插电式混合动力汽车用密闭与非密闭燃油箱的分析及选择

王 昊

（东风汽车有限公司 东风日产乘用车公司技术中心，广州510800）

插电式混合动力汽车用密闭与非密闭燃油箱的分析及选择

王 昊

（东风汽车有限公司 东风日产乘用车公司技术中心，广州510800）

简要介绍插电式混合动力汽车的特点。通过分析市场上三种典型PHEV油箱的特点，分析了PHEV燃油系统特有的四大使用要求，即法规要求，耐压要求，IQS质量要求，信赖性要求。 从满足四大使用要求出发，对PHEV燃油系统密闭与非密闭油箱进行对比。研究表明：非密闭油箱系统可以满足中国目前排放法规要求，但密闭高压油箱系统是PHEV燃油系统的最佳选择。

插电式混合动力汽车；燃油系统；密闭高压油箱；非密闭油箱；蒸发排放

王 昊

毕业于武汉理工大学，工学学士学位。现任东风日产乘用车技术中心工程师，主要从事汽车燃油系统设计与开发。

能源和环境是实现可持续发展必须考虑的问题。随着社会的发展进步，传统汽车(主要以汽油和柴油为燃料)的保有量逐年增加，使得能源、温室气体、空气质量三方面问题陷入了恶性循环。面对能源枯竭和大气污染的双重威胁，清洁能源汽车的发展势在必行。目前主流的清洁能源汽车有混合动力汽车和纯电动汽车，其中，传统混合动力汽车仍然消耗较多汽油或柴油，而充电式的纯电动汽车存在续航里程有限的缺点，这就产生了两种技术的结合，插电式混合动力汽车。

1 插电式混合动力汽车特点

插电式混合动力汽车（PHEV，Plug－in Hybrids Electric Vehicle）与混合动力汽车（HEV，Hybrids Electric Vehicle）的工作原理相似，都是电动机与内燃机双引擎驱动，区别在于PHEV分为纯电动运行模式和混合动力运行模式，比HEV多了一个纯电动运行模式。PHEV工作在纯电动运行模式时依靠电力驱动，当电池电量低于一定限值时发动机启动，转为混合动力运行模式。在车辆滑行状态或市内行驶，时速不高，车辆完全以电力驱动；在加速、爬坡或高速行驶状态，行车计算机会自动启动内燃机引擎驱动，提供额外的动力以维持车辆运行；在刹车时电动机会自动将制动能转换成电能储存在电池中[1]。

插电式混合动力汽车与纯电动汽车和混合动力汽车相比具有五大特点：

一具备纯电动模式和混合动力模式，纯电动运行模式下的行驶里程比混合动力汽车长。二具有接受外部公用电网对车载电池组充电的能力。三内燃机功率水平与混合动力汽车类似。四电动机功率水平与纯电动汽车类似，比混合动力汽车高。五电池容量要保证足够的行驶里程（30至80公里）。

2 三种典型的PHEV油箱系统分析

下面列举三款国内外具有里程碑意义的PHEV车型，通过对比其燃油箱的优劣，确定最佳的PHEV燃油箱。

2.1 丰田-普锐斯PHEV 的油箱系统

丰田的普锐斯是日系车中最早推出PHEV的车型。普锐斯PHEV配备60 kW电动机+73 kW汽油发动机，在民用220 V电源下100分钟便可充满锂离子电池组，可以提供20公里的续航里程。普锐斯PHEV的油箱设计为密闭高压金属油箱。

与普锐斯HEV相比，普锐斯PHEV发动机由之前的1.5 L发动机换为1.8 L发动机，输出功率由57千瓦提升为73千瓦；电池组由1.3 kWh镍氢电池升级为5.2 kWh锂离子电池；油箱容积仍为45 L没有变化。普锐斯PHEV发动机排量和功率的提升一是由于蓄电池增加导致车重增加，为了保证车辆动力性需要提高发动机功率；二是为了在纯电动模式行驶电池电量耗尽后，仅靠发动机提供动力时车辆仍有足够的动力性。电池组容量的提升是为了保证纯电动模式行驶具有足够的续航里程[2]。

2.2 通用-沃蓝达的油箱系统

雪佛兰Volt（沃蓝达）是欧美系车最早推出PHEV的车型，配备1.4 L发动机，纯电动模式下可行使60公里，混合动力模式下可行驶450公里。油箱为密闭高压金属油箱，容积为35 L。

汽油在常温下容易挥发，也会因为在油箱中存储时间过长而发生氧化和变质。为了确保油箱内汽油品质不会影响汽车的动力性能和排放质量，雪佛兰对其钢制油箱采用了高压密封以防止汽油挥发。

在过去的几十年中，车辆都是采用碳罐装置搜集油箱内挥发的汽油以供发动机循环使用。由于雪佛兰Volt发动机在大部分车主的日常使用中并不经常启动，油箱中挥发汽油气体氧化物会在碳罐内积聚，采用高压密封油箱能够抑制汽油挥发的淤积。为了保证高压油箱的强度，必须采用轻量钢制油箱取代目前大部分车辆中使用的轻质塑料油箱。针对这种情况，雪佛兰和供应商研发出了1.4毫米厚的热浸镀锡-锌涂层的钢制油箱来抵御同时来自内外部环境的侵蚀。同时该油箱安装两个安全阀，压力达到35千帕时自动开启机械减压阀，压力低至-16千帕时自动开启真空减压阀。

雪佛兰Volt油箱能防止汽油蒸气外泄和湿气内渗，同时油箱内部的汽油需要定期使用并进行及时补充，以保证车辆性能的优化。为此雪佛兰Volt设置了“保养模式”。如果发动机在6周内都未启动，动力系统控制器就会提醒用户开启发动机以进行车辆维护保养。“保养模式”下发动机便会自行运转并消耗部分汽油，使部件得到润滑，以备得到更好的使用。对有些用户来说，保养模式的引入让他们一年只需加满油箱一次，剩下的时间只需充电即可。

2.3 比亚迪- F3DM的油箱系统

比亚迪F3DM是中国首款自己研制的PHEV。F3DM发动机为1.0 L，输出功率50千瓦；电动机最大功率50千瓦；电池组容量为16千瓦时，纯电动模式可运行100 km。油箱容积50 L，为普通的非密闭金属油箱。

比亚迪F3DM可在纯电动模式和混合动力模式两者间自由切换。在纯电动模式下运行时燃油发动机不启动，车主可以靠充电维持车辆运行，不会产生燃油消耗。当电量不够时车辆会自动切换成混合动力模式，车主也可手动切换成混合动力模式。在需要较高动力输出的加速情况下，发动机和电动机同时给车辆提供动力，提供更高的输出功率。减速时电动机将制动能转化成电能储存在电池组中，适用于在频繁加减速的市区行驶。

从以上三款车型可以看出国外PHEV已经采用密闭高压油箱，且均为金属油箱。国内PHEV起步较晚，仍采用非密闭式油箱。目前国际上塑料材质的密闭高压油箱技术还不成熟，国外整车厂还是主要采用金属来生产密闭高压油箱。丰田普锐斯PHEV、通用沃蓝达和比亚迪F3DM考虑应对不同国家的法规要求，采用了不同的燃油箱系统。北美施行最严格的排放法规要求，因此通用将沃蓝达设计为密闭式油箱系统；丰田考虑在北美销售，普锐斯PHEV也选择了密闭式油箱系统；中国目前还没有实施严格的排放法规要求，比亚迪F3DM采用的是非密闭式油箱系统，对大气环境带来一定的污染。

3 PHEV燃油系统的使用要求

传统车燃油系统主要由加油口盖、加油管、油箱、油泵、碳罐和集中配管等部分组成,如图1所示。传统车燃油系统需要满足四大功能要求：

一保证燃料安全无泄漏地贮藏在燃油箱中，且该功能与整车使用寿命一致。二保证车辆停在倾斜路面或转弯行驶时，也能够正常供给燃油到发动机。三保证在各种工况下能够准确地测出燃油箱剩余油量。四具有安全顺利地补充燃料的功能，同时应保证补充燃料时不会溢出。

PHEV燃油系统除了具有传统车燃油系统的基本要求外，还应满足以下四大要求：

3.1 法规要求

由于PHEV的特殊运行模式，整车需要满足国家的蒸发排放法规。

3.2 燃油系统耐压要求

若采用密闭高压燃油箱，高压燃油系统对油箱、油泵、加油管、蒸发管路的耐压能力提出更高要求。需要考虑油箱蒸发管路上电磁阀的开发与匹配，加油前油箱内高压燃油蒸气的释放和控制。

3.3 IQS质量要求

若车主日常上下班行驶距离不超过55公里，白天以纯电动模式运行，晚上回家充电，车辆只用电不用油，发动机长期不启动。在采用非密闭燃油箱的情况下，油箱内产生的燃油蒸气进入碳罐，碳罐长时间得不到脱附，会有大量的油气从碳罐溢出，车辆周围产生大量汽油味。燃油蒸气长时间溢出，即使发动机没有工作油箱内的汽油也会减少，引起车主抱怨。纯电动模式下运行，没有了发动机噪音的掩盖，油箱内油液晃动音容易被客户察觉和抱怨。（注释：IQS-Initial Quality Study车辆初始质量研究。）

3.4 信赖性要求

车主仅使用纯电动模式运行而不启动发动机，汽油长期存放在油箱内不会发生变质。

4 PHEV燃油系统密闭与非密闭油箱的选择

从PHEV燃油系统上述四个要求出发，选择密闭与非密闭燃油箱系统应重点考虑如下内容：

4.1 法规要求

中国、日本、欧洲执行欧Ⅴ排放法规，IV型试验HC排放：2 g/day。北美执行PZEV排放法规，DBL+HSL:0.054 g/day，RNL: 0.05 g/mile。（注释：DBL-Diurnal Breathing Loss日间呼吸损失，HSLHot Soak Loss热浸车损失，RNL-Running Loss走行损失。）

4.1.1 中国排放法规分析：

PHEV按照GB/T19755-2005（轻型混合动力电动汽车污染物排放测量方法）试验，试验方法与GB18352.5-2013（轻型汽车污染物排放限值及测量方法（中国Ⅴ阶段））IV型试验方法相同，除了试验前要将电池组电量耗尽，试验结果要求也是2 g/day。这样PHEV在试验前就将电池组电耗尽而变成了传统燃油汽车，传统油箱就可以满足IV型试验排放法规要求。

国标要求PHEV纯电动模式续航里程不能少于55 km，测试中一旦发动机启动即判定试验终止，所以纯电动模式行驶中不能启动发动机脱附碳罐。

4.1.2 北美排放法规要求

车辆运行时蒸发排放量RNL: 0.05 g/mile。PHEV纯电动模式行驶时发动机停止脱附碳罐，燃油箱的汽油蒸气会从碳罐冒出，所以北美必须使用密闭油箱系统，将走行时的燃油蒸气全部控制在油箱内部。

4.1.3 针对不同的排放法规，燃油箱的选择形式如下：

中国、日本、欧洲执行欧Ⅴ排放法规，IV型试验HC排放：2 g/day ，采用传统非密闭油箱系统可以满足排放法规要求。

北美执行PZEV排放法规，DBL+HSL:0.054 g/day，RNL: 0.05 g/mile；使用传统油箱蒸发排放值将超标，必须使用密闭的高压油箱系统才能满足要求。

4.2 燃油系统耐压要求

4.2.1 非密闭油箱的采用

传统车油箱工作压力在-3 kpa至6 kpa之间，PHEV如果采用非密闭油箱需要将油箱工作压力适当提高，减小燃油蒸气的蒸发排放。考虑传统油箱在压力下的变形承受能力，可将工作压力提高到-6 kpa至15 kpa之间；同时为了减少油箱变形，可在塑料油箱上增加KISSOFF支撑结构。由于油箱压力提高不多，加油管、油泵等其它部件不需要做耐压方面的特别设计。工作压力提高后的非密闭油箱，车辆行驶中还会有燃油蒸气进入碳罐，为了减少燃油蒸气的排放需要将碳罐容积做得较大。非密闭油箱国内一般油箱厂都可以制造，比亚迪F3DM PHEV采用的就是非密闭油箱。由于不能将燃油蒸气完全控制和吸收，非密闭油箱PHEV在纯电动模式行驶中或之后，车内外有可能会闻到汽油味。

4.2.2 密闭油箱的采用

密闭油箱工作压力在-6 kpa至40 kpa之间，因此密闭油箱系统各组成件都要设计成耐高压的。为了将燃油蒸气控制在高压油箱内部，需要在油箱与碳罐连接管上增加电磁阀；同时为了安全考虑以及电磁阀失效的考虑，需要在管路上为电磁阀并联一个机械式单向阀，防止油箱因压力过大而变形或破裂。塑料密闭油箱壳体需要采用双片吹塑技术，在壳体内部增加STANDOFF支撑结构。该方案可以在不增加油箱壳体壁厚的基础上提高油箱的耐压能力，减少油箱的变形量，并且油箱重量与传统非密闭油箱相当。由于燃油蒸气通过电磁阀控制在油箱内部，只有车辆加油和发动机工作时电磁阀才会打开，燃油蒸气才能进入碳罐，所以碳罐容积可以做得较小。为了防止加油拧开加油口盖时油箱内高压燃油和蒸气从加油口喷出，拧开加油口盖前电磁阀会打开，将油箱内高压燃油蒸气排到碳罐中，油箱内压降到大气压水平，此时客户打开加油口盖不会闻到汽油味。密闭高压油箱的生产技术掌握在国外少数油箱厂家手中，成本较高。

传统非密闭油箱系统与密闭高压油箱系统的参数对比见表2。中国PHEV车可以采用传统非密闭油箱系统，也可以采用密闭高压油箱系统。

4.3 IQS质量要求

对于非密闭燃油系统的PHEV，连续纯电动模式行驶碳罐吸满燃油蒸气后无法再吸收，导致嗅气恶化和火灾风险。长期处在纯电动模式行驶，汽油会因挥发而损失。由于密闭燃油系统是将燃油蒸气密封在油箱内，可以有效解决上面这些问题。

密闭燃油系统PHEV加油时油箱需要泄压，燃油蒸气会迅速排入碳罐。排气管路和碳罐的设计与ORVR燃油系统相似，碳罐采用柱状活性碳；排气管路通常设计为Φ14 mm或者更大，以保证排气迅速。碳罐容量是传统燃油系统的3～4倍，否则燃油蒸气得不到充分吸收，会闻到较大的汽油味，也可能带来火灾隐患。（注释：ORVR-Onboard Refueling Vapor Recovery车载加油蒸气回收系统，是北美排放法规要求汽车具有的一种汽油回收系统。）

PHEV纯电动模式行驶的静音要求，需要油箱内油液晃动音更小。密闭与非密闭油箱都需要在内部增加扰流板（防浪板），减小油液的晃动音。

4.4 信赖性要求

对于密闭和非密闭燃油系统的PHEV，汽油长期存放在油箱里都会发生酸化变质，对燃油泵、供油管路和发动机造成一定的腐蚀。整车厂应该在用户手册中提醒车主半年左右需要用完油箱内的汽油然后添加新汽油。车载电脑也可根据客户加油的日期计算时间，在仪表板上定期提醒车主需要用完汽油并添加新汽油。

表2 传统非密闭油箱系统和密闭高压油箱系统参数对比

5 结束语

新车型的上市首先要满足国家的法规要求，销售状况取决于对客户要求的满足程度。密闭油箱系统可以满足中国的排放法规要求，同时也可以解决行驶中汽油蒸发损耗和车辆周围汽油味大等问题，较好的满足客户要求，但是成本高且开发难度大。非密闭油箱系统成本低且开发难度小，同样可以满足中国现阶段的排放法规要求，目前被国内大多数整车厂所采用。随着中国排放法规越来越严格，客户对车辆要求的不断提高，密闭高压油箱系统将是PHEV燃油系统的最终解决方案。

[1] 闫培如,陶元芳,叶青林,师玮. 节能环保汽车--插电式混合动力汽车[J].机械工程与自动化, 2015年5期.

[2] 王秉刚. 体验丰田插电式混合动力汽车[J].汽车与运动, 2012年2期.

[3] GB/T19755-2005. 轻型混合动力电动汽车污染物排放测量方法[S].2005.

[4] GB18352.5-2013. 轻型汽车污染物排放限值及测量方法（中国Ⅴ阶段）[S].2013.

[5] (美)Iqbal Husain 著, 林程译. 纯电动及混合动力汽车设计基础[M].北京：机械工业出版社,2012.

[6] (美)雷特曼著，王震坡，孟祥峰译. 插电式混合动力电动汽车开发基础[M].北京：机械工业出版社,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