獲得電池模塊的荷電狀態(tài)，用于保護電池模塊和保持適當(dāng)?shù)碾姵仉娏科胶?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;與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)。

MDM依據(jù)MCM請求，控制電機執(zhí)行電動或發(fā)電運行，以驅(qū)動車輛或給電池充電，通過MPI完成直流電和三相交流電轉(zhuǎn)換，控制三相電流的相位來確保電機的正確運行，并通過DC/DC轉(zhuǎn)換器，完成電池和電機主流母線間之間的電壓轉(zhuǎn)換。

3 IMA系統(tǒng)的工作過程

IMA系統(tǒng)工作過程主要包括起步加速、急加速、低速巡航、輕加速和高速巡航、減速、停車幾個主要工況，具體說明如下:

(1)起步加速工況:發(fā)動機以低速配氣正時狀態(tài)運轉(zhuǎn)，同時電機提供輔助動力，以實現(xiàn)快速加速性能，同時達(dá)到節(jié)油要求。如圖4所示。

(2)急加速工況:發(fā)動機以高速配氣正時狀態(tài)運轉(zhuǎn)，此時電池給電機供電，電機與發(fā)動機共同驅(qū)動車輛，提高整車的加速性能。如圖5所示。

(3)低速巡航工況:發(fā)動機的四個氣缸的進(jìn)排氣閥全部關(guān)閉，發(fā)動機停止工作，車輛以純電動方式驅(qū)動車輛。如圖6所示。

(4)輕加速或高速巡航工況:發(fā)動機以低速配氣正時狀態(tài)運轉(zhuǎn)，此時發(fā)動機工作效率較高，單獨驅(qū)動車輛，電機不工作。如圖7所示。

(5)減速或制動工況:發(fā)動機關(guān)閉，電機此時以發(fā)電機方式工作，將機械能最大限度地轉(zhuǎn)化為電能，存儲到電池包中。車輛制動時，制動踏板傳感器給IPU一個信號，計算機控制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協(xié)調(diào)，以得到最大程度的能量回饋。如圖8所示。

(6)停車制動工況:發(fā)動機自動關(guān)閉，以減少燃料損失和排放，在制動踏板松開時自動起動發(fā)動機。如圖9所示。

4 結(jié)束語

通過對本田公司的IMA混合動力系統(tǒng)的組成、工作原理和工作模式的分析說明，可以清楚地了解本田公司的IMA混合動力系統(tǒng)的工作情況。

【1】http://www.crzforum.com/forum/engine-battery-discussion/777-hondas-ima-breakdown.html.

【2】http://world.honda.com/automobile-technology/IMA/ima03/.