本田IMA混合动力系统分析

于潮，张林涛，陈红涛，王仁广

(中国汽车技术研究中心，天津300162)

1 IMA混合动力系统介绍

本田汽车公司的混合动力汽车采用的是并联式混合动力系统 (图1)，动力以发动机为主，结构设计简单、布置紧凑、质量较轻。1997年，本田开发出第一代混合动力系统 (IMA，Integrated Motor Assist)，并在1999年搭载于在美国销售的Insight车型上，这使本田成为第一个在美国销售混合动力车型的公司。2003年，第二代IMA混合动力系统问世，并应用在Civic车型上。随后，本田的第三代IMA混合动力系统出现在Accord车型上，第四代IMA混合动力系统用于在Civic车型上。IMA混合动力系统现在已经有了第五代 (如图2所示)，目前本田公司已经拥有Civic、Insight、CR－Z和Fit等多款混合动力车型。

2 IMA混合动力系统的基本构成

本节以第四代IMA系统为例，介绍其基本构成。如图3所示，该系统主要由发动机、电动机、CVT变速器、智能动力单元IPU(Intelligent Power Unit)等组成。

(1)发动机

本田公司的发动机技术是世界一流的，IMA混合动力系统之所以能够实现超低油耗，发动机的贡献率非常高。IMA用发动机主要通过三项技术降低油耗，即可变气门正时和升程控制技术 (i-VTEC)、双火花塞顺序点火技术 (i-DSI)、可变气缸管理技术 (VCM)。

i-VTEC(Intelligent-Variable Valve Timing and Lift Electronic Control)系统是利用进气凸轮轴上的主凸轮、次凸轮和中间凸轮及对应的三套摇臂机构组合控制同一缸内的主、辅两个进气门的升程，并通过液压作动器调节进气凸轮轴的相位，实现可变正时控制 (VTC)，实时获得最佳的配气相位。当发动机低速运行时，主进气门由主凸轮控制，开度大且开启时间长，辅进气门由次凸轮控制，开度很小且开启时间短，使得燃烧室内产生涡流，从而提高燃烧效率;当发动机高速运行时，主、辅进气门共同由中间凸轮控制，提高了开度和开启时间，以获得足够的充气量，提高发动机功率。

i-DSI系统是在一个气缸上安装两个火花塞，分别设在进气侧和排气侧，缩短了燃烧室内火焰传播时间，实现了全域范围内的急速燃烧，使得大幅度提高压缩比成为可能。本田独有的双火花塞连续控制系统是根据发动机转速和负荷状况实时控制的，发动机低速运行时，燃烧室内温度较低的进气侧先点火，以促进燃烧、降低油耗;高速时两处同时点火，通过加快燃烧速度提高功率。

VCM系统可实现四个气缸全部停缸，由于IMA系统的电机与发动机曲轴连接，发动机需要在车辆减速时提供尽可能少的阻力，使电动机能够更高效地给电池充电。传统的发动机在减速时，气缸活塞的运行将提供一定阻力，即形成发动机制动。VCM消除了这种影响，使再生制动系统能够尽可能多地回收能量。此外，VCM系统还可以减小发动机启停时的冲击。

(2)电机

IMA电机为三相超薄永磁同步电机，安装在发动机和CVT之间，能够提供15 kW的功率和139 N·m的转矩。电机给发动机提供辅助动力或给车辆在低速状态下提供驱动力，也可以作为发电机在减速和制动时回收动能给电池充电。IMA电机通过使用偏线圈缠绕，提高了线圈缠绕密度，使电机最大功率和最大转矩分别增加了50%和14%，转换效率由原来的94.6%提高到96%。

(3)无级变速器 (CVT)

通过CVT无级变速，不但能够实现平稳的变速过程，而且同传统的固定挡位的自动变速器相比，能够使发动机和IMA电机工作在最优区域，从而提高系统效率;新设计的起动离合器可以充分发挥IMA系统的优点，其在低速时结合能够提高起步加速性能和燃油经济性。

(4)智能动力单元IPU

IMA系统的动力流向是通过IPU来控制的，IPU由动力控制器 (PCU)和电池系统集成。其中PCU包括电池监控模块(BCM)、电机控制模块 (MCM)和电机驱动模块 (MDM)。

BCM主要监控电池SOC、电池温度、电池保护需求等信息。通过温度传感器、电压传感器和电流传感器采集电池状态信息，计算电池SOC，并将信息提供给MCM，同时控制电池制冷风扇的运行。

MCM用于计算电机应该达到运行状态，主要功能包括:与发动机控制模块 (ECM)通信，决定车辆的运行状态，同时将IMA系统中检测到的问题，传输给ECM;与电池监控模块BCM通信，获得电池模块的荷电状态，用于保护电池模块和保持适当的电池电量平衡;与仪表盘连接，始终显示IMA系统条件和运行状态的信息;与MDM连接来接收电机的整流信息，通过电压转换模块控制电机功率变换器 (MPI)。

MDM依据MCM请求，控制电机执行电动或发电运行，以驱动车辆或给电池充电，通过MPI完成直流电和三相交流电转换，控制三相电流的相位来确保电机的正确运行，并通过DC/DC转换器，完成电池和电机主流母线间之间的电压转换。

3 IMA系统的工作过程

IMA系统工作过程主要包括起步加速、急加速、低速巡航、轻加速和高速巡航、减速、停车几个主要工况，具体说明如下:

(1)起步加速工况:发动机以低速配气正时状态运转，同时电机提供辅助动力，以实现快速加速性能，同时达到节油要求。如图4所示。

(2)急加速工况:发动机以高速配气正时状态运转，此时电池给电机供电，电机与发动机共同驱动车辆，提高整车的加速性能。如图5所示。

(3)低速巡航工况:发动机的四个气缸的进排气阀全部关闭，发动机停止工作，车辆以纯电动方式驱动车辆。如图6所示。

(4)轻加速或高速巡航工况:发动机以低速配气正时状态运转，此时发动机工作效率较高，单独驱动车辆，电机不工作。如图7所示。

(5)减速或制动工况:发动机关闭，电机此时以发电机方式工作，将机械能最大限度地转化为电能，存储到电池包中。车辆制动时，制动踏板传感器给IPU一个信号，计算机控制制动主缸中的伺服单元，使机械制动和电动机能量回馈之间制动力协调，以得到最大程度的能量回馈。如图8所示。

(6)停车制动工况:发动机自动关闭，以减少燃料损失和排放，在制动踏板松开时自动起动发动机。如图9所示。

4 结束语

通过对本田公司的IMA混合动力系统的组成、工作原理和工作模式的分析说明，可以清楚地了解本田公司的IMA混合动力系统的工作情况。

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

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