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

（東風汽車有限公司 東風日產乘用車公司技術中心，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

（東風汽車有限公司 東風日產乘用車公司技術中心，廣州510800）

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

插電式混合動力汽車；燃油系統；密閉高壓油箱；非密閉油箱；蒸發排放

王 昊

畢業于武漢理工大學，工學學士學位。現任東風日產乘用車技術中心工程師，主要從事汽車燃油系統設計與開發。

能源和環境是實現可持續發展必須考慮的問題。隨著社會的發展進步，傳統汽車(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、空氣質量三方面問題陷入了惡性循環。面對能源枯竭和大氣污染的雙重威脅，清潔能源汽車的發展勢在必行。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航里程有限的缺點，這就產生了兩種技術的結合，插電式混合動力汽車。

1 插電式混合動力汽車特點

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，都是電動機與內燃機雙引擎驅動，區別在于PHEV分為純電動運行模式和混合動力運行模式，比HEV多了一個純電動運行模式。PHEV工作在純電動運行模式時依靠電力驅動，當電池電量低于一定限值時發動機啟動，轉為混合動力運行模式。在車輛滑行狀態或市內行駛，時速不高，車輛完全以電力驅動；在加速、爬坡或高速行駛狀態，行車計算機會自動啟動內燃機引擎驅動，提供額外的動力以維持車輛運行；在剎車時電動機會自動將制動能轉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：

一具備純電動模式和混合動力模式，純電動運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對車載電池組充電的能力。三內燃機功率水平與混合動力汽車類似。四電動機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油箱系統分析

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

2.1 豐田-普銳斯PHEV 的油箱系統

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+73 kW汽油發動機，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公里的續航里程。普銳斯PHEV的油箱設計為密閉高壓金屬油箱。

與普銳斯HEV相比，普銳斯PHEV發動機由之前的1.5 L發動機換為1.8 L發動機，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發動機排量和功率的提升一是由于蓄電池增加導致車重增加，為了保證車輛動力性需要提高發動機功率；二是為了在純電動模式行駛電池電量耗盡后，僅靠發動機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航里程[2]。

2.2 通用-沃藍達的油箱系統

雪佛蘭Volt（沃藍達）是歐美系車最早推出PHEV的車型，配備1.4 L發動機，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，也會因為在油箱中存儲時間過長而發生氧化和變質。為了確保油箱內汽油品質不會影響汽車的動力性能和排放質量，雪佛蘭對其鋼制油箱采用了高壓密封以防止汽油揮發。

在過去的幾十年中，車輛都是采用碳罐裝置搜集油箱內揮發的汽油以供發動機循環使用。由于雪佛蘭Volt發動機在大部分車主的日常使用中并不經常啟動，油箱中揮發汽油氣體氧化物會在碳罐內積聚，采用高壓密封油箱能夠抑制汽油揮發的淤積。為了保證高壓油箱的強度，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塑料油箱。針對這種情況，雪佛蘭和供應商研發出了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外部環境的侵蝕。同時該油箱安裝兩個安全閥，壓力達到35千帕時自動開啟機械減壓閥，壓力低至-16千帕時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滲，同時油箱內部的汽油需要定期使用并進行及時補充，以保證車輛性能的優化。為此雪佛蘭Volt設置了“保養模式”。如果發動機在6周內都未啟動，動力系統控制器就會提醒用戶開啟發動機以進行車輛維護保養。“保養模式”下發動機便會自行運轉并消耗部分汽油，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

比亞迪F3DM是中國首款自己研制的PHEV。F3DM發動機為1.0 L，輸出功率50千瓦；電動機最大功率50千瓦；電池組容量為16千瓦時，純電動模式可運行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。在純電動模式下運行時燃油發動機不啟動，車主可以靠充電維持車輛運行，不會產生燃油消耗。當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，發動機和電動機同時給車輛提供動力，提供更高的輸出功率。減速時電動機將制動能轉化成電能儲存在電池組中，適用于在頻繁加減速的市區行駛。

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

3 PHEV燃油系統的使用要求

傳統車燃油系統主要由加油口蓋、加油管、油箱、油泵、碳罐和集中配管等部分組成,如圖1所示。傳統車燃油系統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彎行駛時，也能夠正常供給燃油到發動機。三保證在各種工況下能夠準確地測出燃油箱剩余油量。四具有安全順利地補充燃料的功能，同時應保證補充燃料時不會溢出。

PHEV燃油系統除了具有傳統車燃油系統的基本要求外，還應滿足以下四大要求：

3.1 法規要求

由于PHEV的特殊運行模式，整車需要滿足國家的蒸發排放法規。

3.2 燃油系統耐壓要求

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

3.3 IQS質量要求

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行，晚上回家充電，車輛只用電不用油，發動機長期不啟動。在采用非密閉燃油箱的情況下，油箱內產生的燃油蒸氣進入碳罐，碳罐長時間得不到脫附，會有大量的油氣從碳罐溢出，車輛周圍產生大量汽油味。燃油蒸氣長時間溢出，即使發動機沒有工作油箱內的汽油也會減少，引起車主抱怨。純電動模式下運行，沒有了發動機噪音的掩蓋，油箱內油液晃動音容易被客戶察覺和抱怨。（注釋：IQS-Initial Quality Study車輛初始質量研究。）

3.4 信賴性要求

車主僅使用純電動模式運行而不啟動發動機，汽油長期存放在油箱內不會發生變質。

4 PHEV燃油系統密閉與非密閉油箱的選擇

從PHEV燃油系統上述四個要求出發，選擇密閉與非密閉燃油箱系統應重點考慮如下內容：

4.1 法規要求

中國、日本、歐洲執行歐Ⅴ排放法規，IV型試驗HC排放：2 g/day。北美執行PZEV排放法規，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，試驗方法與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型試驗方法相同，除了試驗前要將電池組電量耗盡，試驗結果要求也是2 g/day。這樣PHEV在試驗前就將電池組電耗盡而變成了傳統燃油汽車，傳統油箱就可以滿足IV型試驗排放法規要求。

國標要求PHEV純電動模式續航里程不能少于55 km，測試中一旦發動機啟動即判定試驗終止，所以純電動模式行駛中不能啟動發動機脫附碳罐。

4.1.2 北美排放法規要求

車輛運行時蒸發排放量RNL: 0.05 g/mile。PHEV純電動模式行駛時發動機停止脫附碳罐，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，將走行時的燃油蒸氣全部控制在油箱內部。

4.1.3 針對不同的排放法規，燃油箱的選擇形式如下：

中國、日本、歐洲執行歐Ⅴ排放法規，IV型試驗HC排放：2 g/day ，采用傳統非密閉油箱系統可以滿足排放法規要求。

北美執行PZEV排放法規，DBL+HSL:0.054 g/day，RNL: 0.05 g/mile；使用傳統油箱蒸發排放值將超標，必須使用密閉的高壓油箱系統才能滿足要求。

4.2 燃油系統耐壓要求

4.2.1 非密閉油箱的采用

傳統車油箱工作壓力在-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提高，減小燃油蒸氣的蒸發排放。考慮傳統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支撐結構。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計。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，因此密閉油箱系統各組成件都要設計成耐高壓的。為了將燃油蒸氣控制在高壓油箱內部，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一個機械式單向閥，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，在殼體內部增加STANDOFF支撐結構。該方案可以在不增加油箱殼體壁厚的基礎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非密閉油箱相當。由于燃油蒸氣通過電磁閥控制在油箱內部，只有車輛加油和發動機工作時電磁閥才會打開，燃油蒸氣才能進入碳罐，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，將油箱內高壓燃油蒸氣排到碳罐中，油箱內壓降到大氣壓水平，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技術掌握在國外少數油箱廠家手中，成本較高。

傳統非密閉油箱系統與密閉高壓油箱系統的參數對比見表2。中國PHEV車可以采用傳統非密閉油箱系統，也可以采用密閉高壓油箱系統。

4.3 IQS質量要求

對于非密閉燃油系統的PHEV，連續純電動模式行駛碳罐吸滿燃油蒸氣后無法再吸收，導致嗅氣惡化和火災風險。長期處在純電動模式行駛，汽油會因揮發而損失。由于密閉燃油系統是將燃油蒸氣密封在油箱內，可以有效解決上面這些問題。

密閉燃油系統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計與ORVR燃油系統相似，碳罐采用柱狀活性碳；排氣管路通常設計為Φ14 mm或者更大，以保證排氣迅速。碳罐容量是傳統燃油系統的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，也可能帶來火災隱患。（注釋：ORVR-Onboard Refueling Vapor Recovery車載加油蒸氣回收系統，是北美排放法規要求汽車具有的一種汽油回收系統。）

PHEV純電動模式行駛的靜音要求，需要油箱內油液晃動音更小。密閉與非密閉油箱都需要在內部增加擾流板（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的PHEV，汽油長期存放在油箱里都會發生酸化變質，對燃油泵、供油管路和發動機造成一定的腐蝕。整車廠應該在用戶手冊中提醒車主半年左右需要用完油箱內的汽油然后添加新汽油。車載電腦也可根據客戶加油的日期計算時間，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 傳統非密閉油箱系統和密閉高壓油箱系統參數對比

5 結束語

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

[1] 閆培如,陶元芳,葉青林,師瑋. 節能環保汽車--插電式混合動力汽車[J].機械工程與自動化, 2015年5期.

[2] 王秉剛. 體驗豐田插電式混合動力汽車[J].汽車與運動, 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計基礎[M].北京：機械工業出版社,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基礎[M].北京：機械工業出版社,2011.

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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