混合动力汽车传动系统能量流分析

摘要：汽车在1898年以前，发动机动力输出后直接通过齿轮传给驱动轴，因而限制了发动机的安装位置只能紧靠驱动轮轴，使汽车的造型设计产生了困难。法国雷诺汽车公司的创始人路易斯·雷诺，通过多年的苦心钻研和实验，终于试制出了万向节和差动轴齿轮，从而解决了发动机动力必须紧靠驱动轮轴安放的限制。1898年，雷诺将公司的雷诺Dion汽车由三轮改装成四轮微型汽车，并将万向节和差动轴齿轮第一次装上汽车。正因为万向节的发明，才有了今天的前置后驱动，后置前驱动汽车，混合动力汽车，它标志着汽车传动技术走向成熟。关键词：混合动力汽车;节能减排；能量流1.前言汽车传动系的基本功用是将发动机发出的动力传给汽车的驱动车轮，产生驱动力，使汽车能在一定速度上行驶。对于前置后驱的汽车来说，发动机发出的转矩依次经过离合器、变速箱、万向节、传动轴、主减速器、差速器、半轴传给后车轮，所以后轮又称为驱动轮。驱动轮得到转矩便给地面一个向后的作用力，并因此而使地面对驱动轮产生一个向前的反作用力，这个反作用力就是汽车的驱动力。汽车的前轮与传动系一般没有动力上的直接联系，因此称为从动轮。混合动力汽车的燃油经济性能高，而且行驶性能优越，混合动力汽车的发动机要使用燃油，而且在起步、加速时，由于有电动马达的辅助，所以可以降低油耗，简单地说，就是与同样大小的汽车相比，燃油费用更低。而且，辅助发动机的电动马达可以在启动的瞬间产生强大的动力，因此，车主可以享受更强劲的起步、加速。同时，还能实现较高水平的燃油经济性。混合动力汽车综合了内燃机汽车和电动汽车两者的特点，同时又具备了自身的一些新特点，它可以利用传统汽车的技术成果和工业基础，也可以有效减少排放和降低油耗，是传统内燃机汽车向零排放电动汽车过渡的实用方案之一，已成为人们研究的热点。目前世界上已经有70余种车型的燃料电池汽车问世，在国外最热门、销量最大的新能源车就是混合动力汽车。1997年，第一款量产混合动力车普锐斯推向日本市场，当年售出18000辆。1999年，本田混合动力双门小车insight在美国推出，受到好评。2007年年底，美国权威机构Autodata的统计数据显示，2007年１０月份美国混合动力车的销售量与上一年相比，同期增长了３０个百分点，销售量为24443辆。混合动力车型甚至成了平淡的美国汽车市场的一大亮点：2007年，美国市场销售混合动力车型超过30万辆。2007年５月17日，丰田混合动力车全球累计销售突破100万辆。在欧美把重点放在比较远的氢动力、或者很现实地提高传统发动机技术之时，日本车企在混合动力上的成就让它们目前成为新能源的领跑者，如今，丰田的混合动力车在全球的销量已经超过了120万辆。业内，普遍认为采用氢动力是汽车发展的理想目标，而混合动力被认为是目前最好的过渡产品，丰田、本田在这个领域大有所获，不仅得到了商业利益，也收获了环保节能的美誉。2.工作原理混合动力电动汽车的动力系统主要由控制系统、驱动系统、辅助动力系统和电池组等部分构成。在车辆行驶之初，蓄电池处于电量饱满状态，其能量输出可以满足车辆要求，辅助动力系统不需要工作。电池电量低于60％时，辅助动力系统起动：当车辆能量需求较大时，辅助动力系统与蓄电池组同时为驱动系统提供能量；当车辆能量需求较小时，辅助动力系统为驱动系统提供能量的同时，还给蓄电池组进行充电。由于蓄电池组的存在，使发动机工作在一个相对稳定的工况，使其排放得到改善。混合动力汽车采用能够满足汽车巡航需要的较小发动机，依靠电动机或其它辅助装置提供加速与爬坡所需的附加动力。其结果是提高了总体效率，同时并未牺牲性能。混合动力车设计成可回收制动能量。在传统汽车中，当司机踩制动时，这种本可用来给汽车加速的能量作为热量被白白扔掉了。而混合动力车却能大部分回收这些能量，并将其暂时贮存起来供加速时再用。当司机想要有最大的加速度时，汽油发动机和电动机并联工作，提供可与强大的汽油发动机相当的起步性能。在对加速性要求不太高的场合，混合动力车可以单靠电机行驶，或者单靠汽油发动机行驶，或者二者结合以取得最大的效率。比如在公路上巡航时使用汽油发动机。而在低速行驶时，可以单靠电机拖动，不用汽油发动机辅助。即使在发动机关闭时电动转向助力系统仍可保持操纵功能，提供比传统液压系统更大的效率。本文对混合动力汽车的3种不同结构的特点及能量流进行了分析1.串联式混合动力汽车传动系统1.1串联式混合动力汽车的基本特点串联式混合动力系统一般由内燃机直接带动发电机发电，产生的电能通过控制单元传到电池，再由电池传输给电机转化为动能，最后通过变速机构来驱动汽车。在这种联结方式下，电池就象一个水库，只是调节的对象不是水量，而是电能。电池对在发电机产生的能量和电动机需要的能量之间进行调节，从而保证车辆正常工作。这种动力系统在城市公交上的应用比较多，轿车上很少使用。这种车的电能可以由电池提供，也可以由发动机驱动发电机来提供。发动机输出的机械能首先通过发电机转化为电能，该电能可通过功率转换器为电池充电，或经由电动机和传动装置驱动汽车。串联式混合动力汽车以电动机作为主驱动装置，发动机作为辅助动力装置，以提高行驶里程。典型的有丰田公司的Coaster、日产的SHEV及法国雷诺的Espace。1.2串联式混合动力汽车传动系统能量流分析功率分配装置控制该车功率之间的平衡，它主要用来决定工作方式、电池功率及汽车所需功率的比值（u）。串联式混合动力汽车有4种工作方式：1）在市区行驶时，如果电池完全充满，则选用纯电动（零排放）驱动方式（u=1）。传动系统能量流，如图1所示。2）当电池电量较低时，发动机被启动，并将其设置在最大效率工作点上，发动机输出的功率与汽车所需功率的差值将通过发电机为电池充电（u0），传动系统能量流，如图2所示。3）当发动机的最大功率低于汽车所需的功率时，电池将提供这部分差额功率（0u1）。传动系统能量流，如图3所示。4）在刹车或减速时，电动机起到发电机的作用，使部分动能转化为电能存储到电池里（u=1），达到能量回收的目的。传动系统能量流，如图4所示。2.并联式混合动力汽车传动系统2.1并联式混合动力汽车的基本特点并联式混合动力系统有两套驱动系统：传统的内燃机系统和电机驱动系统。两个系统既可以同时协调工作，也可以各自单独工作驱动汽车。这种系统适用于多种不同的行驶工况，尤其适用于复杂的路况。该联结方式结构简单，成本低。本田的Accord和Civic采用的是并联式联结方式。并联式混合动力汽车采用发动机和电动机2套驱动系统。可采用发动机单独驱动、电动机单独驱动或发动机和电动机联合驱动3种工作模式。与串联相比，并联式混合动力汽车的优点是并联仅用到电动机和发动机，并且发动机和电动机的最大功率较小，而缺点是由于发动机与推进系统是共轴连接的，所以并联需要离合器，这使得并联结构复杂，控制难度大。2.2并联式混合动力汽车的传动系统能量流分析一般而言，电能和燃料能量会通过“扭矩耦合器”结合起来驱动汽车。在扭矩耦合器里的扭矩平衡是通过扭矩分配装置控制的，它决定汽车的工作方式以及电机能量与汽车所需能量的比值（u）。根据u值和行驶工况的不同，采取不同的工作方式。1）在起步和加速阶段，发动机只为耦合器提供总功率的一部分，剩下的功率要由电机来提供（0u1），实现“功率辅助”的目的，传动系统能量流，如图5所示。2）在刹车或减速时，电动机起到发电机的作用，将部分动能转化为电能存储到电池里（u=1）。传动系能量流，如图6所示。3）当电池电量较低时，发动机被启动，并将其设置在最大效率工作点上，发动机输出的功率与汽车所需功率的差值将通过发电机为电池充电（u＜0）。传动系统能量流，如图7所示。4）在市区行驶时，如果电池完全充满，则选用纯电动（零排放）驱动方式（u=1）。传动系统能量流，如图8所示。5）在高速巡航时，由发动机驱动，此时相当于传统燃油汽车运行（u=0）。传动系统能量流，如图9所示。3.混联式混合动力汽车传动系统3.1混联式混合动力汽车的特点混联式混合动力系统的特点在于内燃机系统和电机驱动系统各有一套机械变速机构，两套机构或通过齿轮系，或采用行星轮式结构结合在一起，从而综合调节内燃机与电动机之间的转速关系。与并联式混合动力系统相比，混联式动力系统可以更加灵活地根据工况来调节内燃机的功率输出和电机的运转。此联结方式系统复杂，成本高。混联HEV在结构上综合了串联式混合动力汽车和并联式混合动力汽车的特点。它主要偏向于并联结构，但又包含一些串联结构的特点。与串联式混合动力汽车相比，它增加了机械动力传输路线；与并联式混合动力汽车相比，它增加了电能的传输路线。近年来，出现了2种不同的结构：不包含行星齿轮组和包含了1组行星齿轮组的混联式结构。世界上销量最大的混合动力汽车—丰田公司的普锐斯Prius属于后一种。文章仅对带有行星齿轮组混联式传动系统进行能量流分析。3.混联式混合动力汽车传动系统3.2带有行星齿轮组的混联式混合动力汽车的传动系统能量流分析1）在高速巡航时，由发动机单独驱动。此时相当于传统燃油汽车运行。传动系统能量流，如图10所示。2）在市区行驶或低速巡航时，如果电池完全充满，则选用纯电动驱动方式。传动系统能量流，如图11所示。3）在刹车或减速时，电动机起到发电机的作用，将部分动能转化为电能存储到电池里。传动系统能量流，如图12所示。4）当电池电量较低时，发动机被启动，并将其设置在最大效率工作点上，发动机输出的功率与汽车所需功率的差值将通过发电机为电池充电。传动系统能量流，如图13所示。5）在起步和加速阶段，发动机只为耦合器提供总功率的一部分，剩下的功率要由电机来提供（0u1），实现“功率辅助”的目的。传动系统能量流，如图14所示。4.结论通过采用恰当的控制策略可使总成各元件在某种优化方式下协同工作，可实现低油耗、低排放和高动力性等传统燃油汽车难以达到的目标。而传动系统的能量流是传动系统的结构及其控制策略的基础和核心，它直接影响着汽车传动系统的结构类型和上述的3个重要性能。依据行驶工况和使用条件选择的能量流动方式，决定着汽车传动系统的结构类型和控制策略。因此，在研究开发时必须在深入分析能量流的基础上，根据行驶工况和使用条件完成对混合动力汽车的研究开发。汽车废气排放和能源成本问题一直备受关注，混合动力汽车和电动汽车被看作是一种自然的发展目标。通过了解整个混合动力和电动汽车传动系统的能量消耗的详细分析，以及传动系统内部各个相关部件的运转状态，可以最大程度的优化汽车的设计，从而达到改善油耗的目标谈到节能环保的汽车新能源的发展，在中国还往往停留在电动汽车的探索上。的确，全球汽车界在电动车上没有少下功夫，但是到头来都是走进死胡同。在新世纪，汽车发展的技术路线趋于理智而统一：近期从有点混合动力下手大幅度降低油耗和排放；长远靠资源极为丰富，且完全没有污染的氢动力燃料电池重新定义汽车。日本丰田、美国通用、德国奔驰等具备强大技术优势的汽车企业，对于全球汽车业最大课题――能源与环境的对策在近年来殊途同归：近期，努力完善混合动力车；长远，迈出氢动力燃料电池车从概念车向商品化的步伐。电动车的研制生产因造价高，充电后行驶距离短的死结而已经放弃。有消息说，美国和日本的汽车企业已经开始了在混合动力车市场的竞争，预计三五年后整个市场将达到100万辆级的规模。中国汽车界和科技界曾对电动车的开发情有独钟，主要出于如下考虑：传统汽车中国比发达国家晚了几十年；而电动车全世界还没有大突破，我们现在开始研究，与发达国家站在同一起跑线上，完全可能后来者居上。但是这种“抄近道儿”的傻聪明终于随着美国日本汽车业宣布放弃电动车的研发而走进死胡同。应该说，中国汽车业的发展思路应该转移到务实而量力而行的方向了。氢动力燃料电池车，是一项必须关注的前沿技术，但仅仅是“关注”即可。而混合动力车的研发倒应该是当务之急。一是混合动力车并非什么远在天边的高科技，又有成熟的商品化车型可借鉴。二是混合动力车特别适合中国大城市交通普遍拥堵，汽车频繁制动的国情，节能治污的效果可以发挥到极致。其实，如果中国的油价继续攀升或实行燃油税，