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1 前言 1997年，本田（Honda）公司開發出第一代IMA（IntegratedMotorAssist）系統。1999年12月，搭載IMA系統的Insight在美國正式上市，本田成為第一個在北美銷售混合動力車的公司。2003年，裝配第二代IMA系統的四門小型轎車civic投放市場，深受消費者歡迎。本田雅閣混合動力車成為第三代IMA系統裝備起來的混合動力中型轎車，也成為世界上第一款混合動力中型轎車。 最近，本田將最新研制的第四代IMA混合動力系統又應用在了2006款civic混合動力車上。本田最新IMA混合動力技術，也是目前唯一可以適用于現有量產車型的高端技術。在此研發領域中，本田始終在全球范圍內保持著領先地位。 2 IMA系統介紹 2.1 IMA系統組成 第四代IMA系統的主要部件有一個1.3-literi-VTEC4-cylinder汽油機，一個高功率的超薄永磁同步電動機，一個無級變速器（CVT）和一個智能動力單元（IPU-IntelligentPowerU-nit）。IPU由一個動力控制單元（PCU-Powercon-trolUnit），一組高性能鎳氫電池和一個制冷單元組成。汽油機和電機布置在車的前部，智能動力單元布置在車的后部，具體結構如圖1所示。 2.2 IMA系統工作過程 a.啟動加速：發動機以低速配氣正時狀態運轉，同時電機提供輔助能量。 b.急加速狀態：發動機以高速配氣正時狀態運轉，此時電池會提供額外的功率來給電機與發動機共同驅動車輛，改善整車的加速性能，直到電池狀態監控模塊（BCM?BatteryConditionModule）發現電池電量不足，此時電池充電命令是關閉的。 C.低速巡航狀態：發動機的四個氣缸閥門全部關閉，燃燒停止，車輛以純電動狀態驅動車輛。 d.一般加速或高速巡航：發動機以低速配氣正時狀態運轉單獨驅動車輛。 e.減速狀態：發動機關閉，電動機此時作為一個發電機。在電動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.停車狀態：發動機自動關閉，來減少燃料損失和排放。 3 IMA分析 3.1 發動機 2006款Civic混合動力1.3L發動機以2005款1.3Li-DSI發動機為基礎，對部件進行了改進。主要采用了i-VTEC和智能化雙火花塞順序點火技術（i-DSI）以及可變氣缸管理技術（VCM），實現了超低油耗，提高燃油經濟性。新系統提供了低速，高速及間歇3種模式的配氣正時狀態，通過4個氣缸全部間歇，可以提高減速時的能量回收效率，是目前最為先進的氣門控制技術。 3.1.1 i-VTEC（intelligent-VariableValveTimingandLiftElectronicControlSystem）系統 VECT（VariableValveTimingandLiftElectronicControlSystem）即可變氣門配氣相位和氣門升程電子控制技術，通過電磁閥調節搖臂活塞液壓系統，從而使發動機在不同的轉速工況下由不同的凸輪控制，影響進氣門的開度和時間。在發動機低速運轉時，通過在主進氣門和輔助進氣門之間的升程差，創造成了一個合理的渦流比，可實現良好的性能。而在高速時維持了傳統4氣門發動機的高功率輸出。從而使發動機在具有高功率輸出的同時，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控制系統（VTC-valveoverlapcontrol）機構，即i-VTEC=VTEC+VTC。通過ECU控制程序調節進氣門的開啟關閉，使氣門的重疊時間更加精確，達到最佳的進、排氣時機，進一步提高了發動機功率，且幫助發動機在車減速時減少能量損失。 3.1.2 智能化雙火花塞順序點火i-DSI系統 智能化雙火花塞順序點火i-DSI系統，把通常1個汽缸1個火花塞控制點火方式改為在1個汽缸上安裝2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的時間，實現了全域范圍內的急速燃燒，同時降低了燃爆的傾向，使得大幅度提高壓縮比成為可能，實現了高輸出功率、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動機轉速和負荷狀況來編制的。當燃料化合物進入燃燒室，第一個靠近人口的火花塞點火。馬上不久，靠近排氣口的第二個火花塞點火，促進燃燒過程。與單一的火花塞系統相比，這個系統使燃燒更加完全。使發動機輸出功率更大，油耗更少，排放降低。 3.1.3 VCM（variablecylindermanagement）即可變氣缸管理技術 新的VCM系統是一個上代的3缸間歇系統的改進，其可將4個氣缸全部間歇。電動機（同時作為發電機）附屬在發動機的機軸上，發動機需要在減速時提供盡可能少的阻力，使得電動機能夠更高效的給電池充電。傳統的發動機，在減速時，氣缸活塞的運行將提供一定阻力，或者叫（發動機制動）。VCM將消除這種影響，使得再生制動系統能夠盡可能多的回收能量。 3.2 電動機 MA電機是一個3相超薄永磁同步電機，安裝在發動機和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。電動機提供輔助推動力給發動機和在低速行駛狀態下的電動機動力，也作為發電機在減速和制動時回收動能給電池充電。由于電機的輔助使整車的動力性得到了很大的提高，動力性曲線如圖4所示。 電機使用了一種最新的偏線圈纏繞構造，這種線圈纏繞密度更大。這使得電動機最大功率和最大扭矩與2005版civic混合動力電機相比分別增加了50%和14%，轉換效率由原來的94.6%提高為96%。本田單獨研制了用于控制電動機速度的換流器，它與電動機的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機的效率和混合動力系統的燃油經濟性。 3.3 電池 電池是混合動力系統的一個重要環節，存儲電力的多少，直接關系著汽車的續航里程。新的混合動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，專門設計的電池箱外形緊湊，冷卻性和減震性也更好，為電池長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的車內空調采用專門設計的“混合式”空氣壓縮機，它即可以由發動機驅動，也可以由電動機驅動，還可以由兩者一起驅動。當發動機不工作時，電動機就可以驅動這個小巧的空氣壓縮機繼續工作，保證車內的溫度。如果外面溫度特別高，需要高速制冷，單靠電動機驅動已經不行時，發動機系統就會自動啟動，將冷氣源源不斷的供到車內。當車內溫度已經穩定到最佳水平時，發動機又會自動關閉，從而節約油耗。 3.5 再生制動系統 IMA電動機能夠在制動，穩定行駛，緩慢減速，或滑行時作為一個發電機，通過再生制動回收動能和以電能的形式將這些能量存入電池中。當制動時，制動踏板傳感器給汽車IMA計算機（IPU）一個信號。計算機激活了剎車系統的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均衡，以得到最大的能量回饋。本田原來的IMA系統是事先固定制動能量分配比率，低于最大能量回饋，而且沒有可變的比例。新系統更少的依賴傳統制動系統且減少了發動機的能量損失，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系統的功率是通過智能動力單元（IPU）來控制的，其位置在后輪座下，IPU由動力控制單元（PCU），一個可再充鎳氫電池模塊和一個制冷單元組成具體外觀結構如圖5所示。 PCU作為IPU的核心部分控制著電機輔助，制動回饋和電池（包括IMA電池包和12V電池）充放電。PCU通過節氣門開度，發動機參數和電池包的荷電狀態，來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），電機驅動模塊（MDM-motordrivemodule）。第四代使用最新的電腦芯片技術，PCU的反映時間比以往的任何一代都要快。而采用最新開發的逆變器和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出電池包產生的熱量，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電池包荷電狀態在理想的狀態（20%～80%）下工作，同時防止額外的電量消耗和電池過充。電池監控模塊同時控制著電池制冷風扇的運行。 3.6.2 電機控制模塊（MCM-Motorcontrolmodule） MCM控制著電機的各種行為，MCM是一個低壓的計算機，其主要功能有（1）與發動機控制模塊（ECM-Engine ControlModule）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。（2）與電池監控模塊BCM通信，獲得電池模塊的荷電狀態。這個信息用于保護電池模塊和保持適當的充電平衡。（3）與儀表盤連接，始終顯示IMA系統條件和運行狀態的信息。（4）與電機驅動模塊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-MotorPowerInverter）。 3.6.3 電機驅動模塊（MDM-motordrivemodule） 電機驅動模塊控制電機輔助發動機和給電池充電，其可實現電流在電機和電池之間的雙向傳遞。其內部主要為一個電機功率變換器（MPI）和電壓控制單元。在電機處于輔助狀態時，能量從電池模塊通過MPI轉換由直流變為3相交流電傳給電機。同時MCM收到三個電機整流傳感器反饋的信息，得到電機的狀態信息，通過在準確的時間控制3相電流的相位來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，通過控制絕緣柵雙極晶體管的開啟和關閉來滿足系統的要求。在制動時，電流從電機到MDM，電機產生3相交流電，通過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civic2005兩種混合動力系統參數的對比。從與上代產品的對比中可以看出，主要部件選型未變，通過采用最新技術對發動機，電機和控制系統進行了改進，在減小各個部件空間的同時，增大了系統的動力性，使燃油和排放也有了很大的提高。 4 總結 作為一款已經投放市場的混合動力汽車，civic2006具有了先進的技術特征和良好的整車性能。本文通過對本田第四代混合動力系統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，對于國內輕度混聯混合動力汽車的研發具有一定的借鑒作用。 |
