王 强，闫君杰

(河南机电高等专科学校汽车工程系，河南新乡453000)

轻型插入式混合动力电动汽车整车构造研发过程浅析*

王 强，闫君杰

(河南机电高等专科学校汽车工程系，河南新乡453000)

当今汽车工业的发展面临环保和能源两大问题，电动汽车具有节能、减排的优势，因此电动汽车的研究是开发节能环保型汽车的主攻方向。混合动力电动汽车是电动汽车的一种，它结合了传统内燃机和电动机的优势，达到了提高燃油经济性和降低排放的目的。Axon60采用轻型再生碳纤维结构，多种燃料引擎及一台电机，实现优于法定传动循环超过100mpg的燃料经济性和低于50g/km的CO2。由于轻型空气动力设计和高效动力系，使用2kWh电池组该车能够仅凭电力行驶10英里。通过该车的整车构造研发过程，为我国轻型插电式混合动力汽车的实车试验奠定了基础。

插入式混合动力车，工艺样车，轻型

1 背景

温室气体排放的挑战正迫使汽车生产商在设计、生产、使用和再循环时积极关注能源利用。目前公路运输在英国占了CO2排放的21%，已成为英国政府的优先治理领域。英国政府已设定了到2020年温室气体排放降低40%的目标。已经提出了各种途径来减少道路CO2排放，诸如替代燃料、改进内燃机、混合动力系、轻型车。相比较常规车，插入式混合动力车因其低排放，是最有希望的替代车之一［1］。

作为英国技术战略委员会赞助的低碳车辆创新平台的组成部分，Axon汽车有限公司正牵头研发一款轻型插入式混合动力车－Axon60的项目。该新车能够实现能源高效而不损害驾驶员的安全性和舒适性。该项目的目标是开发出一款插入式混合动力工艺样车，用以评估技术可行性、用户体验，及英国市场潜力。英国的一项研究预示到2020年7.5%的注册新车将为混合动力车，为继续扩大混合动力汽车的注册量，诸如初始成本、充电基础设施等等因素都需要加以论述，以提高混合动力车在英国市场的份额。

2 Axon60车辆构造

为确定优选车辆构造，研发团队首先做了市场调研，认识当前的市场竞争并创建一个对比模型。一旦该模型生成，则对不同的构造进行详细分析来估算各种构造的性价比。

在进行分析时考虑以下标准:

(1)达到50g/km CO2的低成本途径

(2)纯电动能力

(3)实际道路条件下的驾驶性

(4)停/启能力

(5)再生制动能力

(6)大于3年的电池寿命

(7)车辆电网的可行性

由于A级车在全球乘用车市场占有率达到40%以上而且主要为家庭用车，因此Axon汽车有限公司选用英国发动机制造厂商协会定义为A级的车辆做比较。对现有各种汽车类型的一些诸如动力/重量比和具体动力等基本性能标准进行了分析。图2显示Axon60与现有A级车辆的比较。

图1 Axon比较模型

图2 Axon60构造

在对比完成后，考虑了4种混合动力车构造类型［2］:

串联弱混、串联中混、全并联式和混联式。

为保证车辆的燃油经济性排除了串联弱混构造。为尽量接近Axon60基础车型，排除了串联中混构造。基于易于集成造价便宜的考虑，排除了混联式构造，最终选择了全并联构造。采用该种配置，通过无级变速传动电机和引擎均可以单独驱动汽车行驶。Axon60构造见图2，车型技术参数见表1。

表1 Axon60技术参数

2.1 整车结构

现有车辆设计通常采用钢材做车身和底盘，体重油耗大。提高燃料经济性的一个办法就是减轻重量，改善空气动力效率。

Axon60项目旨在制造一种碳纤维合成结构，重量最轻但其刚性在各方面优于现有钢质车体。该结构可以更好地抗拒小或大的撞击。合成材料的采用使车辆设计有更多的灵活性，实现更优的空气动力学形状和更低的阻力。图3显示了Axon60的空气动力学软件生成图形。

图3 Axon60的空气动力学软件生成图形

碳/环氧树脂合成物的使用还使Axon60满足重量要求而不影响安全性。合成材料的使用有助于将车辆的运行自重总重控制在650公斤左右(包括混合动力部件)。

图4 Axon60碳纤维结构

如图4所示，Axon60使用轻型整体面板，具有数种制造和性能优点，例如自动化预制制造，快速车体组装，最低限度的紧固件，改进的机构效能。结构的设计旨在以最轻的重量提供最高的强度和较强的吸收撞击性的能力。最终的碳纤维结构预计为70公斤，相关的抗扭力刚性达到15000Nm/ degree左右。

2.2 电机大小及选择

在初期概念研发阶段，考虑了DC、AC感应和永磁同步电机。在选择电机配置前，考虑了数个基本因素。DC电机易于安装、控制并且便宜，尤其是DC电机控制器比AD电机控制器简单得多。此外，DC电机可以短时超限运转，尤其适合诸如超车之类的车辆操作。然而DC电机需要更多的维护，其设计也比AC电机复杂［3］。DC电机用作发电机时效率相当差，将无法满足Axon60再生制动要求。另外，也难于找到满足Axon60性能要求的合适尺寸的DC电机。对于插入式混合动力车永磁电机是理想的，但其成本高，无法采用。因此，决定采用AD感应电机，因其无论是用作电机还是发电机效率均优，并且成本低，控制器易采购。

确定电机构造后就是确定电机性能参数。Axon60主要用于市内道路，也要有上高速的能力。鉴于该车将实用，项目团队选用ARTEMIS城市道路驾驶(驱动、传动)循环来确定对AC电机的功率要求。

基于图5、图6及0－30mph加速的要求，最终选择了一台12kW AC感应电机。

图5 NEDC(新欧洲驾驶循环测试)时Axon60的功率需求

图6 ARTEMIS城市道路驾驶测试时Axon60的功率需求

2.3 电池规格及选择

电池选择考虑以下参数:能量密度、功率密度、寿命成本、循环寿命限制、放电深度、充电容量、温度范围、自放电率。对照选择参数评估了3种主要电池化学性能“双极铅酸电池、镍金属氢电池、锂离子电池”［4］。

为了解能量消耗，研发了一款车辆模拟模型用于计算新欧洲标准和ARTEMIS城市道路驾驶循环的能量消耗。模拟结果显示，当纯电动时，新欧洲标准城市道路驾驶循环消耗为110Wh/mile，ARTEMIS为181Wh/mile。基于上述数据，确定纯电动10英里电池容量为2kWh，以便通过限制放电深度维持电池寿命。

因为电池不能大，为满足ARTEMIS驾驶循环的要求必须在10－15°C范围内深度放电。双极铅酸电池化学性能可以满足上述要求，但满足不了3年循环寿命的要求，也满足不了重量轻的要求。因此放弃了该类电池。镍金属氢电池化学性能满足绝大部分要求，但因其高度自放电率及在英国供给较差，也放弃了。最终，为保持电池系统重量轻和满足3年循环寿命的要求，选择了锂离子电池。

在锂离子电池中，选用了磷酸锂离子(LiFeO4)，因其耐热和化学稳定性以及循环寿命均优于氧化锂钴(LiCoO2)和氧化锂锰(LiMn2O4)。在超放电条件下，LiFeO4更稳定并且能够承受较高温度而不影响其性能。尽管LiFeO4的能量密度比不上LiCoO2和LiMn2O4，但却能够维持较高电流，因此更适合Axon60。

2.4 内燃机的选择

基于图5和图6对动力的计算要求，选择了汽油内燃机。该引擎为双缸 500cc，转速在引擎5000rpm时产生的动力为26kW，3500rpm时扭矩为40Nm，该引擎具有使用多种燃料的能力和启停功能。图7显示了其静态效率图。

图7 Axon60要求效率图

2.5 传动选择

为获得混合动力车的最大潜力，引擎和电池必须以峰值效率运行。采用手动传动的常规车辆，不可能让引擎一直保持在最佳燃料消耗率区间运行。然而，采用无级变速却能够使引擎在最佳范围内运行达到最佳燃油效率的目标。Axon60正在研发一种皮带驱动无级变速传动系统。图8展示了该引擎，无级变速器传动和电机的总装。

图8 Axon60动力系

3 结语

本文描述了Axon60插电式混合动力工艺样车在整车结构研发、电池、电机和内燃机多种部件选择过程中获得的经验，对于控制器选择，电池监控系统模拟将在以后文章中阐述。不可否认Axon60项目显示采用轻质材料并结合高效驱动系，对取得可观燃油经济性和减少排放起到了重要的作用。

(责任编辑 吕春红)

［1］周能辉.插电式混合动力轿车整车控制策略的研究［J］.汽车工程，2013，35(2).

［2］李国岫，李秀杰.并联式混合动力电动汽车动力总成控制策略的研究［J］.公路交通科技，2005，(04):129-131.

［3］何仁，高宗英.汽车传动系统最优匹配评价指标的探讨［J］.汽车工程，1996，(01):55-60.

［4］张彦琴，周大森，冯能莲.辅助混合动力电动汽车技术研究(Ⅳ)［J］.北京工业大学学报，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

王强(1980－)，男，河南新乡人，讲师，工学硕士，主要从事汽车工程研究。