插電式混合動力汽車用密閉與非密閉燃油箱的分析及選擇

王 昊

（東風(fēng)汽車有限公司 東風(fēng)日產(chǎn)乘用車公司技術(shù)中心，廣州510800）

插電式混合動力汽車用密閉與非密閉燃油箱的分析及選擇

王 昊

（東風(fēng)汽車有限公司 東風(fēng)日產(chǎn)乘用車公司技術(shù)中心，廣州510800）

簡要介紹插電式混合動力汽車的特點(diǎn)。通過分析市場上三種典型PHEV油箱的特點(diǎn)，分析了PHEV燃油系統(tǒng)特有的四大使用要求，即法規(guī)要求，耐壓要求，IQS質(zhì)量要求，信賴性要求。 從滿足四大使用要求出發(fā)，對PHEV燃油系統(tǒng)密閉與非密閉油箱進(jìn)行對比。研究表明：非密閉油箱系統(tǒng)可以滿足中國目前排放法規(guī)要求，但密閉高壓油箱系統(tǒng)是PHEV燃油系統(tǒng)的最佳選擇。

插電式混合動力汽車；燃油系統(tǒng)；密閉高壓油箱；非密閉油箱；蒸發(fā)排放

王 昊

畢業(yè)于武漢理工大學(xué)，工學(xué)學(xué)士學(xué)位?，F(xiàn)任東風(fēng)日產(chǎn)乘用車技術(shù)中心工程師，主要從事汽車燃油系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開發(fā)。

能源和環(huán)境是實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展必須考慮的問題。隨著社會的發(fā)展進(jìn)步，傳統(tǒng)汽車(主要以汽油和柴油為燃料)的保有量逐年增加，使得能源、溫室氣體、空氣質(zhì)量三方面問題陷入了惡性循環(huán)。面對能源枯竭和大氣污染的雙重威脅，清潔能源汽車的發(fā)展勢在必行。目前主流的清潔能源汽車有混合動力汽車和純電動汽車，其中，傳統(tǒng)混合動力汽車仍然消耗較多汽油或柴油，而充電式的純電動汽車存在續(xù)航里程有限的缺點(diǎn)，這就產(chǎn)生了兩種技術(shù)的結(jié)合，插電式混合動力汽車。

1 插電式混合動力汽車特點(diǎn)

插電式混合動力汽車（PHEV，Plug－in Hybrids Electric Vehicle）與混合動力汽車（HEV，Hybrids Electric Vehicle）的工作原理相似，都是電動機(jī)與內(nèi)燃機(jī)雙引擎驅(qū)動，區(qū)別在于PHEV分為純電動運(yùn)行模式和混合動力運(yùn)行模式，比HEV多了一個純電動運(yùn)行模式。PHEV工作在純電動運(yùn)行模式時依靠電力驅(qū)動，當(dāng)電池電量低于一定限值時發(fā)動機(jī)啟動，轉(zhuǎn)為混合動力運(yùn)行模式。在車輛滑行狀態(tài)或市內(nèi)行駛，時速不高，車輛完全以電力驅(qū)動；在加速、爬坡或高速行駛狀態(tài)，行車計(jì)算機(jī)會自動啟動內(nèi)燃機(jī)引擎驅(qū)動，提供額外的動力以維持車輛運(yùn)行；在剎車時電動機(jī)會自動將制動能轉(zhuǎn)換成電能儲存在電池中[1]。

插電式混合動力汽車與純電動汽車和混合動力汽車相比具有五大特點(diǎn)：

一具備純電動模式和混合動力模式，純電動運(yùn)行模式下的行駛里程比混合動力汽車長。二具有接受外部公用電網(wǎng)對車載電池組充電的能力。三內(nèi)燃機(jī)功率水平與混合動力汽車類似。四電動機(jī)功率水平與純電動汽車類似，比混合動力汽車高。五電池容量要保證足夠的行駛里程（30至80公里）。

2 三種典型的PHEV油箱系統(tǒng)分析

下面列舉三款國內(nèi)外具有里程碑意義的PHEV車型，通過對比其燃油箱的優(yōu)劣，確定最佳的PHEV燃油箱。

2.1 豐田-普銳斯PHEV 的油箱系統(tǒng)

豐田的普銳斯是日系車中最早推出PHEV的車型。普銳斯PHEV配備60 kW電動機(jī)+73 kW汽油發(fā)動機(jī)，在民用220 V電源下100分鐘便可充滿鋰離子電池組，可以提供20公里的續(xù)航里程。普銳斯PHEV的油箱設(shè)計(jì)為密閉高壓金屬油箱。

與普銳斯HEV相比，普銳斯PHEV發(fā)動機(jī)由之前的1.5 L發(fā)動機(jī)換為1.8 L發(fā)動機(jī)，輸出功率由57千瓦提升為73千瓦；電池組由1.3 kWh鎳氫電池升級為5.2 kWh鋰離子電池；油箱容積仍為45 L沒有變化。普銳斯PHEV發(fā)動機(jī)排量和功率的提升一是由于蓄電池增加導(dǎo)致車重增加，為了保證車輛動力性需要提高發(fā)動機(jī)功率；二是為了在純電動模式行駛電池電量耗盡后，僅靠發(fā)動機(jī)提供動力時車輛仍有足夠的動力性。電池組容量的提升是為了保證純電動模式行駛具有足夠的續(xù)航里程[2]。

2.2 通用-沃藍(lán)達(dá)的油箱系統(tǒng)

雪佛蘭Volt（沃藍(lán)達(dá)）是歐美系車最早推出PHEV的車型，配備1.4 L發(fā)動機(jī)，純電動模式下可行使60公里，混合動力模式下可行駛450公里。油箱為密閉高壓金屬油箱，容積為35 L。

汽油在常溫下容易揮發(fā)，也會因?yàn)樵谟拖渲写鎯r間過長而發(fā)生氧化和變質(zhì)。為了確保油箱內(nèi)汽油品質(zhì)不會影響汽車的動力性能和排放質(zhì)量，雪佛蘭對其鋼制油箱采用了高壓密封以防止汽油揮發(fā)。

在過去的幾十年中，車輛都是采用碳罐裝置搜集油箱內(nèi)揮發(fā)的汽油以供發(fā)動機(jī)循環(huán)使用。由于雪佛蘭Volt發(fā)動機(jī)在大部分車主的日常使用中并不經(jīng)常啟動，油箱中揮發(fā)汽油氣體氧化物會在碳罐內(nèi)積聚，采用高壓密封油箱能夠抑制汽油揮發(fā)的淤積。為了保證高壓油箱的強(qiáng)度，必須采用輕量鋼制油箱取代目前大部分車輛中使用的輕質(zhì)塑料油箱。針對這種情況，雪佛蘭和供應(yīng)商研發(fā)出了1.4毫米厚的熱浸鍍錫-鋅涂層的鋼制油箱來抵御同時來自內(nèi)外部環(huán)境的侵蝕。同時該油箱安裝兩個安全閥，壓力達(dá)到35千帕?xí)r自動開啟機(jī)械減壓閥，壓力低至-16千帕?xí)r自動開啟真空減壓閥。

雪佛蘭Volt油箱能防止汽油蒸氣外泄和濕氣內(nèi)滲，同時油箱內(nèi)部的汽油需要定期使用并進(jìn)行及時補(bǔ)充，以保證車輛性能的優(yōu)化。為此雪佛蘭Volt設(shè)置了“保養(yǎng)模式”。如果發(fā)動機(jī)在6周內(nèi)都未啟動，動力系統(tǒng)控制器就會提醒用戶開啟發(fā)動機(jī)以進(jìn)行車輛維護(hù)保養(yǎng)?！氨ｐB(yǎng)模式”下發(fā)動機(jī)便會自行運(yùn)轉(zhuǎn)并消耗部分汽油，使部件得到潤滑，以備得到更好的使用。對有些用戶來說，保養(yǎng)模式的引入讓他們一年只需加滿油箱一次，剩下的時間只需充電即可。

2.3 比亞迪- F3DM的油箱系統(tǒng)

比亞迪F3DM是中國首款自己研制的PHEV。F3DM發(fā)動機(jī)為1.0 L，輸出功率50千瓦；電動機(jī)最大功率50千瓦；電池組容量為16千瓦時，純電動模式可運(yùn)行100 km。油箱容積50 L，為普通的非密閉金屬油箱。

比亞迪F3DM可在純電動模式和混合動力模式兩者間自由切換。在純電動模式下運(yùn)行時燃油發(fā)動機(jī)不啟動，車主可以靠充電維持車輛運(yùn)行，不會產(chǎn)生燃油消耗。當(dāng)電量不夠時車輛會自動切換成混合動力模式，車主也可手動切換成混合動力模式。在需要較高動力輸出的加速情況下，發(fā)動機(jī)和電動機(jī)同時給車輛提供動力，提供更高的輸出功率。減速時電動機(jī)將制動能轉(zhuǎn)化成電能儲存在電池組中，適用于在頻繁加減速的市區(qū)行駛。

從以上三款車型可以看出國外PHEV已經(jīng)采用密閉高壓油箱，且均為金屬油箱。國內(nèi)PHEV起步較晚，仍采用非密閉式油箱。目前國際上塑料材質(zhì)的密閉高壓油箱技術(shù)還不成熟，國外整車廠還是主要采用金屬來生產(chǎn)密閉高壓油箱。豐田普銳斯PHEV、通用沃藍(lán)達(dá)和比亞迪F3DM考慮應(yīng)對不同國家的法規(guī)要求，采用了不同的燃油箱系統(tǒng)。北美施行最嚴(yán)格的排放法規(guī)要求，因此通用將沃藍(lán)達(dá)設(shè)計(jì)為密閉式油箱系統(tǒng)；豐田考慮在北美銷售，普銳斯PHEV也選擇了密閉式油箱系統(tǒng)；中國目前還沒有實(shí)施嚴(yán)格的排放法規(guī)要求，比亞迪F3DM采用的是非密閉式油箱系統(tǒng)，對大氣環(huán)境帶來一定的污染。

3 PHEV燃油系統(tǒng)的使用要求

傳統(tǒng)車燃油系統(tǒng)主要由加油口蓋、加油管、油箱、油泵、碳罐和集中配管等部分組成,如圖1所示。傳統(tǒng)車燃油系統(tǒng)需要滿足四大功能要求：

一保證燃料安全無泄漏地貯藏在燃油箱中，且該功能與整車使用壽命一致。二保證車輛停在傾斜路面或轉(zhuǎn)彎行駛時，也能夠正常供給燃油到發(fā)動機(jī)。三保證在各種工況下能夠準(zhǔn)確地測出燃油箱剩余油量。四具有安全順利地補(bǔ)充燃料的功能，同時應(yīng)保證補(bǔ)充燃料時不會溢出。

PHEV燃油系統(tǒng)除了具有傳統(tǒng)車燃油系統(tǒng)的基本要求外，還應(yīng)滿足以下四大要求：

3.1 法規(guī)要求

由于PHEV的特殊運(yùn)行模式，整車需要滿足國家的蒸發(fā)排放法規(guī)。

3.2 燃油系統(tǒng)耐壓要求

若采用密閉高壓燃油箱，高壓燃油系統(tǒng)對油箱、油泵、加油管、蒸發(fā)管路的耐壓能力提出更高要求。需要考慮油箱蒸發(fā)管路上電磁閥的開發(fā)與匹配，加油前油箱內(nèi)高壓燃油蒸氣的釋放和控制。

3.3 IQS質(zhì)量要求

若車主日常上下班行駛距離不超過55公里，白天以純電動模式運(yùn)行，晚上回家充電，車輛只用電不用油，發(fā)動機(jī)長期不啟動。在采用非密閉燃油箱的情況下，油箱內(nèi)產(chǎn)生的燃油蒸氣進(jìn)入碳罐，碳罐長時間得不到脫附，會有大量的油氣從碳罐溢出，車輛周圍產(chǎn)生大量汽油味。燃油蒸氣長時間溢出，即使發(fā)動機(jī)沒有工作油箱內(nèi)的汽油也會減少，引起車主抱怨。純電動模式下運(yùn)行，沒有了發(fā)動機(jī)噪音的掩蓋，油箱內(nèi)油液晃動音容易被客戶察覺和抱怨。（注釋：IQS-Initial Quality Study車輛初始質(zhì)量研究。）

3.4 信賴性要求

車主僅使用純電動模式運(yùn)行而不啟動發(fā)動機(jī)，汽油長期存放在油箱內(nèi)不會發(fā)生變質(zhì)。

4 PHEV燃油系統(tǒng)密閉與非密閉油箱的選擇

從PHEV燃油系統(tǒng)上述四個要求出發(fā)，選擇密閉與非密閉燃油箱系統(tǒng)應(yīng)重點(diǎn)考慮如下內(nèi)容：

4.1 法規(guī)要求

中國、日本、歐洲執(zhí)行歐Ⅴ排放法規(guī)，IV型試驗(yàn)HC排放：2 g/day。北美執(zhí)行PZEV排放法規(guī)，DBL+HSL:0.054 g/day，RNL: 0.05 g/mile。（注釋：DBL-Diurnal Breathing Loss日間呼吸損失，HSLHot Soak Loss熱浸車損失，RNL-Running Loss走行損失。）

4.1.1 中國排放法規(guī)分析：

PHEV按照GB/T19755-2005（輕型混合動力電動汽車污染物排放測量方法）試驗(yàn)，試驗(yàn)方法與GB18352.5-2013（輕型汽車污染物排放限值及測量方法（中國Ⅴ階段））IV型試驗(yàn)方法相同，除了試驗(yàn)前要將電池組電量耗盡，試驗(yàn)結(jié)果要求也是2 g/day。這樣PHEV在試驗(yàn)前就將電池組電耗盡而變成了傳統(tǒng)燃油汽車，傳統(tǒng)油箱就可以滿足IV型試驗(yàn)排放法規(guī)要求。

國標(biāo)要求PHEV純電動模式續(xù)航里程不能少于55 km，測試中一旦發(fā)動機(jī)啟動即判定試驗(yàn)終止，所以純電動模式行駛中不能啟動發(fā)動機(jī)脫附碳罐。

4.1.2 北美排放法規(guī)要求

車輛運(yùn)行時蒸發(fā)排放量RNL: 0.05 g/mile。PHEV純電動模式行駛時發(fā)動機(jī)停止脫附碳罐，燃油箱的汽油蒸氣會從碳罐冒出，所以北美必須使用密閉油箱系統(tǒng)，將走行時的燃油蒸氣全部控制在油箱內(nèi)部。

4.1.3 針對不同的排放法規(guī)，燃油箱的選擇形式如下：

中國、日本、歐洲執(zhí)行歐Ⅴ排放法規(guī)，IV型試驗(yàn)HC排放：2 g/day ，采用傳統(tǒng)非密閉油箱系統(tǒng)可以滿足排放法規(guī)要求。

北美執(zhí)行PZEV排放法規(guī)，DBL+HSL:0.054 g/day，RNL: 0.05 g/mile；使用傳統(tǒng)油箱蒸發(fā)排放值將超標(biāo)，必須使用密閉的高壓油箱系統(tǒng)才能滿足要求。

4.2 燃油系統(tǒng)耐壓要求

4.2.1 非密閉油箱的采用

傳統(tǒng)車油箱工作壓力在-3 kpa至6 kpa之間，PHEV如果采用非密閉油箱需要將油箱工作壓力適當(dāng)提高，減小燃油蒸氣的蒸發(fā)排放?？紤]傳統(tǒng)油箱在壓力下的變形承受能力，可將工作壓力提高到-6 kpa至15 kpa之間；同時為了減少油箱變形，可在塑料油箱上增加KISSOFF支撐結(jié)構(gòu)。由于油箱壓力提高不多，加油管、油泵等其它部件不需要做耐壓方面的特別設(shè)計(jì)。工作壓力提高后的非密閉油箱，車輛行駛中還會有燃油蒸氣進(jìn)入碳罐，為了減少燃油蒸氣的排放需要將碳罐容積做得較大。非密閉油箱國內(nèi)一般油箱廠都可以制造，比亞迪F3DM PHEV采用的就是非密閉油箱。由于不能將燃油蒸氣完全控制和吸收，非密閉油箱PHEV在純電動模式行駛中或之后，車內(nèi)外有可能會聞到汽油味。

4.2.2 密閉油箱的采用

密閉油箱工作壓力在-6 kpa至40 kpa之間，因此密閉油箱系統(tǒng)各組成件都要設(shè)計(jì)成耐高壓的。為了將燃油蒸氣控制在高壓油箱內(nèi)部，需要在油箱與碳罐連接管上增加電磁閥；同時為了安全考慮以及電磁閥失效的考慮，需要在管路上為電磁閥并聯(lián)一個機(jī)械式單向閥，防止油箱因壓力過大而變形或破裂。塑料密閉油箱殼體需要采用雙片吹塑技術(shù)，在殼體內(nèi)部增加STANDOFF支撐結(jié)構(gòu)。該方案可以在不增加油箱殼體壁厚的基礎(chǔ)上提高油箱的耐壓能力，減少油箱的變形量，并且油箱重量與傳統(tǒng)非密閉油箱相當(dāng)。由于燃油蒸氣通過電磁閥控制在油箱內(nèi)部，只有車輛加油和發(fā)動機(jī)工作時電磁閥才會打開，燃油蒸氣才能進(jìn)入碳罐，所以碳罐容積可以做得較小。為了防止加油擰開加油口蓋時油箱內(nèi)高壓燃油和蒸氣從加油口噴出，擰開加油口蓋前電磁閥會打開，將油箱內(nèi)高壓燃油蒸氣排到碳罐中，油箱內(nèi)壓降到大氣壓水平，此時客戶打開加油口蓋不會聞到汽油味。密閉高壓油箱的生產(chǎn)技術(shù)掌握在國外少數(shù)油箱廠家手中，成本較高。

傳統(tǒng)非密閉油箱系統(tǒng)與密閉高壓油箱系統(tǒng)的參數(shù)對比見表2。中國PHEV車可以采用傳統(tǒng)非密閉油箱系統(tǒng)，也可以采用密閉高壓油箱系統(tǒng)。

4.3 IQS質(zhì)量要求

對于非密閉燃油系統(tǒng)的PHEV，連續(xù)純電動模式行駛碳罐吸滿燃油蒸氣后無法再吸收，導(dǎo)致嗅氣惡化和火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)。長期處在純電動模式行駛，汽油會因揮發(fā)而損失。由于密閉燃油系統(tǒng)是將燃油蒸氣密封在油箱內(nèi)，可以有效解決上面這些問題。

密閉燃油系統(tǒng)PHEV加油時油箱需要泄壓，燃油蒸氣會迅速排入碳罐。排氣管路和碳罐的設(shè)計(jì)與ORVR燃油系統(tǒng)相似，碳罐采用柱狀活性碳；排氣管路通常設(shè)計(jì)為Φ14 mm或者更大，以保證排氣迅速。碳罐容量是傳統(tǒng)燃油系統(tǒng)的3～4倍，否則燃油蒸氣得不到充分吸收，會聞到較大的汽油味，也可能帶來火災(zāi)隱患。（注釋：ORVR-Onboard Refueling Vapor Recovery車載加油蒸氣回收系統(tǒng)，是北美排放法規(guī)要求汽車具有的一種汽油回收系統(tǒng)。）

PHEV純電動模式行駛的靜音要求，需要油箱內(nèi)油液晃動音更小。密閉與非密閉油箱都需要在內(nèi)部增加擾流板（防浪板），減小油液的晃動音。

4.4 信賴性要求

對于密閉和非密閉燃油系統(tǒng)的PHEV，汽油長期存放在油箱里都會發(fā)生酸化變質(zhì)，對燃油泵、供油管路和發(fā)動機(jī)造成一定的腐蝕。整車廠應(yīng)該在用戶手冊中提醒車主半年左右需要用完油箱內(nèi)的汽油然后添加新汽油。車載電腦也可根據(jù)客戶加油的日期計(jì)算時間，在儀表板上定期提醒車主需要用完汽油并添加新汽油。

表2 傳統(tǒng)非密閉油箱系統(tǒng)和密閉高壓油箱系統(tǒng)參數(shù)對比

5 結(jié)束語

新車型的上市首先要滿足國家的法規(guī)要求，銷售狀況取決于對客戶要求的滿足程度。密閉油箱系統(tǒng)可以滿足中國的排放法規(guī)要求，同時也可以解決行駛中汽油蒸發(fā)損耗和車輛周圍汽油味大等問題，較好的滿足客戶要求，但是成本高且開發(fā)難度大。非密閉油箱系統(tǒng)成本低且開發(fā)難度小，同樣可以滿足中國現(xiàn)階段的排放法規(guī)要求，目前被國內(nèi)大多數(shù)整車廠所采用。隨著中國排放法規(guī)越來越嚴(yán)格，客戶對車輛要求的不斷提高，密閉高壓油箱系統(tǒng)將是PHEV燃油系統(tǒng)的最終解決方案。

[1] 閆培如,陶元芳,葉青林,師瑋. 節(jié)能環(huán)保汽車--插電式混合動力汽車[J].機(jī)械工程與自動化, 2015年5期.

[2] 王秉剛. 體驗(yàn)豐田插電式混合動力汽車[J].汽車與運(yùn)動, 2012年2期.

[3] GB/T19755-2005. 輕型混合動力電動汽車污染物排放測量方法[S].2005.

[4] GB18352.5-2013. 輕型汽車污染物排放限值及測量方法（中國Ⅴ階段）[S].2013.

[5] (美)Iqbal Husain 著, 林程譯. 純電動及混合動力汽車設(shè)計(jì)基礎(chǔ)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2012.

[6] (美)雷特曼著，王震坡，孟祥峰譯. 插電式混合動力電動汽車開發(fā)基礎(chǔ)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2011.

專家推薦

周志雄：

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The Analysis and Selection between Enclosed and Opened Fuel Tanks in Plug-in Hybrid Electric Vehicle

WANG Hao
( Dongfeng Nissan Passenger Vehicle Company Technical Center, Guangzhou 510800, China )

The characteristics of plug-in hybrid electric vehicle are briefly introduced. By analyzing the characteristics of the three typical PHEV fuel tanks in the market, analyze the four major requirements of PHEV fuel system, which are the regulation requirement, the pressure requirement, the IQS quality requirement, the tolerance requirement. Based on the four major requirements, compare the PHEV fuel system with enclosed and opened fuel tanks. It is concluded that the opened fuel tank system can meet the requirement of Chinese current emission regulation, but the enclosed high-pressure fuel tank will be the best solution of PHEV fuel system.

plug-in hybrid electric vehicle; fuel system; enclosed high-pressure fuel tank; opened fuel tank; evaporation and emission

U464.136+.5

A

1005-2550（2015）06-0046-06

10.3969/j.issn.1005-2550.2016.01.009

2015-08-03