輕型插入式混合動力電動汽車整車構造研發(fā)過程淺析*

王 強，閆君杰

(河南機電高等專科學校汽車工程系，河南新鄉(xiāng)453000)

輕型插入式混合動力電動汽車整車構造研發(fā)過程淺析*

王 強，閆君杰

(河南機電高等?？茖W校汽車工程系，河南新鄉(xiāng)453000)

當今汽車工業(yè)的發(fā)展面臨環(huán)保和能源兩大問題，電動汽車具有節(jié)能、減排的優(yōu)勢，因此電動汽車的研究是開發(fā)節(jié)能環(huán)保型汽車的主攻方向。混合動力電動汽車是電動汽車的一種，它結合了傳統(tǒng)內(nèi)燃機和電動機的優(yōu)勢，達到了提高燃油經(jīng)濟性和降低排放的目的。Axon60采用輕型再生碳纖維結構，多種燃料引擎及一臺電機，實現(xiàn)優(yōu)于法定傳動循環(huán)超過100mpg的燃料經(jīng)濟性和低于50g/km的CO2。由于輕型空氣動力設計和高效動力系，使用2kWh電池組該車能夠僅憑電力行駛10英里。通過該車的整車構造研發(fā)過程，為我國輕型插電式混合動力汽車的實車試驗奠定了基礎。

插入式混合動力車，工藝樣車，輕型

1 背景

溫室氣體排放的挑戰(zhàn)正迫使汽車生產(chǎn)商在設計、生產(chǎn)、使用和再循環(huán)時積極關注能源利用。目前公路運輸在英國占了CO2排放的21%，已成為英國政府的優(yōu)先治理領域。英國政府已設定了到2020年溫室氣體排放降低40%的目標。已經(jīng)提出了各種途徑來減少道路CO2排放，諸如替代燃料、改進內(nèi)燃機、混合動力系、輕型車。相比較常規(guī)車，插入式混合動力車因其低排放，是最有希望的替代車之一［1］。

作為英國技術戰(zhàn)略委員會贊助的低碳車輛創(chuàng)新平臺的組成部分，Axon汽車有限公司正牽頭研發(fā)一款輕型插入式混合動力車－Axon60的項目。該新車能夠實現(xiàn)能源高效而不損害駕駛員的安全性和舒適性。該項目的目標是開發(fā)出一款插入式混合動力工藝樣車，用以評估技術可行性、用戶體驗，及英國市場潛力。英國的一項研究預示到2020年7.5%的注冊新車將為混合動力車，為繼續(xù)擴大混合動力汽車的注冊量，諸如初始成本、充電基礎設施等等因素都需要加以論述，以提高混合動力車在英國市場的份額。

2 Axon60車輛構造

為確定優(yōu)選車輛構造，研發(fā)團隊首先做了市場調(diào)研，認識當前的市場競爭并創(chuàng)建一個對比模型。一旦該模型生成，則對不同的構造進行詳細分析來估算各種構造的性價比。

在進行分析時考慮以下標準:

(1)達到50g/km CO2的低成本途徑

(2)純電動能力

(3)實際道路條件下的駕駛性

(4)停/啟能力

(5)再生制動能力

(6)大于3年的電池壽命

(7)車輛電網(wǎng)的可行性

由于A級車在全球乘用車市場占有率達到40%以上而且主要為家庭用車，因此Axon汽車有限公司選用英國發(fā)動機制造廠商協(xié)會定義為A級的車輛做比較。對現(xiàn)有各種汽車類型的一些諸如動力/重量比和具體動力等基本性能標準進行了分析。圖2顯示Axon60與現(xiàn)有A級車輛的比較。

圖1 Axon比較模型

圖2 Axon60構造

在對比完成后，考慮了4種混合動力車構造類型［2］:

串聯(lián)弱混、串聯(lián)中混、全并聯(lián)式和混聯(lián)式。

為保證車輛的燃油經(jīng)濟性排除了串聯(lián)弱混構造。為盡量接近Axon60基礎車型，排除了串聯(lián)中混構造?；谝子诩稍靸r便宜的考慮，排除了混聯(lián)式構造，最終選擇了全并聯(lián)構造。采用該種配置，通過無級變速傳動電機和引擎均可以單獨驅動汽車行駛。Axon60構造見圖2，車型技術參數(shù)見表1。

表1 Axon60技術參數(shù)

2.1 整車結構

現(xiàn)有車輛設計通常采用鋼材做車身和底盤，體重油耗大。提高燃料經(jīng)濟性的一個辦法就是減輕重量，改善空氣動力效率。

Axon60項目旨在制造一種碳纖維合成結構，重量最輕但其剛性在各方面優(yōu)于現(xiàn)有鋼質車體。該結構可以更好地抗拒小或大的撞擊。合成材料的采用使車輛設計有更多的靈活性，實現(xiàn)更優(yōu)的空氣動力學形狀和更低的阻力。圖3顯示了Axon60的空氣動力學軟件生成圖形。

圖3 Axon60的空氣動力學軟件生成圖形

碳/環(huán)氧樹脂合成物的使用還使Axon60滿足重量要求而不影響安全性。合成材料的使用有助于將車輛的運行自重總重控制在650公斤左右(包括混合動力部件)。

圖4 Axon60碳纖維結構

如圖4所示，Axon60使用輕型整體面板，具有數(shù)種制造和性能優(yōu)點，例如自動化預制制造，快速車體組裝，最低限度的緊固件，改進的機構效能。結構的設計旨在以最輕的重量提供最高的強度和較強的吸收撞擊性的能力。最終的碳纖維結構預計為70公斤，相關的抗扭力剛性達到15000Nm/ degree左右。

2.2 電機大小及選擇

在初期概念研發(fā)階段，考慮了DC、AC感應和永磁同步電機。在選擇電機配置前，考慮了數(shù)個基本因素。DC電機易于安裝、控制并且便宜，尤其是DC電機控制器比AD電機控制器簡單得多。此外，DC電機可以短時超限運轉，尤其適合諸如超車之類的車輛操作。然而DC電機需要更多的維護，其設計也比AC電機復雜［3］。DC電機用作發(fā)電機時效率相當差，將無法滿足Axon60再生制動要求。另外，也難于找到滿足Axon60性能要求的合適尺寸的DC電機。對于插入式混合動力車永磁電機是理想的，但其成本高，無法采用。因此，決定采用AD感應電機，因其無論是用作電機還是發(fā)電機效率均優(yōu)，并且成本低，控制器易采購。

確定電機構造后就是確定電機性能參數(shù)。Axon60主要用于市內(nèi)道路，也要有上高速的能力。鑒于該車將實用，項目團隊選用ARTEMIS城市道路駕駛(驅動、傳動)循環(huán)來確定對AC電機的功率要求。

基于圖5、圖6及0－30mph加速的要求，最終選擇了一臺12kW AC感應電機。

圖5 NEDC(新歐洲駕駛循環(huán)測試)時Axon60的功率需求

圖6 ARTEMIS城市道路駕駛測試時Axon60的功率需求

2.3 電池規(guī)格及選擇

電池選擇考慮以下參數(shù):能量密度、功率密度、壽命成本、循環(huán)壽命限制、放電深度、充電容量、溫度范圍、自放電率。對照選擇參數(shù)評估了3種主要電池化學性能“雙極鉛酸電池、鎳金屬氫電池、鋰離子電池”［4］。

為了解能量消耗，研發(fā)了一款車輛模擬模型用于計算新歐洲標準和ARTEMIS城市道路駕駛循環(huán)的能量消耗。模擬結果顯示，當純電動時，新歐洲標準城市道路駕駛循環(huán)消耗為110Wh/mile，ARTEMIS為181Wh/mile。基于上述數(shù)據(jù)，確定純電動10英里電池容量為2kWh，以便通過限制放電深度維持電池壽命。

因為電池不能大，為滿足ARTEMIS駕駛循環(huán)的要求必須在10－15°C范圍內(nèi)深度放電。雙極鉛酸電池化學性能可以滿足上述要求，但滿足不了3年循環(huán)壽命的要求，也滿足不了重量輕的要求。因此放棄了該類電池。鎳金屬氫電池化學性能滿足絕大部分要求，但因其高度自放電率及在英國供給較差，也放棄了。最終，為保持電池系統(tǒng)重量輕和滿足3年循環(huán)壽命的要求，選擇了鋰離子電池。

在鋰離子電池中，選用了磷酸鋰離子(LiFeO4)，因其耐熱和化學穩(wěn)定性以及循環(huán)壽命均優(yōu)于氧化鋰鈷(LiCoO2)和氧化鋰錳(LiMn2O4)。在超放電條件下，LiFeO4更穩(wěn)定并且能夠承受較高溫度而不影響其性能。盡管LiFeO4的能量密度比不上LiCoO2和LiMn2O4，但卻能夠維持較高電流，因此更適合Axon60。

2.4 內(nèi)燃機的選擇

基于圖5和圖6對動力的計算要求，選擇了汽油內(nèi)燃機。該引擎為雙缸 500cc，轉速在引擎5000rpm時產(chǎn)生的動力為26kW，3500rpm時扭矩為40Nm，該引擎具有使用多種燃料的能力和啟停功能。圖7顯示了其靜態(tài)效率圖。

圖7 Axon60要求效率圖

2.5 傳動選擇

為獲得混合動力車的最大潛力，引擎和電池必須以峰值效率運行。采用手動傳動的常規(guī)車輛，不可能讓引擎一直保持在最佳燃料消耗率區(qū)間運行。然而，采用無級變速卻能夠使引擎在最佳范圍內(nèi)運行達到最佳燃油效率的目標。Axon60正在研發(fā)一種皮帶驅動無級變速傳動系統(tǒng)。圖8展示了該引擎，無級變速器傳動和電機的總裝。

圖8 Axon60動力系

3 結語

本文描述了Axon60插電式混合動力工藝樣車在整車結構研發(fā)、電池、電機和內(nèi)燃機多種部件選擇過程中獲得的經(jīng)驗，對于控制器選擇，電池監(jiān)控系統(tǒng)模擬將在以后文章中闡述。不可否認Axon60項目顯示采用輕質材料并結合高效驅動系，對取得可觀燃油經(jīng)濟性和減少排放起到了重要的作用。

(責任編輯 呂春紅)

［1］周能輝.插電式混合動力轎車整車控制策略的研究［J］.汽車工程，2013，35(2).

［2］李國岫，李秀杰.并聯(lián)式混合動力電動汽車動力總成控制策略的研究［J］.公路交通科技，2005，(04):129-131.

［3］何仁，高宗英.汽車傳動系統(tǒng)最優(yōu)匹配評價指標的探討［J］.汽車工程，1996，(01):55-60.

［4］張彥琴，周大森，馮能蓮.輔助混合動力電動汽車技術研究(Ⅳ)［J］.北京工業(yè)大學學報，2006，(09):825-828.

Development Process Analysis Structure of the Lightweight Plug-in Hybrid Electric Vehicle

WANG Qing，et al
(Henan Mechanical and Electrical Engineering College，Xinxiang 453000，China)

Development of today＇s automotive industry is facing twomajor problems of environmental protection and energy，electric vehicles have the advantage of energy-saving，emission reduction，so the research is the development of energy-efficient electric vehicles themain direction of environmentally friendly vehicles.Hybrid electric vehicle is an electric car，which combines the advantages of traditional internal combustion engine and electric motor，to improve fuel economy and reduce emissions purposes.This paper describes the results of the actual development process Axon60 like cars and what they have learned.Axon60 regenerated using lightweight carbon fiber structure，multi－fuel engine and amotor，to achieve better than 100mpg statutory drive cycle fuel economy and lower than CO250g/km of.Because lightweight aerodynamic design and efficient powertrain，using 2kWh battery electric car can travel10miles alone.Construction vehicle development process through the car for China Light Plug－in hybrid vehicle test laid a solid foundation.

plug-in hybrid Vehicle;demonstrator;lightweight

U461.91

A

1008-2093(2015)02-0015-04

2014－10－21

王強(1980－)，男，河南新鄉(xiāng)人，講師，工學碩士，主要從事汽車工程研究。