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（u<0），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（0

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。