混合動力汽車傳動系統(tǒng)能量流分析

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1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-----傾情為你奉上 摘要： 汽車在1898年以前，發(fā)動機(jī)動力輸出后直接通過齒輪傳給驅(qū)動軸，因而限制了發(fā)動機(jī)的安裝位置只能緊靠驅(qū)動輪軸，使汽車的造型設(shè)計產(chǎn)生了困難。法國雷諾汽車公司的創(chuàng)始人路易斯·雷諾，通過多年的苦心鉆研和實驗，終于試制出了萬向節(jié)和差動軸齒輪，從而解決了發(fā)動機(jī)動力必須緊靠驅(qū)動輪軸安放的限制。1898年，雷諾將公司的雷諾Dion汽車由三輪改裝成四輪微型汽車，并將萬向節(jié)和差動軸齒輪第一次裝上汽車。正因為萬向節(jié)的發(fā)明，才有了今天的前置后驅(qū)動，后置前驅(qū)動汽車，混合動力汽車，它標(biāo)志著汽車傳動技術(shù)走向成熟。 關(guān)鍵詞：混合動力汽車;節(jié)能減排；能量流 1.前言 汽車傳動

2、系的基本功用是將發(fā)動機(jī)發(fā)出的動力傳給汽車的驅(qū)動車輪，產(chǎn)生驅(qū)動力，使汽車能在一定速度上行駛。 對于前置后驅(qū)的汽車來說，發(fā)動機(jī)發(fā)出的轉(zhuǎn)矩依次經(jīng)過離合器、變速箱、萬向節(jié)、傳動軸、主減速器、差速器、半軸傳給后車輪，所以后輪又稱為驅(qū)動輪。驅(qū)動輪得到轉(zhuǎn)矩便給地面一個向后的作用力，并因此而使地面對驅(qū)動輪產(chǎn)生一個向前的反作用力，這個反作用力就是汽車的驅(qū)動力。汽車的前輪與傳動系一般沒有動力上的直接聯(lián)系，因此稱為從動輪。 混合動力汽車的燃油經(jīng)濟(jì)性能高，而且行駛性能優(yōu)越，混合動力汽車的發(fā)動機(jī)要使用燃油，而且在起步、加速時，由于有電動馬達(dá)的輔助，所以可以降低油耗，簡單地說，就是與同樣大小的汽車相比，燃油費用更低。

3、而且，輔助發(fā)動機(jī)的電動馬達(dá)可以在啟動的瞬間產(chǎn)生強(qiáng)大的動力，因此，車主可以享受更強(qiáng)勁的起步、加速。同時，還能實現(xiàn)較高水平的燃油經(jīng)濟(jì)性。 混合動力汽車綜合了內(nèi)燃機(jī)汽車和電動汽車兩者的特點，同時又具備了自身的一些新特點，它可以利用傳統(tǒng)汽車的技術(shù)成果和工業(yè)基礎(chǔ)，也可以有效減少排放和降低油耗，是傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車向零排放電動汽車過渡的實用方案之一，已成為人們研究的熱點。 目前世界上已經(jīng)有70余種車型的燃料電池汽車問世，在國外最熱門、銷量最大的新能源車就是混合動力汽車。 1997年，第一款量產(chǎn)混合動力車普銳斯推向日本市場，當(dāng)年售出18000輛。 1999年，本田混合動力雙門小車insight在美國

4、推出，受到好評。2007年年底，美國權(quán)威機(jī)構(gòu)Autodata的統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，2007年１０月份美國混合動力車的銷售量與上一年相比，同期增長了３０個百分點，銷售量為24443輛。混合動力車型甚至成了平淡的美國汽車市場的一大亮點：2007年，美國市場銷售混合動力車型超過30萬輛。2007年５月17日，豐田混合動力車全球累計銷售突破100萬輛。 在歐美把重點放在比較遠(yuǎn)的氫動力、或者很現(xiàn)實地提高傳統(tǒng)發(fā)動機(jī)技術(shù)之時，日本車企在混合動力上的成就讓它們目前成為新能源的領(lǐng)跑者，如今，豐田的混合動力車在全球的銷量已經(jīng)超過了120萬輛。業(yè)內(nèi)，普遍認(rèn)為采用氫動力是汽車發(fā)展的理想目標(biāo)，而混合動力被認(rèn)為是目前最好的過

5、渡產(chǎn)品，豐田、本田在這個領(lǐng)域大有所獲，不僅得到了商業(yè)利益，也收獲了環(huán)保節(jié)能的美譽。 2.工作原理 混合動力電動汽車的動力系統(tǒng)主要由控制系統(tǒng)、驅(qū)動系統(tǒng)、輔助動力系統(tǒng)和電池組等部分構(gòu)成。 在車輛行駛之初，蓄電池處于電量飽滿狀態(tài)，其能量輸出可以滿足車輛要求，輔助動力系統(tǒng)不需要工作。電池電量低于60％時，輔助動力系統(tǒng)起動：當(dāng)車輛能量需求較大時，輔助動力系統(tǒng)與蓄電池組同時為驅(qū)動系統(tǒng)提供能量； 當(dāng)車輛能量需求較小時，輔助動力系統(tǒng)為驅(qū)動系統(tǒng)提供能量的同時，還給蓄電池組進(jìn)行充電。由于蓄電池組的存在，使發(fā)動機(jī)工作在一個相對穩(wěn)定的工況，使其排放得到改善。 混合動力汽車采用能夠滿足汽車巡航需要的較小發(fā)動機(jī)，

6、依靠電動機(jī)或其它輔助裝置提供加速與爬坡所需的附加動力。其結(jié)果是提高了總體效率，同時并未犧牲性能?；旌蟿恿囋O(shè)計成可回收制動能量。在傳統(tǒng)汽車中，當(dāng)司機(jī)踩制動時，這種本可用來給汽車加速的能量作為熱量被白白扔掉了。而混合動力車卻能大部分回收這些能量，并將其暫時貯存起來供加速時再用。當(dāng)司機(jī)想要有最大的加速度時，汽油發(fā)動機(jī)和電動機(jī)并聯(lián)工作，提供可與強(qiáng)大的汽油發(fā)動機(jī)相當(dāng)?shù)钠鸩叫阅堋Ｔ趯铀傩砸蟛惶叩膱龊?，混合動力車可以單靠電機(jī)行駛，或者單靠汽油發(fā)動機(jī)行駛，或者二者結(jié)合以取得最大的效率。比如在公路上巡航時使用汽油發(fā)動機(jī)。而在低速行駛時，可以單靠電機(jī)拖動，不用汽油發(fā)動機(jī)輔助。即使在發(fā)動機(jī)關(guān)閉時電動轉(zhuǎn)向助力

7、系統(tǒng)仍可保持操縱功能，提供比傳統(tǒng)液壓系統(tǒng)更大的效率。 本文對混合動力汽車的3種不同結(jié)構(gòu)的特點及能量流進(jìn)行了分析 1.串聯(lián)式混合動力汽車傳動系統(tǒng) 1.1串聯(lián)式混合動力汽車的基本特點 串聯(lián)式混合動力系統(tǒng)一般由內(nèi)燃機(jī)直接帶動發(fā)電機(jī)發(fā)電，產(chǎn)生的電能通過控制單元傳到電池，再由電池傳輸給電機(jī)轉(zhuǎn)化為動能，最后通過變速機(jī)構(gòu)來驅(qū)動汽車。在這種聯(lián)結(jié)方式下，電池就象一個水庫，只是調(diào)節(jié)的對象不是水量，而是電能。電池對在發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的能量和電動機(jī)需要的能量之間進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而保證車輛正常工作。這種動力系統(tǒng)在城市公交上的應(yīng)用比較多，轎車上很少使用。 這種車的電能可以由電池提供，也可以由發(fā)動機(jī)驅(qū)動發(fā)電機(jī)來提供。發(fā)動機(jī)

8、輸出的機(jī)械能首先通過發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)化為電能，該電能可通過功率轉(zhuǎn)換器為電池充電，或經(jīng)由電動機(jī)和傳動裝置驅(qū)動汽車。串聯(lián)式混合動力汽車以電動機(jī)作為主驅(qū)動裝置，發(fā)動機(jī)作為輔助動力裝置，以提高行駛里程。典型的有豐田公司的Coaster、日產(chǎn)的SHEV及法國雷諾的Espace。 1.2串聯(lián)式混合動力汽車傳動系統(tǒng)能量流分析 功率分配裝置控制該車功率之間的平衡，它主要用來決定工作方式、電池功率及汽車所需功率的比值（u）。串聯(lián)式混合動力汽車有4種工作方式： 1）在市區(qū)行駛時，如果電池完全充滿，則選用純電動（零排放）驅(qū)動方式（u=1）。傳動系統(tǒng)能量流，如圖1所示。 2）當(dāng)電池電量較低時，發(fā)動機(jī)被啟動，并將其

9、設(shè)置在最大效率工作點上，發(fā)動機(jī)輸出的功率與汽車所需功率的差值將通過發(fā)電機(jī)為電池充電（u<0），傳動系統(tǒng)能量流，如圖2所示。 3）當(dāng)發(fā)動機(jī)的最大功率低于汽車所需的功率時，電池將提供這部分差額功率（0

10、于多種不同的行駛工況，尤其適用于復(fù)雜的路況。該聯(lián)結(jié)方式結(jié)構(gòu)簡單，成本低。本田的Accord和Civic采用的是并聯(lián)式聯(lián)結(jié)方式。 并聯(lián)式混合動力汽車采用發(fā)動機(jī)和電動機(jī)2套驅(qū)動系統(tǒng)?？刹捎冒l(fā)動機(jī)單獨驅(qū)動、電動機(jī)單獨驅(qū)動或發(fā)動機(jī)和電動機(jī)聯(lián)合驅(qū)動3種工作模式。與串聯(lián)相比，并聯(lián)式混合動力汽車的優(yōu)點是并聯(lián)僅用到電動機(jī)和發(fā)動機(jī)，并且發(fā)動機(jī)和電動機(jī)的最大功率較小，而缺點是由于發(fā)動機(jī)與推進(jìn)系統(tǒng)是共軸連接的，所以并聯(lián)需要離合器，這使得并聯(lián)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，控制難度大。 2.2并聯(lián)式混合動力汽車的傳動系統(tǒng)能量流分析 一般而言，電能和燃料能量會通過“扭矩耦合器”結(jié)合起來驅(qū)動汽車。在扭矩耦合器里的扭矩平衡是通過扭矩分配裝

11、置控制的，它決定汽車的工作方式以及電機(jī)能量與汽車所需能量的比值（u）。 根據(jù)u值和行駛工況的不同，采取不同的工作方式。 1）在起步和加速階段，發(fā)動機(jī)只為耦合器提供總功率的一部分，剩下的功率要由電機(jī)來提供（0

12、如果電池完全充滿，則選用純電動（零排放）驅(qū)動方式（u=1）。傳動系統(tǒng)能量流，如圖8所示。 5）在高速巡航時，由發(fā)動機(jī)驅(qū)動，此時相當(dāng)于傳統(tǒng)燃油汽車運行（u=0）。傳動系統(tǒng)能量流，如圖9所示。 3.混聯(lián)式混合動力汽車傳動系統(tǒng) 3.1混聯(lián)式混合動力汽車的特點 混聯(lián)式混合動力系統(tǒng)的特點在于內(nèi)燃機(jī)系統(tǒng)和電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)各有一套機(jī)械變速機(jī)構(gòu)，兩套機(jī)構(gòu)或通過齒輪系，或采用行星輪式結(jié)構(gòu)結(jié)合在一起，從而綜合調(diào)節(jié)內(nèi)燃機(jī)與電動機(jī)之間的轉(zhuǎn)速關(guān)系。與并聯(lián)式混合動力系統(tǒng)相比，混聯(lián)式動力系統(tǒng)可以更加靈活地根據(jù)工況來調(diào)節(jié)內(nèi)燃機(jī)的功率輸出和電機(jī)的運轉(zhuǎn)。此聯(lián)結(jié)方式系統(tǒng)復(fù)雜，成本高。 混聯(lián)HEV在結(jié)構(gòu)上綜合了串聯(lián)式混

13、合動力汽車和并聯(lián)式混合動力汽車的特點。它主要偏向于并聯(lián)結(jié)構(gòu)，但又包含一些串聯(lián)結(jié)構(gòu)的特點。與串聯(lián)式混合動力汽車相比，它增加了機(jī)械動力傳輸路線；與并聯(lián)式混合動力汽車相比，它增加了電能的傳輸路線。近年來，出現(xiàn)了2種不同的結(jié)構(gòu)：不包含行星齒輪組和包含了1組行星齒輪組的混聯(lián)式結(jié)構(gòu)。世界上銷量最大的混合動力汽車—豐田公司的普銳斯Prius屬于后一種。 文章僅對帶有行星齒輪組混聯(lián)式傳動系統(tǒng)進(jìn)行能量流分析。 3.混聯(lián)式混合動力汽車傳動系統(tǒng) 3.2帶有行星齒輪組的混聯(lián)式混合動力汽車的傳動系統(tǒng)能量流分析 1）在高速巡航時，由發(fā)動機(jī)單獨驅(qū)動。此時相當(dāng)于傳統(tǒng)燃油汽車運行。傳動系統(tǒng)能量流，如圖10所示。

14、2）在市區(qū)行駛或低速巡航時，如果電池完全充滿，則選用純電動驅(qū)動方式。傳動系統(tǒng)能量流，如圖11所示。 3）在剎車或減速時，電動機(jī)起到發(fā)電機(jī)的作用，將部分動能轉(zhuǎn)化為電能存儲到電池里。傳動系統(tǒng)能量流，如圖12所示。 4）當(dāng)電池電量較低時，發(fā)動機(jī)被啟動，并將其設(shè)置在最大效率工作點上，發(fā)動機(jī)輸出的功率與汽車所需功率的差值將通過發(fā)電機(jī)為電池充電。傳動系統(tǒng)能量流，如圖13所示。 5）在起步和加速階段，發(fā)動機(jī)只為耦合器提供總功率的一部分，剩下的功率要由電機(jī)來提供（0

15、優(yōu)化方式下協(xié)同工作，可實現(xiàn)低油耗、低排放和高動力性等傳統(tǒng)燃油汽車難以達(dá)到的目標(biāo)。而傳動系統(tǒng)的能量流是傳動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及其控制策略的基礎(chǔ)和核心，它直接影響著汽車傳動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)類型和上述的3個重要性能。依據(jù)行駛工況和使用條件選擇的能量流動方式，決定著汽車傳動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)類型和控制策略。因此，在研究開發(fā)時必須在深入分析能量流的基礎(chǔ)上，根據(jù)行駛工況和使用條件完成對混合動力汽車的研究開發(fā)。 汽車廢氣排放和能源成本問題一直備受關(guān)注，混合動力汽車和電動汽車被看作是一種自然的發(fā)展目標(biāo)。通過了解整個混合動力和電動汽車傳動系統(tǒng)的能量消耗的詳細(xì)分析，以及傳動系統(tǒng)內(nèi)部各個相關(guān)部件的運轉(zhuǎn)狀態(tài)，可以最大程度的優(yōu)化汽車的設(shè)計

16、，從而達(dá)到改善油耗的目標(biāo) 談到節(jié)能環(huán)保的汽車新能源的發(fā)展，在中國還往往停留在電動汽車的探索上。的確，全球汽車界在電動車上沒有少下功夫，但是到頭來都是走進(jìn)死胡同。在新世紀(jì)，汽車發(fā)展的技術(shù)路線趨于理智而統(tǒng)一：近期從有點混合動力下手大幅度降低油耗和排放；長遠(yuǎn)靠資源極為豐富，且完全沒有污染的氫動力燃料電池重新定義汽車。 日本豐田、美國通用、德國奔馳等具備強(qiáng)大技術(shù)優(yōu)勢的汽車企業(yè)，對于全球汽車業(yè)最大課題――能源與環(huán)境的對策在近年來殊途同歸：近期，努力完善混合動力車；長遠(yuǎn)，邁出氫動力燃料電池車從概念車向商品化的步伐。電動車的研制生產(chǎn)因造價高，充電后行駛距離短的死結(jié)而已經(jīng)放棄。有消息說，美國和日本的汽車企

17、業(yè)已經(jīng)開始了在混合動力車市場的競爭，預(yù)計三五年后整個市場將達(dá)到100萬輛級的規(guī)模。 中國汽車界和科技界曾對電動車的開發(fā)情有獨鐘，主要出于如下考慮：傳統(tǒng)汽車中國比發(fā)達(dá)國家晚了幾十年；而電動車全世界還沒有大突破，我們現(xiàn)在開始研究，與發(fā)達(dá)國家站在同一起跑線上，完全可能后來者居上。但是這種“抄近道兒”的傻聰明終于隨著美國日本汽車業(yè)宣布放棄電動車的研發(fā)而走進(jìn)死胡同。 應(yīng)該說，中國汽車業(yè)的發(fā)展思路應(yīng)該轉(zhuǎn)移到務(wù)實而量力而行的方向了。氫動力燃料電池車，是一項必須關(guān)注的前沿技術(shù)，但僅僅是“關(guān)注”即可。而混合動力車的研發(fā)倒應(yīng)該是當(dāng)務(wù)之急。一是混合動力車并非什么遠(yuǎn)在天邊的高科技，又有成熟的商品化車型可借鑒。二是混合動力車特別適合中國大城市交通普遍擁堵，汽車頻繁制動的國情，節(jié)能治污的效果可以發(fā)揮到極致。 其實，如果中國的油價繼續(xù)攀升或?qū)嵭腥加投?，道路擁堵又難以根本改善，市場的混合動力車的需求就會非常迫切。合資生產(chǎn)或者進(jìn)口混合動力車，估計很快就會被精明的生產(chǎn)商或經(jīng)銷商提到議事日程。混合動力車將是中國車市的新商機(jī)。大力發(fā)展混合動力車是我們現(xiàn)在迫切的需求。 專心---專注---專業(yè)