新能源汽車(chē)的驅(qū)動(dòng)及傳動(dòng)系統(tǒng)概述

新能源汽車(chē)的驅(qū)動(dòng)及傳動(dòng)系統(tǒng)概述我國(guó)汽車(chē)正處于高速發(fā)展時(shí)期，與汽車(chē)保有量飛速增加相反的是汽車(chē)帶來(lái)的一系列問(wèn)題，比如能源緊張問(wèn)題、城市空氣污染、噪聲污染問(wèn)題等等。在這個(gè)背景下，新能源汽車(chē)以其能耗小、使用清潔能源、噪聲小等特點(diǎn)得到了國(guó)家的大力重視。新能源汽車(chē)分為很多種，包括替代燃料汽車(chē)、電動(dòng)汽車(chē)、燃料電池汽車(chē)、混合動(dòng)力汽車(chē)等等。其中，混合動(dòng)力汽車(chē)中又包含很多不同種類(lèi)與不同程度的混合，如強(qiáng)混、弱混、增程式等等。按照汽車(chē)的構(gòu)造，汽車(chē)的驅(qū)動(dòng)應(yīng)該包括：動(dòng)力產(chǎn)生部分（發(fā)動(dòng)機(jī)）、動(dòng)力傳遞部分（傳動(dòng)系）和動(dòng)力執(zhí)行部分（行駛系）三類(lèi)。在新能源汽車(chē)領(lǐng)域，動(dòng)力產(chǎn)生部分發(fā)生了很大的變化，新能源汽車(chē)的發(fā)動(dòng)機(jī)與傳統(tǒng)汽車(chē)的發(fā)動(dòng)機(jī)相比，具有非常明顯的變化，而相應(yīng)的動(dòng)力傳遞部分也會(huì)相應(yīng)發(fā)生變化。以下將簡(jiǎn)單對(duì)新能源汽車(chē)的驅(qū)動(dòng)與傳動(dòng)系統(tǒng)分別進(jìn)行闡述。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)對(duì)于不同的動(dòng)力源，汽車(chē)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是不一樣的?，F(xiàn)階段的新能源汽車(chē)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)有電機(jī)、燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)、傳統(tǒng)燃料發(fā)動(dòng)機(jī)與電機(jī)相結(jié)合等等。接下來(lái)我將分情況對(duì)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)做一個(gè)簡(jiǎn)單的概述。電機(jī)電動(dòng)汽車(chē)系統(tǒng)可分為三個(gè)子系統(tǒng)，即電驅(qū)動(dòng)子系統(tǒng)、主能源子系統(tǒng)和輔助控制子系統(tǒng)。其中，電驅(qū)動(dòng)子系統(tǒng)又由電控單元、功率轉(zhuǎn)換器、電動(dòng)機(jī)、機(jī)械傳動(dòng)裝置和驅(qū)動(dòng)車(chē)輪組成；主能源子系統(tǒng)由主電源、電源管理系統(tǒng)和充電系統(tǒng)構(gòu)成;輔助控制子系統(tǒng)具有動(dòng)力轉(zhuǎn)向、溫度控制和輔助動(dòng)力供給等功能[9]。典型電動(dòng)汽車(chē)的基本結(jié)構(gòu)如下圖所示。圖1典型電動(dòng)汽車(chē)的基本結(jié)構(gòu)從圖中可以分析出，從制動(dòng)踏板和加速踏板輸人的信號(hào)，電子控制器發(fā)出相應(yīng)的控制指令來(lái)控制功率轉(zhuǎn)換器的功率裝置的通斷；功率轉(zhuǎn)換器的功能是調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)和電源之間的功率流；能量管理系統(tǒng)和電控系統(tǒng)一起控制再生制動(dòng)及其能量的回收，能量管理系統(tǒng)和充電器一同控制充電并監(jiān)測(cè)電源的使用情況；輔助動(dòng)力供給系統(tǒng)供給電動(dòng)汽車(chē)輔助系統(tǒng)不同等級(jí)的電壓井提供必要的動(dòng)力，它主要給動(dòng)力轉(zhuǎn)向、空調(diào)、制動(dòng)及其它輔助裝置提供動(dòng)力。從功能的角度看，電動(dòng)汽車(chē)的電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)可分為電氣和機(jī)械兩大系統(tǒng)。

電氣系統(tǒng)由電動(dòng)機(jī)、功率轉(zhuǎn)換器和電子控制器等三個(gè)子系統(tǒng)組成。機(jī)械系統(tǒng)主要包括機(jī)械傳動(dòng)裝置和車(chē)輪。電氣和機(jī)械系統(tǒng)的邊界形成電動(dòng)機(jī)的氣隙，用來(lái)完成電動(dòng)機(jī)能量從電能到機(jī)械能的轉(zhuǎn)換。電子控制器分為三個(gè)功能單元:傳感器、中間連接電路與處理器。傳感器把測(cè)得的數(shù)據(jù)，如電流、電壓、溫度、速度、轉(zhuǎn)矩以及電磁通等，轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，通過(guò)連接電路把這此電信號(hào)調(diào)整到合適的值后，然后輸人到處理器的輸出信號(hào)通常經(jīng)過(guò)中間電路放大，驅(qū)動(dòng)功率轉(zhuǎn)換器的半導(dǎo)體元件。在驅(qū)動(dòng)和能量再生過(guò)程中，能量源與電動(dòng)機(jī)之問(wèn)的能量流動(dòng)是通過(guò)功率轉(zhuǎn)換器進(jìn)行調(diào)節(jié)的。電動(dòng)機(jī)與車(chē)輪通過(guò)機(jī)械傳動(dòng)裝置連在一起，該傳動(dòng)裝置是可選的，因?yàn)殡妱?dòng)機(jī)也可以直接裝在車(chē)輪上，用電動(dòng)輪轂車(chē)輪直接驅(qū)動(dòng)。其具體的結(jié)構(gòu)框圖如下圖所示。圖2輪邊驅(qū)動(dòng)的結(jié)構(gòu)燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)燃料電池是一種將氫，氧的化學(xué)能通過(guò)催化反應(yīng)直接轉(zhuǎn)換成電能的裝置。其最大特點(diǎn)在于反應(yīng)過(guò)程不涉及燃燒和熱機(jī)，不受卡諾循環(huán)的限制，因此能量轉(zhuǎn)換效率可高達(dá)60％～70％。實(shí)際使用效率是普通內(nèi)燃機(jī)的2倍左右。質(zhì)子交換膜燃料電池是燃料電池的一種，因?yàn)榫邆淞说蜏乜焖賳?dòng)，無(wú)電解液腐蝕溢漏問(wèn)題等運(yùn)輸動(dòng)力所必須具備的特點(diǎn)，而被認(rèn)為是今后燃料電池汽車(chē)上最理想的。燃料電池具有如下幾個(gè)主要特點(diǎn)：

1）效率高燃料電池根據(jù)電化學(xué)原理直接將化學(xué)能轉(zhuǎn)換為電能，理論上的整體熱電合并效率可達(dá)90%以上。由于各種極化的限制，現(xiàn)在使用的燃料電池實(shí)際電能轉(zhuǎn)換效率均在40%-60％之間，若熱電合并則效率可達(dá)80%。與其它形式發(fā)電技術(shù)相比，除核能外，平均單位質(zhì)量燃料所能產(chǎn)生的電能，燃料電池是最高的。

2）噪聲低傳統(tǒng)發(fā)電技術(shù)包括火力發(fā)電、水力發(fā)電、核能發(fā)電等，由于使用高速運(yùn)轉(zhuǎn)的渦輪機(jī)來(lái)發(fā)電，所以在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生很大的噪聲。而燃料電池通過(guò)催化反應(yīng)將燃料的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)換為電能，不需要轉(zhuǎn)動(dòng)組件，所以噪聲低。

3）污染低燃料電池以氫氣為主要燃料用化石燃料來(lái)提煉富氫燃料的制取過(guò)程中C02的排放量比熱機(jī)過(guò)程減少40％以上。同時(shí)，燃料電池所用燃料氣體在反應(yīng)前必須脫硫，并且燃料電池發(fā)電不經(jīng)過(guò)燃燒，所以幾乎不排放硫的氧化物與氮的氧化物。當(dāng)使用純氫為燃料時(shí)它只產(chǎn)生水。

4）進(jìn)料廣對(duì)燃料電池而言只要含有氫原子的物質(zhì)都可以作為燃料進(jìn)料來(lái)源，如天然氣、石油、煤炭等汽化產(chǎn)物或沼氣、酒精、甲醇等，因此，燃料電池非常符合能源多元化，可以減緩主流能源的耗竭。

5）用途多燃料電池的發(fā)電容量由單節(jié)電池的功率與數(shù)目決定，且無(wú)論發(fā)電規(guī)模大小均能保持高發(fā)電效率，因此其發(fā)電規(guī)模具有彈性。目前燃料電池所能提供的功率范圍在1W～1000MW之間，因此廣泛地運(yùn)用于發(fā)電站、車(chē)輛動(dòng)力、便攜式電源。混合動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)通常所說(shuō)的混合動(dòng)力一般是指油電混合動(dòng)力，即燃料（汽油，柴油）和電能的混合?；旌蟿?dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)按照燃料種類(lèi)的不同，主要又可以分為汽油混合動(dòng)力和柴油混合動(dòng)力兩種。國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上，混合動(dòng)力車(chē)輛的主流都是汽油混合動(dòng)力，而國(guó)際市場(chǎng)上柴油混合動(dòng)力車(chē)型發(fā)展也很快?；旌蟿?dòng)力汽車(chē)的發(fā)動(dòng)機(jī)要使用燃油，而且在起步、加速時(shí)，由于有電動(dòng)馬達(dá)的輔助，所以可以降低油耗，簡(jiǎn)單地說(shuō)，就是與同樣大小的汽車(chē)相比，燃油費(fèi)用更低。而且，輔助發(fā)動(dòng)機(jī)的電動(dòng)馬達(dá)可以在啟動(dòng)的瞬間產(chǎn)生強(qiáng)大的扭矩，因此，起步加速會(huì)更容易。同時(shí)，還能實(shí)現(xiàn)較高水平的燃油經(jīng)濟(jì)性混合動(dòng)力的優(yōu)點(diǎn)有如下幾點(diǎn)：1）采用復(fù)合動(dòng)力后可按平均需用的功率來(lái)確定內(nèi)燃機(jī)的最大功率，此時(shí)處于油耗低、污染少的最優(yōu)工況下工作。需要大功率內(nèi)燃機(jī)功率不足時(shí)，由電池來(lái)補(bǔ)充；負(fù)荷少時(shí)，富余的功率可發(fā)電給電池充電，由于內(nèi)燃機(jī)可持續(xù)工作，電池又可以不斷得到充電，故其行程較普通汽車(chē)更長(zhǎng)。2）因?yàn)橛辛穗姵?，可以十分方便地回收制?dòng)時(shí)、下坡時(shí)、怠速時(shí)的能量。3）在繁華市區(qū)，可關(guān)停內(nèi)燃機(jī)，由電池單獨(dú)驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)"零"排放。4）有了內(nèi)燃機(jī)可以十分方便地解決耗能大的空調(diào)、取暖、除霜等純電動(dòng)汽車(chē)遇到的難題。5）可以利用現(xiàn)有的加油站加油，不必再投資。6）可讓電池保持在良好的工作狀態(tài)，不發(fā)生過(guò)充、過(guò)放，延長(zhǎng)其使用壽命，降低成本。傳動(dòng)系統(tǒng)按照驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的形式不同，新能源汽車(chē)的傳動(dòng)系統(tǒng)也相應(yīng)地分為多種形式。對(duì)于大多數(shù)新能源汽車(chē)，其傳動(dòng)系統(tǒng)分為集中式與分布式，前者沿用了傳統(tǒng)汽車(chē)的傳動(dòng)系統(tǒng)，只需將電機(jī)替代內(nèi)燃機(jī)，去掉變速器等內(nèi)燃機(jī)需要的傳動(dòng)部件，這種布置的方式缺點(diǎn)是傳動(dòng)鏈較長(zhǎng)；后者的方法是采用輪轂電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)，有助于實(shí)現(xiàn)ABS和ESC等功能，缺點(diǎn)是非簧載質(zhì)量比較大，會(huì)對(duì)舒適性造成影響。新能源汽車(chē)的傳動(dòng)系統(tǒng)一般來(lái)說(shuō)比傳統(tǒng)能源的要簡(jiǎn)單一些，這其中比較有特色的應(yīng)當(dāng)算是混合動(dòng)力汽車(chē)的傳動(dòng)系統(tǒng)了。下面將簡(jiǎn)單介紹混合動(dòng)力汽車(chē)的傳動(dòng)系統(tǒng)。由于混合動(dòng)力汽車(chē)采用2種動(dòng)力源作為動(dòng)力裝置,它的各個(gè)組成部件、布置方式及控制策略的不同,因而形成了各式各樣的結(jié)構(gòu)型式。混合動(dòng)力汽車(chē)的分類(lèi)方法也有多種。根據(jù)動(dòng)力源的數(shù)量及動(dòng)力傳遞方式的不同,分為串聯(lián)型、并聯(lián)型和混聯(lián)型;根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)的功率比的大小,分為里程延長(zhǎng)型、動(dòng)力輔助型和雙模式型;根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行模式的不同,分為發(fā)動(dòng)機(jī)開(kāi)/關(guān)模式和發(fā)動(dòng)機(jī)連續(xù)運(yùn)行模式;根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)是否布置在同一軸線上,分為單軸式和雙軸式;根據(jù)蓄電池組的荷電狀態(tài)的變化情況,又可分為荷電消耗型和荷電維持型。串聯(lián)式混合動(dòng)力傳動(dòng)系串聯(lián)式混合動(dòng)力傳動(dòng)系的布置如下圖所示。圖3串聯(lián)式混合動(dòng)力傳動(dòng)系的布置由于串聯(lián)式混合動(dòng)力傳動(dòng)系中的發(fā)動(dòng)機(jī)與汽車(chē)驅(qū)動(dòng)輪之間無(wú)機(jī)械連接,具有獨(dú)立于汽車(chē)行駛工況對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行控制的優(yōu)點(diǎn),適用于市內(nèi)常見(jiàn)的頻繁起步、加速和低速運(yùn)行工況,可以使發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)定于高效區(qū)或低排放區(qū)附近工作。但串聯(lián)式混合動(dòng)力傳動(dòng)系的綜合效率較低,這是因?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)輸出的機(jī)械能由發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)化為電能,再由電動(dòng)機(jī)將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能用以驅(qū)動(dòng)汽車(chē),途經(jīng)兩次能量轉(zhuǎn)換,中間必然會(huì)伴隨著能量的損失。另外,它的3個(gè)動(dòng)力總成(發(fā)動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)、電動(dòng)機(jī))也會(huì)給系統(tǒng)總布置帶來(lái)困難并使成本增加。因此一般只有在兩種情況下,才有可能選用串聯(lián)式混合動(dòng)力傳動(dòng)系布置方案:第一種是發(fā)動(dòng)機(jī)僅用于增加電動(dòng)車(chē)輛的續(xù)駛里程,而用于驅(qū)動(dòng)汽車(chē)的絕大部分能量是來(lái)源于蓄電池,結(jié)果整個(gè)系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)化損失較小。第二種是發(fā)電機(jī)和電動(dòng)機(jī)的綜合效率達(dá)到或超過(guò)傳統(tǒng)車(chē)輛動(dòng)力傳動(dòng)系的水平,研究人員希望能采用配備有磁能密度極高的永久磁鐵作為電極的高速同步發(fā)電機(jī)和電動(dòng)機(jī)來(lái)達(dá)到這一水平。這種系統(tǒng)主要用于城市大客車(chē),在轎車(chē)中很少見(jiàn)。并聯(lián)式混合動(dòng)力傳動(dòng)系并聯(lián)式混合動(dòng)力傳動(dòng)系的構(gòu)成如下圖所示。圖4并聯(lián)式混合動(dòng)力傳動(dòng)系的構(gòu)成在并聯(lián)式混合動(dòng)力傳動(dòng)系中,發(fā)動(dòng)機(jī)與電動(dòng)機(jī)可以分別獨(dú)立地向汽車(chē)驅(qū)動(dòng)輪提供動(dòng)力,沒(méi)有串聯(lián)式混合動(dòng)力傳動(dòng)系中的發(fā)電機(jī),因此更像傳統(tǒng)的汽車(chē)動(dòng)力傳動(dòng)系,并具有了許多顯著的優(yōu)點(diǎn)：由于發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)械能可直接輸出到汽車(chē)驅(qū)動(dòng)橋,中間沒(méi)有能量的轉(zhuǎn)換,與串聯(lián)式布置相比,系統(tǒng)效率較高,燃油消耗也較少。電動(dòng)機(jī)同時(shí)又可作為發(fā)電機(jī)使用,系統(tǒng)僅有發(fā)動(dòng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)2個(gè)動(dòng)力總成,整車(chē)質(zhì)量和成本大大減小。假定汽車(chē)所要求的最大功率為P,則每臺(tái)動(dòng)力總成的功率總和往往是在P～2P之間,由于設(shè)備功率較小,所需的設(shè)備費(fèi)用也較小。但由于發(fā)動(dòng)機(jī)與車(chē)輛驅(qū)動(dòng)輪間有直接的機(jī)械連接,發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行工況不可避免地要受到汽車(chē)具體行駛工況的影響,要維持發(fā)動(dòng)機(jī)在最佳工作區(qū)工作,則控制系統(tǒng)和控制策略較復(fù)雜。混聯(lián)式混合動(dòng)力傳動(dòng)系典型的混聯(lián)式混合動(dòng)力傳動(dòng)系布置方案簡(jiǎn)圖如下圖所示,在該系統(tǒng)上既裝有電動(dòng)機(jī)又裝有發(fā)電機(jī),具有了串、并聯(lián)結(jié)構(gòu)各自的特點(diǎn)。一般使用開(kāi)關(guān)式結(jié)構(gòu)通過(guò)離合器的結(jié)合與脫離來(lái)實(shí)現(xiàn)串聯(lián)分支與并聯(lián)分支間的相互切換:離合器分離,切斷了發(fā)動(dòng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)與驅(qū)動(dòng)輪的機(jī)械連接,系統(tǒng)以串聯(lián)模式運(yùn)行;離合器結(jié)合,發(fā)動(dòng)機(jī)與驅(qū)動(dòng)輪有了機(jī)械連接,系統(tǒng)以并聯(lián)模式運(yùn)行。串聯(lián)分支與并聯(lián)分支都始終處于工作狀態(tài),而由行星齒輪傳動(dòng)在串聯(lián)分支和并聯(lián)分支間進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)輸出能量的合理分配。此結(jié)構(gòu)可通過(guò)發(fā)電機(jī)對(duì)串聯(lián)分支實(shí)施各種各樣的控制,同時(shí)又可通過(guò)并聯(lián)分支來(lái)維持發(fā)動(dòng)機(jī)與驅(qū)動(dòng)輪間的機(jī)械連接,最終實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速控制。圖5開(kāi)關(guān)式結(jié)構(gòu)圖6分路式結(jié)構(gòu)混聯(lián)式混合布置方案綜合了串、并聯(lián)2種布置方案的優(yōu)缺點(diǎn),具有了最佳的綜合性能,但系統(tǒng)組成龐大,傳動(dòng)系布置困難。另外,實(shí)現(xiàn)串、并聯(lián)分支間合理