本田IMA混合動力系統分析

于潮，張林濤，陳紅濤，王仁廣

(中國汽車技術研究中心，天津300162)

1 IMA混合動力系統介紹

本田汽車公司的混合動力汽車采用的是并聯式混合動力系統 (圖1)，動力以發動機為主，結構設計簡單、布置緊湊、質量較輕。1997年，本田開發出第一代混合動力系統 (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混合動力系統問世，并應用在Civic車型上。隨后，本田的第三代IMA混合動力系統出現在Accord車型上，第四代IMA混合動力系統用于在Civic車型上。IMA混合動力系統現在已經有了第五代 (如圖2所示)，目前本田公司已經擁有Civic、Insight、CR－Z和Fit等多款混合動力車型。

2 IMA混合動力系統的基本構成

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

(1)發動機

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

i-VTEC(Intelligent-Variable Valve Timing and Lift Electronic Control)系統是利用進氣凸輪軸上的主凸輪、次凸輪和中間凸輪及對應的三套搖臂機構組合控制同一缸內的主、輔兩個進氣門的升程，并通過液壓作動器調節進氣凸輪軸的相位，實現可變正時控制 (VTC)，實時獲得最佳的配氣相位。當發動機低速運行時，主進氣門由主凸輪控制，開度大且開啟時間長，輔進氣門由次凸輪控制，開度很小且開啟時間短，使得燃燒室內產生渦流，從而提高燃燒效率;當發動機高速運行時，主、輔進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，提高發動機功率。

i-DSI系統是在一個氣缸上安裝兩個火花塞，分別設在進氣側和排氣側，縮短了燃燒室內火焰傳播時間，實現了全域范圍內的急速燃燒，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控制系統是根據發動機轉速和負荷狀況實時控制的，發動機低速運行時，燃燒室內溫度較低的進氣側先點火，以促進燃燒、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系統可實現四個氣缸全部停缸，由于IMA系統的電機與發動機曲軸連接，發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。傳統的發動機在減速時，氣缸活塞的運行將提供一定阻力，即形成發動機制動。VCM消除了這種影響，使再生制動系統能夠盡可能多地回收能量。此外，VCM系統還可以減小發動機啟停時的沖擊。

(2)電機

IMA電機為三相超薄永磁同步電機，安裝在發動機和CVT之間，能夠提供15 kW的功率和139 N·m的轉矩。電機給發動機提供輔助動力或給車輛在低速狀態下提供驅動力，也可以作為發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矩分別增加了50%和14%，轉換效率由原來的94.6%提高到96%。

(3)無級變速器 (CVT)

通過CVT無級變速，不但能夠實現平穩的變速過程，而且同傳統的固定擋位的自動變速器相比，能夠使發動機和IMA電機工作在最優區域，從而提高系統效率;新設計的起動離合器可以充分發揮IMA系統的優點，其在低速時結合能夠提高起步加速性能和燃油經濟性。

(4)智能動力單元IPU

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

BCM主要監控電池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信息，計算電池SOC，并將信息提供給MCM，同時控制電池制冷風扇的運行。

MCM用于計算電機應該達到運行狀態，主要功能包括:與發動機控制模塊 (ECM)通信，決定車輛的運行狀態，同時將IMA系統中檢測到的問題，傳輸給ECM;與電池監控模塊BCM通信，獲得電池模塊的荷電狀態，用于保護電池模塊和保持適當的電池電量平衡;與儀表盤連接，始終顯示IMA系統條件和運行狀態的信息;與MDM連接來接收電機的整流信息，通過電壓轉換模塊控制電機功率變換器 (MPI)。

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

3 IMA系統的工作過程

IMA系統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:發動機以低速配氣正時狀態運轉，同時電機提供輔助動力，以實現快速加速性能，同時達到節油要求。如圖4所示。

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

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

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

(5)減速或制動工況:發動機關閉，電機此時以發電機方式工作，將機械能最大限度地轉化為電能，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調，以得到最大程度的能量回饋。如圖8所示。

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

4 結束語

通過對本田公司的IMA混合動力系統的組成、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/.