传感器与 传动 6大模块缺一不可 动力传动系统中的传感器让汽车更高效

6大模块缺一不可 动力传动系统中的传感器让汽车更高效

设计更好的动力传动系统是减少汽车排放的最有效方法。

正如我们所知，无论是提高内燃机的效率，还是设计电动汽车 (EV) 或混合动力电动汽车 (HEV)，电气化都有助于动力传动系统取得重大进展。下面我们除了介绍汽车电气化能够为内燃机 (ICE) 中的动力传动系统传感器以及 EV 和 HEV 中的传感器带来的光明前景之外，还将说明电气化在优化动力传动系统以便有效地管理电池、逆变器和电机构建块方面发挥的重要作用。

动力传动系统感应简介

在下图所示的动力传动系统中，极其精确的电子传感器负责监控各种情况以提高效率。

HEV 中的动力传动系统

动力传动系统由多个模块组成；每个模块单独运行，并具有不同类型的传感器和反馈控制机制。汽车的效率主要取决于动力传动系统传感器和传动器的准确性、精度和响应时间。

这些传感器有助于实现闭环运行，这样才能传达用于管理发动机和控制变送器的感应信息。动力传动系统的主要推动因素是经济性和排放，它们会影响性能和操纵灵活性。在发动机和变速器系统中，传感器及其反馈控制机制能够精确地监控激励，因此有助于提高效率，进而提高燃烧过程的效率以减少排放。传感器及其反馈控制机制可精确地监控激励以提高燃烧过程的效率，从而提高发动机和变速器系统的整体效率。

一台传统的内燃机

要在 EV 和 HEV 车辆中提高电气化程度，工程师需要重新定义动力传动系统的架构和控制。动力传动系统传感器在 ICE 车辆中发挥着同样重要的作用。如上图所示，车辆的电气化始于智能传感器。在 ICE 车辆中，主要依靠动力传动系统传感器及其性能来减少排放。

动力传动系统传感器概述

动力传动系统传感器根据它们提供的计量功能分类，如下图所述。

根据测量原理划分的动力传动系统传感器类别

动力传动系统传感器通常应具备以下特性：

• 低功耗（约 10mA）。

• 高精度意味着精确的控制机制。

• 对激励变化非常敏感。

• 在汽车环境内的稳健性。

• 电磁干扰 (EMI) 电磁兼容性。

动力传动系统温度传感器

动力传动系统中有三种主要的温度传感器：

• 热电偶。随着新型柴油发动机的出现，市场越来越需要高温传感器，这是因为排气系统位于发动机的正下方。这种配置要求以高精度、高分辨率和高集成度执行温度检测。 能够承受和检测高温的排气系统温度传感器通常使用基于热电偶的工作原理，并具有多个热电偶温度传感器和一个用于控制这些传感器的独立模块。

• 热敏电阻。市场中出现的新型热敏电阻支持高温范围，以满足高温传感器的需求。硅基线性热敏电阻取代具有负温度系数和正温度系数的标准热敏电阻也是大势所趋。 使用这些新型智能热敏电阻，可以在较大的动态范围内实现高线性度，这是汽车动力传动系统的一个特殊需求。

• 硅。硅温度传感器正在 HEV/EV 和 ICE 车辆中发挥着重要作用。

动力传动系统压力传感器

集成式动力传动系统压力传感器使用基于电容和电阻的工作原理。信号调节以及放大器、模数转换器、微控制器和数模转换器/数字接口全部在一个芯片上。压力传感元件在温度范围内通常具有非线性特征，因此传统的压力传感器信号调节电路包含温度和线性补偿机制。

由于压力传感器模块导线需要多条线束，因此防止此模块出现过流、过压或短路等线束故障始终是一种很好的做法。在汽车应用中，动力传动系统压力传感器的信号调节应使传感器能够在极其恶劣的环境中运行，并承受多种振动、温度波动、各种电磁条件和冲击。

动力传动系统液位和浓度传感器

动力传动系统液位和浓度传感器通常使用基于超声波和电容的工作原理。必须在车辆内的多个位置测量液位：例如，水箱、燃油箱、液压油油箱、油箱和尿素罐都位于汽车的动力传动系统中。必须监控这些油液的液位和浓度，才能实现高效的控制回路运行。

在排气系统中，在柴油微粒滤清器 (DFP) 滤清之后喷射车用尿素溶液，以降低排放物中的氨浓度。油液浓度和液位传感器在测量油液浓度和车用尿素溶液液位方面发挥着重要的作用。

动力传动系统位置传感器

位置传感器是另一类服务于 ICE、HEV 和 EV 动力传动系统的重要传感器。它们可测量速度、角度、关键操作（例如电动动力转向、牵引逆变器、自动变速器和防锁死制动系统）中的开/关位置。电感式位置传感器可提供更高的稳健性和精确性，并减少了维护工作。

动力传动系统排气传感器

所有 ICE 车辆，包括混合动力电动汽车，都采用了排气传感器。随着新排放标准的出台，对于排气感应的要求变得更加严格，越来越多的国家/地区实际上都在强制实施排放限制。

汽车排气系统中的传感器类型

如上图所示，车辆排气系统中存在不同类型的传感器。这些传感器通常使用化学工作原理，具有两个电极并使用电极电势原理进行感应。这些类型的化学传感器可能具有更高的维护成本和更长的响应时间。

新型射频 (RF) 排气传感器可实现更短的响应时间、更低的维护成本和更高的精确性。这些传感器的工作原理是，当使用一根发射天线引起共振时， 每种气体都有各自的吸收频率；一根接收天线可完成所有的气体感应工作。

动力传动系统电流传感器

电流传感器是内燃机、HEV 或 EV 车辆的动力传动系统中最重要的传感器之一。磁分流原理可满足汽车中的电流感应需求。您可以根据传感器的位置选择合适的原理。内燃机车辆的电流感应电压通常是 12V；在HEV/EV 车辆中，通常是 48V，在 EV 中介于 400V 到600V 或 800V 之间。

动力传动系统中的传感器的基本注意事项

新汽车技术的出现和车辆的持续电气化正在影响动力传动系统传感器及其配套电子产品。在 HEV 和 EV中，对于电流和位置传感器的设计要求明显变得更加严格。

为使动力传动系统传感器能够在恶劣的汽车环境中可靠地运行，极其精确的信号调节器和高精度运算放大器发挥着极其重要的作用。传感器信号调节电子产品能够帮助化解的挑战包括高温和振动条件、EMI 保护以及符合汽车安全标准。

在最终分析中，动力传动系统传感器有可能成为汽车电气化领域的最大技术突破之一。不过，当选择动力传动系统传感器和它们的配套信号调节电子产品时，您应仔细审核基本设计注意事项。点击了解更多，查看更多汽车混合动力、电动动力传动系统中的参考设计。

（作者：Sandeep Tallada，德州仪器(TI) 汽车系统工程师）

机械、电气、气压、液压4大传动方式对比，到底哪一个传动方式好

机械传动

1. 齿轮传动

齿轮传动是机械传动中应用最广的一种传动形式。它的传动比较准确，效率高，结构紧凑，工作可靠，寿命长。齿轮传动根据不同的标准可以分为很多不同的类型。

优点：

结构紧凑，适用于近距离传动；适用的圆周速度和功率范围广；传动比准确、稳定、效率高；工作可靠性高、寿命长；可实现平行轴、任意角相交轴和任意角交错轴之间的传动。

缺点：

要求较高的制造和安装精度、成本较高；不适宜远距离两轴之间的传动；无过载保护作用。

2. 涡轮涡杆传动

适用于空间垂直而不相交的两轴间的运动和动力。

优点：传动比大；结构尺寸紧凑。

缺点：轴向力大、易发热、效率低、只能单向传动。

涡轮涡杆传动的主要参数有：模数；压力角；蜗轮分度圆；蜗杆分度圆；导程；蜗轮齿数；蜗杆头数；传动比等。

3. 带传动

带传动是利用张紧在带轮上的柔性带进行运动或动力传递的一种机械传动。带传动通常由主动轮、从动轮和张紧在两轮上的环形带组成。

1）用于两轴平行回转方向相同的场合，称为开口运动，中心距和包角的概念。

2）带的型式按横截面形状可分为平带、V带和特殊带三大类。

3）应用时重点是：传动比的计算；带的应力分析计算；单根V带的许用功率。

4）带传动的主要特点：

优点：

适用于两轴中心距较大的传动，带具有良好的挠性，可缓和冲击，吸收振动；过载时打滑防止损坏其他零部件；结构简单、成本低廉。

缺点：

传动的外廓尺寸较大；需张紧装置；由于打滑，不能保证固定不变的传动比；带的寿命较短；传动效率较低。

4. 链传动

链传动是通过链条将具有特殊齿形的主动链轮的运动和动力传递到具有特殊齿形的从动链轮的一种传动方式。包括主动链、从动链、环形链条。

优点：链传动有许多优点，与带传动相比，无弹性滑动和打滑现象，平均传动比准确，工作可靠，效率高；传递功率大，过载能力强，相同工况下的传动尺寸小；所需张紧力小，作用于轴上的压力小；能在高温、潮湿、多尘、有污染等恶劣环境中工作。

链传动与齿轮传动相比，制造和安装精度要求较低；中心距较大时，其传动结构简单；瞬时链速和瞬时传动比不是常数，传动平稳性较差。

缺点：链传动的缺点主要有：仅能用于两平行轴间的传动；成本高，易磨损，易伸长，传动平稳性差，运转时会产生附加动载荷、振动、冲击和噪声，不宜用在急速反向的传动中。

5. 轮系

由两个以上的齿轮组成的传动称为轮系。根据轮系中是否有轴线运动的齿轮可将齿轮传动分为普通齿轮传动和行星齿轮传动，轮系中有轴线运动的齿轮就称为行星齿轮。

1）轮系分为定轴轮系和周转轮系两种类型。

2）轮系中的输入轴与输出轴的角速度（或转速）之比称为轮系的传动比。等于各对啮合齿轮中所有从动齿轮齿数的乘积与所有主动齿轮齿数乘积之比。

3）在周转轮系中，轴线位置变动的齿轮，即既作自转，又作公转的齿轮，称为行星轮，轴线位置固定的齿轮则称为中心轮或太阳轮。

4）周转轮系的传动比不能直接用求解定轴轮系传动比的方法来计算，必须利用相对运动的原理，用相对速度法（或称为反转法）将周转轮系转化成假想的定轴轮系进行计算。

5）轮系的主要特点：

适用于相距较远的两轴之间的传动；可作为变速器实现变速传动；可获得较大的传动比；实现运动的合成与分解。

电气传动

电气传动，是指用电动机把电能转换成机械能，去带动各种类型的生产机械、交通车辆以及生活中需要运动的物品。

1、精确度高：伺服电机作为动力源，由滚珠丝杠和同步皮带等组成结构简单而效率很高的传动机构。它的重复精度误差是0.01%。

2、节省能源：可将工作循环中的减速阶段释放的能量转换为电能再次利用，从而减低了运行成本，连接的电力设备仅是液压驱动所需电力设备的25%。

3、精密控制：根据设定参数实现精确控制，在高精度传感器、计量装置、计算机技术支持下，能够大大超过其他控制方式能达到的控制精度。

4、改善环保水平：由于使用能源品种的减少及其优化的性能，污染源减少了，噪音降低了，为工厂的环保工作，提供了更良好的保证。

5、降低噪音：其运行噪音值低于70分贝，大约是液压驱动注塑机噪音值的2/3。

6、节约成本：此机去除了液压油的成本和引起的麻烦，没有硬管或软喉，无须对液压油冷却，大幅度降低了冷却水成本等。

气压传动

气压传动以压缩气体为工作介质，靠气体的压力传递动力或信息的流体传动。

优点：

1）以空气为工作介质，工作介质获得比较容易，用后的空气排到大气中，处理方便，与液压传动相比不必设置回收的油箱和管道。

2）因空气的粘度很小（约为液压油动力粘度的万分之一），其损失也很小，所以便于集中供气、远距离输送。外泄漏不会像液压传动那样严重污染环境。

3）与液压传动相比，气压传动动作迅速、反应快、维护简单、工作介质清洁，不存在介质变质等问题。

4）工作环境适应性好，特别在易燃、易爆、多尘埃、强磁、辐射、振动等恶劣工作环境中，比液压、电子、电气控制优越。

5）成本低，过载能自动保护。

缺点：

1）由于空气具有可压缩性，因此工作速度稳定性稍差。但采用气液联动装置会得到较满意的效果。

2）因工作压力低（一般为0.31MPa），又因结构尺寸不宜过大，总输出力不宜大于10～40kN。

3）噪声较大，在高速排气时要加消声器。

4）气动装置中的气信号传递速度在声速以内比电子及光速慢，因此，气动控制系统不宜用于元件级数过多的复杂回路。

液压传动

液压传动是应用液体作为工作介质来传递能量和进行控制的传动方式。

优点：

1）从结构上看，其单位重量的输出功率和单位尺寸输出功率在四类传动方式中是力压群芳的，有很大的力矩惯量比，在传递相同功率的情况下，液压传动装置的体积小、重量轻、惯性小、结构紧凑、布局灵活。

2）从工作性能上看，速度、扭矩、功率均可无级调节，动作响应性快，能迅速换向和变速，调速范围宽，调速范围可达100：1到2000：1；动作快速性好，控制、调节比较简单，操纵比较方便、省力，便于与电气控制相配合，以及与CPU(计算机）的连接，便于实现自动化。

3）从使用维护上看，元件的自润滑性好，易实现过载保护与保压，安全可靠；元件易于实现系列化、标准化、通用化。

4）所有采用液压技术的设备安全可靠性好。

5）经济：液压技术的可塑性和可变性很强，可以增加柔性生产的柔度，和容易对生产程序进行改变和调整，液压元件相对说来制造成本也不高，适应性比较强。

6）液压易与微机控制等新技术相结合，构成“机-电-液-光”一体化已成为世界发展的潮流，便于实现数字化。

任何事物都是一分为二的，有优点也有缺点。液压传动也不例外：

缺点：

1）液压传动因有相对运动表面不可避免地存在泄漏，同时油液不是绝对不可压缩的，加上油管等弹性变形，液压传动不能得到严格的传动比，因而不能用于如加工螺纹齿轮等机床的内联传动链中。

2）油液流动过程中存在沿损失、局部损失和泄漏损失，传动效率较低，不适宜远距离传动

3）在高温和低温条件下，采用液压传动有一定的困难。

4）为防止漏油以及为满足某些性能上的要求，液压元件制造精度要求高，给使用与维修保养带来一定困难。

5）发生故障不易检查，特别是液压技术不太普及的单位，这一矛盾往往阻碍着液压技术的进一步推广应用。液压设备维修需要有一定的经验，培训液压技术人员的时间较长。

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