【正文】 4000～ 6000 4000～ 10000 9000～ 15000 15000 電機(jī)費(fèi)用 10 10～ 15 8～ 12 6～ 10 控制器成本 l 2． 5 3． 5 4． 5 堅(jiān)固性 良 良 優(yōu) 良 哈爾濱工業(yè)大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 17 可靠性 普通 良 優(yōu) 良 注：電機(jī)費(fèi)用和控制成奉的數(shù)值代表的是比例關(guān)系 在此本設(shè)計(jì) 中 選擇 異步 電機(jī)。 混合動力電動汽車用儲能元件選 型 在混合動力汽車中，儲能元件起著向電動機(jī)供能及向動力傳動系輸出峰值功率的作用，其另外一個作用是吸收制動再生能量并將其儲存起來。因此，混合動力電動汽車上使用的儲能裝置應(yīng)盡可能滿足如下要求： (1) 可在長時間內(nèi)接收制動功率； (2) 為使儲能裝置不致太龐大和過重，要求其應(yīng)具有比較高的比功率和比能量； (3) 混合動力汽車上的儲能元件需要頻繁地充放電，因此要求其充放電特性較好、自放電率較低以及輸出效率較高，其使用壽命即循環(huán)充放電的次數(shù)應(yīng)較長； (4) 安全可靠，維修方便。 (5) 為降低整車的價格，應(yīng)盡可能降 低儲能元件的成本。 目前有可能應(yīng)用的幾種能量存儲裝置如表 。 表 基本原理 減速連接 存儲裝置 加速連接 機(jī)械能 無級變速 CVT 飛輪 無級變速 CVT 電能一機(jī)械能 發(fā)電機(jī) 電動飛輪電池 電動機(jī) 電能 發(fā)電機(jī) 電化學(xué)電池 /超級電容 電動機(jī) 液壓能 液壓泵 儲能器 液壓傳動 表 儲能裝置 實(shí)現(xiàn)方式 優(yōu)勢 劣勢 適用 飛輪 物理方法 幾乎免維護(hù) 價格昂貴 重型卡車 超級電容 物理方法 承受能力強(qiáng)、壽命優(yōu)越；比功率、循環(huán)效率高 比 能量較低 輕度混合動力車輛 電化學(xué)電池 化學(xué)方法 可靠性高、技術(shù)成熟、 原料易得、便宜 比能量低 壽命較短 純電動汽車混合動力汽車 燃料電池 化學(xué)方法 能量轉(zhuǎn)換效率高 氫制取困難 ,成本高 純電動汽車 哈爾濱工業(yè)大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 18 由表 ，飛輪電池和超級電容用作混合動力汽車儲能元件仍存在著一些技術(shù)難點(diǎn)和缺陷，使得電化學(xué)電池成了目前混合動力汽車儲能元件的主流。同時從蓄電池應(yīng)用的情況可以看出：鉛酸電池仍將在混合動力汽車上得到廣泛應(yīng)用；鎳氫電池、鋰離子電池、鎳金屬氫化物電池隨著技術(shù)的不斷成熟、造價和使用成本的降低而成了中 期目標(biāo)；燃料電池由于具有優(yōu)越的性能但技術(shù)開發(fā)難度大、價位高而成了遠(yuǎn)期目標(biāo)。對于本項(xiàng)目將采用技術(shù)較成熟的鎳氫電池作為儲能元件。 并聯(lián)式混合動力汽車動力系統(tǒng)的參數(shù)匹配與性能指標(biāo) 整車參數(shù)與性能指標(biāo) 本文所研究的混合動力汽車選用目前市場上 Pruis轎車作為基礎(chǔ)車型，其 基本參數(shù)如表 。整車性能開發(fā)指標(biāo)如表 。 表 整備質(zhì)量 總質(zhì)量， Kg 1277 滿載質(zhì)量 總質(zhì)量， Kg 1652 發(fā)動機(jī) 總排量， L 額定功率， KW/r/min 58/4200 最大扭矩， 變速器 傳動比范圍 ～ 主傳動比 車輪 輪轂 15英寸合金輪轂 輪胎 195/60R15 軸距 2500mm 重心高度 60mm 風(fēng)阻系數(shù) 迎風(fēng)面積 表 動力性 最高車速 (km／ h) 160 加速性能 ≤(0～ 100km/h) 最大爬坡度 ≥30％ 經(jīng)濟(jì)性 等速行駛油耗 (L／ 100km) ≤(90 km／ h等速油耗 ) 多工況油耗 (L／ 100km) ≤， (市區(qū) +市郊工況 ) 哈爾濱工業(yè)大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 19 排放 國 Ⅲ 標(biāo)準(zhǔn) 發(fā)動機(jī)功率設(shè)計(jì) HEV的發(fā)動機(jī)要求有一定的驅(qū)動功率，有足夠的動力性能和機(jī)動性能，能夠滿足 HEV的基本動力性能要求，并且能夠與驅(qū)動電動機(jī)一起提供 HEV所需的最大功率，使 HEV達(dá)到或接近燃油汽車的動力性能水平。混合動力汽車發(fā)動機(jī)最大輸出功率 Pmax的取值一般要依據(jù)車輛勻速行駛時的功率要求，即滿足下式： () 式中， η—為傳動效率 (km／ h)； m—為汽車質(zhì)量 (kg)； g—為重力加速度 (m/s 2)； f—為滾動阻力系數(shù)； C—為風(fēng)阻系數(shù)； A—為迎風(fēng)面積 (m)； v—為最高車速 (m/s)。 上式的 V應(yīng)為車輛額定行駛車速，即車輛經(jīng)常行駛時的平均車速 Vavg ，這里的 V不能取設(shè)計(jì)目標(biāo)中的最大值 Vmax。，因?yàn)樵诔鞘行旭傃h(huán)工況中，車輛的速度是達(dá) 不到它的最大值，另外結(jié)合我國車輛和路況的實(shí)際情況，在這里確定 V的取值要求為： () 另外，發(fā)動機(jī)的功率還應(yīng)滿足式 3． 6所示： () 本文采用了第二種計(jì)算發(fā)動機(jī)功率的方法，根據(jù)混合動力電動汽車的開發(fā)指標(biāo)，該車在發(fā)動機(jī)單獨(dú)驅(qū)動的時候應(yīng)該滿足 70km／ h的行駛速度，而且爬坡度應(yīng)大于 10％，經(jīng)過最后計(jì)算發(fā)動機(jī)最 小 功率應(yīng)為 Pmax=30Kw附近 (這里還考慮了發(fā)動機(jī)需要有 10％左右 充裕 的功率為電池組充電 )。 哈爾濱工業(yè)大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 20 電機(jī)參數(shù)設(shè)計(jì)計(jì)算 在低速低負(fù)荷時，關(guān)閉發(fā)動機(jī)，利用電機(jī)啟動整車，實(shí)現(xiàn)混合動力電動汽車在規(guī)定時間內(nèi)單獨(dú)啟動整車到規(guī)定車速的要求。 在 水平良好路面上，車輛的行駛加速度為： () 式中： Ft—車輛行駛驅(qū)動力 (N)； Fw—車輛行駛空氣阻力 (N)； Ff—車輛行駛滾動阻力 (N)； —轉(zhuǎn)動質(zhì)量換算系數(shù)， 對混聯(lián)混合動力汽車其計(jì)算式為： () 式中： Iw—車輪總轉(zhuǎn)動慣量； Ig—與發(fā)動機(jī)輸出軸相連的所有發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)動部件轉(zhuǎn)動慣量之和； Im—與電動機(jī)輸出軸相連的所有電動機(jī)轉(zhuǎn)動部件轉(zhuǎn)動慣量之 和； im—動力合成裝置速比； ig—變速器速比。 車輛由起步加速到速度 V的加速時間為： () 對于混合動力電動汽車在 CYC EDDS循環(huán)工況下進(jìn)行仿真，可以得到電機(jī)峰值功率、整車啟動時間和車速關(guān)系的仿真結(jié)果如表 。 表 電機(jī)功率 車輛參數(shù) 33kw 49kw 58kw 啟動時間 (s) 0～ 5km／ h 0～ 10km／ h 0～ 15km／ h 由表 ，若要求混合動力汽車啟動能力優(yōu)越，則電機(jī)的峰值功率應(yīng)不低于 33kw，而選擇 49kw和 58kw整車的啟動能力接近， 所以應(yīng)該優(yōu)先考慮， 本設(shè) 哈爾濱工業(yè)大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 21 計(jì)是基于全混合動力的模型下進(jìn)行的，其混合度約為 41%，故 額定 功率為 30kw。 電池參數(shù)設(shè)計(jì)計(jì)算 （一 ） 電壓等級 蓄電池的電動勢是蓄電池在理論上輸出能量大小的度量 之一，數(shù)值上等于熱力學(xué)的兩極平衡電極電位之差。電動勢的大小由電池中所進(jìn)行的電化學(xué)反應(yīng)的性質(zhì)和反應(yīng)條件決定，與電池的形狀、尺寸無關(guān)。如果蓄電池其他條件相同，那么電動勢越高的蓄電池，理論上能夠輸出的能量就越大。 一般動力電池組的電壓變化范圍在其額定電壓的 (35％ —+25％ )范圍內(nèi)，因而要求電機(jī)逆變器的 IGBT承受電壓范圍為 (220V～ 420V)，整個系統(tǒng)的電壓范圍必須一致，保證系統(tǒng)的運(yùn)行可靠。 通過參考同類車型選擇 288V。 （二）蓄電池實(shí)際容量 蓄電池的容量是指在一定的放電條件下可以從蓄電池中獲得的電量。常用安培小時數(shù) (Ah)表示。一個蓄電池的容量又有理論容量、實(shí)際容量和額定容量之分。 實(shí)際容量是指在一定的放電條件下蓄電池實(shí)際放出的電量，等于放電電流與放電時間的乘積。實(shí)際容量的計(jì)算方法為： 恒定電流放電時： C=IT () 上式中， C為蓄電池的容量，單位 Ah； I為恒定電流放電時的電流，單位為 h，T為放電至終止電壓時的時間，單位為 h。 當(dāng)放電電流隨時間變化時，這時電池的容量可以表示為： () 上式中， I為放電電流的大小，單位 A； t是放電至終止電壓時間，單位 h 因此，為進(jìn)一步確定電池的容量參數(shù)，在 參考同類車型的情況下選擇電池容量為 45Ah。 （三）鎳氫電池荷電狀態(tài) (SOC) 通常情況下把一定溫度的蓄電池充電到不能再吸收電量時的荷電狀態(tài)(SOC)定義為荷電狀態(tài) SOC=100％，而將蓄電池再不能放出電量時 的荷電狀態(tài)定義為荷電狀態(tài) SOC=0％。對于鎳氫蓄電池， SOC可定義為： () 上式中， Cr為某時刻蓄電池的剩余電量，單位為 Ah； Cn是蓄電池以某放電電流放電時的初始總能量，單位是 Ah。 哈爾濱工業(yè)大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 22 一般對于并聯(lián)混合動力汽車應(yīng)在長時間的穩(wěn)定運(yùn)行前后電池的 SOC基本保持不 變，所以︱ SOC︱ 。但是，不同廠家的電池其 SOC的最佳工作范圍有所不同，一般在 ≤SOC≤，這時電池組內(nèi)阻最小，效率最高。圖 為電池的內(nèi)阻與 SOC的關(guān)系曲線。 圖 SOC關(guān)系曲線 傳動比的選擇 車輛傳動比的選擇包括最小傳動比的選擇、最大傳動比的選擇和傳動系 檔數(shù)與各檔傳動比的選擇，傳動比選擇的是否合適對車輛的動力性和經(jīng)濟(jì)性有很大的影響。 (1) 最小傳動比的選擇汽車大多數(shù)時間是以最高檔行駛，即變速器的最小傳動比檔位行駛。因此，最小傳動比的選定很重要。傳動系的總傳動比是傳動系中個部件傳動比的乘積，即 () 上式中， ig為變速器傳動比； io為主減速器傳動比； ic為分動器或副變速器傳動比。 主減速比對汽車的動力性及燃油經(jīng)濟(jì)性均有重要影響。近年來為了提高燃油經(jīng)性，出現(xiàn)了減小最小傳動比的趨勢。但在選擇最小傳動比時，要考慮汽車在最高檔行駛時應(yīng)有足夠的動力性能，既應(yīng)有足夠的最高檔動力因素 Domax，即一般汽車的 io與 Domax。一有以下關(guān)系： () 另外，一般中、大型客車 Domax取 ～ ，中級轎車 Domax取 ～ 。 哈爾濱工業(yè)大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 23 (2) 最大傳動比的選擇確定最大傳動比時，要考慮最大驅(qū)動力或附著力、最大爬坡度和汽車最低穩(wěn)定車速三個方面。汽車爬坡時車速低，可忽略空氣阻力，汽車的最大驅(qū)動力應(yīng)為： () 得出， () 上式中的 a為車輛的爬坡度，一般車輛的爬坡度為 30％。 接下來，求出 I檔的傳動比后，應(yīng)該按照式 ，具體公式如下： () 上式， 為附著力， 在這里可以取 ~。 綜上所述，經(jīng)計(jì)算的傳動比分配如表 表 傳動比分配表 傳動 傳動比 太陽輪與齒圈 鏈傳動 1 中間齒輪傳動 主減速器 本章小結(jié) 本章詳細(xì)地論述了混合動力汽車的動力總成各部件的選擇方法，以及同一部件不同類型的優(yōu)缺。在混合動力電動汽車動力總成元件確定后，確定了混聯(lián)式混合動力電動汽車總成的構(gòu)型方案。最后，以整車尾氣排放、動力性和燃油經(jīng)濟(jì)性為主要目標(biāo)進(jìn)行設(shè)計(jì)，得到混合動力電 動汽車動力總成各部件參數(shù)設(shè)計(jì)結(jié)果，為混合動力電動汽車系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與模擬仿真提供可靠依據(jù)。 哈爾濱工業(yè)大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 24 第 4 章 變速驅(qū)動橋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 引言 本章主要進(jìn)行了混合動力電動汽車動力總成的機(jī)構(gòu)，將電機(jī)、電機(jī) /發(fā)動機(jī)、變速器、主減速器、差速器融為一體，設(shè)計(jì)成變速驅(qū)動橋。具體的方案是：變速驅(qū)動橋的總體布置；傳動裝置各軸的運(yùn)動和動力參數(shù)的確定；齒輪的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與強(qiáng)度校核；軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與強(qiáng)度校核；軸承的選擇與強(qiáng)度校核。 變速驅(qū)動橋的總體布置 變速驅(qū)動橋的總體設(shè)計(jì)要求結(jié)構(gòu)緊湊，工作可靠，布置簡單，維修方便的原則進(jìn)行設(shè)計(jì) 。具體布置如圖 圖 總體布置圖 傳動裝置各軸的運(yùn)動和動力參數(shù)的確定 經(jīng)以上選型確定動力裝置的參數(shù)如表 表 動力裝置的參數(shù)表 動力裝置 最大功率kw 額定功率kw 額定轉(zhuǎn)速rpm 最高轉(zhuǎn)速rpm 最大扭矩 發(fā)動機(jī) 57 43 4000 6000 102 主電機(jī) 58 30 1200 6000 305 發(fā)動機(jī) 主電機(jī) 行星齒輪組 電機(jī) /發(fā)電機(jī) 鏈輪從動軸 中間軸 半軸 哈爾濱工業(yè)大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 25 電機(jī) /發(fā)電機(jī) 23 10 8000 12022 57 1． 各軸的轉(zhuǎn)速 齒圈軸