王 強(qiáng)，閆君杰

(河南機(jī)電高等專科學(xué)校汽車工程系，河南新鄉(xiāng)453000)

輕型插入式混合動(dòng)力電動(dòng)汽車整車構(gòu)造研發(fā)過(guò)程淺析*

王 強(qiáng)，閆君杰

(河南機(jī)電高等?？茖W(xué)校汽車工程系，河南新鄉(xiāng)453000)

當(dāng)今汽車工業(yè)的發(fā)展面臨環(huán)保和能源兩大問(wèn)題，電動(dòng)汽車具有節(jié)能、減排的優(yōu)勢(shì)，因此電動(dòng)汽車的研究是開(kāi)發(fā)節(jié)能環(huán)保型汽車的主攻方向。混合動(dòng)力電動(dòng)汽車是電動(dòng)汽車的一種，它結(jié)合了傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)和電動(dòng)機(jī)的優(yōu)勢(shì)，達(dá)到了提高燃油經(jīng)濟(jì)性和降低排放的目的。Axon60采用輕型再生碳纖維結(jié)構(gòu)，多種燃料引擎及一臺(tái)電機(jī)，實(shí)現(xiàn)優(yōu)于法定傳動(dòng)循環(huán)超過(guò)100mpg的燃料經(jīng)濟(jì)性和低于50g/km的CO2。由于輕型空氣動(dòng)力設(shè)計(jì)和高效動(dòng)力系，使用2kWh電池組該車能夠僅憑電力行駛10英里。通過(guò)該車的整車構(gòu)造研發(fā)過(guò)程，為我國(guó)輕型插電式混合動(dòng)力汽車的實(shí)車試驗(yàn)奠定了基礎(chǔ)。

插入式混合動(dòng)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(shè)計(jì)、生產(chǎn)、使用和再循環(huán)時(shí)積極關(guān)注能源利用。目前公路運(yùn)輸在英國(guó)占了CO2排放的21%，已成為英國(guó)政府的優(yōu)先治理領(lǐng)域。英國(guó)政府已設(shè)定了到2020年溫室氣體排放降低40%的目標(biāo)。已經(jīng)提出了各種途徑來(lái)減少道路CO2排放，諸如替代燃料、改進(jìn)內(nèi)燃機(jī)、混合動(dòng)力系、輕型車。相比較常規(guī)車，插入式混合動(dòng)力車因其低排放，是最有希望的替代車之一［1］。

作為英國(guó)技術(shù)戰(zhàn)略委員會(huì)贊助的低碳車輛創(chuàng)新平臺(tái)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(dòng)力車－Axon60的項(xiàng)目。該新車能夠?qū)崿F(xiàn)能源高效而不損害駕駛員的安全性和舒適性。該項(xiàng)目的目標(biāo)是開(kāi)發(fā)出一款插入式混合動(dòng)力工藝樣車，用以評(píng)估技術(shù)可行性、用戶體驗(yàn)，及英國(guó)市場(chǎng)潛力。英國(guó)的一項(xiàng)研究預(yù)示到2020年7.5%的注冊(cè)新車將為混合動(dòng)力車，為繼續(xù)擴(kuò)大混合動(dòng)力汽車的注冊(cè)量，諸如初始成本、充電基礎(chǔ)設(shè)施等等因素都需要加以論述，以提高混合動(dòng)力車在英國(guó)市場(chǎng)的份額。

2 Axon60車輛構(gòu)造

為確定優(yōu)選車輛構(gòu)造，研發(fā)團(tuán)隊(duì)首先做了市場(chǎng)調(diào)研，認(rèn)識(shí)當(dāng)前的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)并創(chuàng)建一個(gè)對(duì)比模型。一旦該模型生成，則對(duì)不同的構(gòu)造進(jìn)行詳細(xì)分析來(lái)估算各種構(gòu)造的性價(jià)比。

在進(jìn)行分析時(shí)考慮以下標(biāo)準(zhǔn):

(1)達(dá)到50g/km CO2的低成本途徑

(2)純電動(dòng)能力

(3)實(shí)際道路條件下的駕駛性

(4)停/啟能力

(5)再生制動(dòng)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(jí)車在全球乘用車市場(chǎng)占有率達(dá)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(guó)發(fā)動(dòng)機(jī)制造廠商協(xié)會(huì)定義為A級(jí)的車輛做比較。對(duì)現(xiàn)有各種汽車類型的一些諸如動(dòng)力/重量比和具體動(dòng)力等基本性能標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了分析。圖2顯示Axon60與現(xiàn)有A級(jí)車輛的比較。

圖1 Axon比較模型

圖2 Axon60構(gòu)造

在對(duì)比完成后，考慮了4種混合動(dòng)力車構(gòu)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(jì)性排除了串聯(lián)弱混構(gòu)造。為盡量接近Axon60基礎(chǔ)車型，排除了串聯(lián)中混構(gòu)造?；谝子诩稍靸r(jià)便宜的考慮，排除了混聯(lián)式構(gòu)造，最終選擇了全并聯(lián)構(gòu)造。采用該種配置，通過(guò)無(wú)級(jí)變速傳動(dòng)電機(jī)和引擎均可以單獨(dú)驅(qū)動(dòng)汽車行駛。Axon60構(gòu)造見(jiàn)圖2，車型技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 Axon60技術(shù)參數(shù)

2.1 整車結(jié)構(gòu)

現(xiàn)有車輛設(shè)計(jì)通常采用鋼材做車身和底盤(pán)，體重油耗大。提高燃料經(jīng)濟(jì)性的一個(gè)辦法就是減輕重量，改善空氣動(dòng)力效率。

Axon60項(xiàng)目旨在制造一種碳纖維合成結(jié)構(gòu)，重量最輕但其剛性在各方面優(yōu)于現(xiàn)有鋼質(zhì)車體。該結(jié)構(gòu)可以更好地抗拒小或大的撞擊。合成材料的采用使車輛設(shè)計(jì)有更多的靈活性，實(shí)現(xiàn)更優(yōu)的空氣動(dòng)力學(xué)形狀和更低的阻力。圖3顯示了Axon60的空氣動(dòng)力學(xué)軟件生成圖形。

圖3 Axon60的空氣動(dòng)力學(xué)軟件生成圖形

碳/環(huán)氧樹(shù)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(yùn)行自重總重控制在650公斤左右(包括混合動(dòng)力部件)。

圖4 Axon60碳纖維結(jié)構(gòu)

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(diǎn)，例如自動(dòng)化預(yù)制制造，快速車體組裝，最低限度的緊固件，改進(jìn)的機(jī)構(gòu)效能。結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)旨在以最輕的重量提供最高的強(qiáng)度和較強(qiáng)的吸收撞擊性的能力。最終的碳纖維結(jié)構(gòu)預(yù)計(jì)為70公斤，相關(guān)的抗扭力剛性達(dá)到15000Nm/ degree左右。

2.2 電機(jī)大小及選擇

在初期概念研發(fā)階段，考慮了DC、AC感應(yīng)和永磁同步電機(jī)。在選擇電機(jī)配置前，考慮了數(shù)個(gè)基本因素。DC電機(jī)易于安裝、控制并且便宜，尤其是DC電機(jī)控制器比AD電機(jī)控制器簡(jiǎn)單得多。此外，DC電機(jī)可以短時(shí)超限運(yùn)轉(zhuǎn)，尤其適合諸如超車之類的車輛操作。然而DC電機(jī)需要更多的維護(hù)，其設(shè)計(jì)也比AC電機(jī)復(fù)雜［3］。DC電機(jī)用作發(fā)電機(jī)時(shí)效率相當(dāng)差，將無(wú)法滿足Axon60再生制動(dòng)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(jī)。對(duì)于插入式混合動(dòng)力車永磁電機(jī)是理想的，但其成本高，無(wú)法采用。因此，決定采用AD感應(yīng)電機(jī)，因其無(wú)論是用作電機(jī)還是發(fā)電機(jī)效率均優(yōu)，并且成本低，控制器易采購(gòu)。

確定電機(jī)構(gòu)造后就是確定電機(jī)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(shí)用，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)選用ARTEMIS城市道路駕駛(驅(qū)動(dòng)、傳動(dòng))循環(huán)來(lái)確定對(duì)AC電機(jī)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(tái)12kW AC感應(yīng)電機(jī)。

圖5 NEDC(新歐洲駕駛循環(huán)測(cè)試)時(shí)Axon60的功率需求

圖6 ARTEMIS城市道路駕駛測(cè)試時(shí)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(duì)照選擇參數(shù)評(píng)估了3種主要電池化學(xué)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(jì)算新歐洲標(biāo)準(zhǔn)和ARTEMIS城市道路駕駛循環(huán)的能量消耗。模擬結(jié)果顯示，當(dāng)純電動(dòng)時(shí)，新歐洲標(biāo)準(zhǔn)城市道路駕駛循環(huán)消耗為110Wh/mile，ARTEMIS為181Wh/mile?；谏鲜鰯?shù)據(jù)，確定純電動(dòng)10英里電池容量為2kWh，以便通過(guò)限制放電深度維持電池壽命。

因?yàn)殡姵夭荒艽?，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(xué)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(xué)性能滿足絕大部分要求，但因其高度自放電率及在英國(guó)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(xué)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(jī)的選擇

基于圖5和圖6對(duì)動(dòng)力的計(jì)算要求，選擇了汽油內(nèi)燃機(jī)。該引擎為雙缸 500cc，轉(zhuǎn)速在引擎5000rpm時(shí)產(chǎn)生的動(dòng)力為26kW，3500rpm時(shí)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(dòng)選擇

為獲得混合動(dòng)力車的最大潛力，引擎和電池必須以峰值效率運(yùn)行。采用手動(dòng)傳動(dòng)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(yùn)行。然而，采用無(wú)級(jí)變速卻能夠使引擎在最佳范圍內(nèi)運(yùn)行達(dá)到最佳燃油效率的目標(biāo)。Axon60正在研發(fā)一種皮帶驅(qū)動(dòng)無(wú)級(jí)變速傳動(dòng)系統(tǒng)。圖8展示了該引擎，無(wú)級(jí)變速器傳動(dòng)和電機(jī)的總裝。

圖8 Axon60動(dòng)力系

3 結(jié)語(yǔ)

本文描述了Axon60插電式混合動(dòng)力工藝樣車在整車結(jié)構(gòu)研發(fā)、電池、電機(jī)和內(nèi)燃機(jī)多種部件選擇過(guò)程中獲得的經(jīng)驗(yàn)，對(duì)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(rèn)Axon60項(xiàng)目顯示采用輕質(zhì)材料并結(jié)合高效驅(qū)動(dòng)系，對(duì)取得可觀燃油經(jīng)濟(jì)性和減少排放起到了重要的作用。

(責(zé)任編輯 呂春紅)

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

［2］李國(guó)岫，李秀杰.并聯(lián)式混合動(dòng)力電動(dòng)汽車動(dòng)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(dòng)系統(tǒng)最優(yōu)匹配評(píng)價(jià)指標(biāo)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(dòng)力電動(dòng)汽車技術(shù)研究(Ⅳ)［J］.北京工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，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(qiáng)(1980－)，男，河南新鄉(xiāng)人，講師，工學(xué)碩士，主要從事汽車工程研究。