某混动车型高压油箱设计开发

张允峰 郑宇 唐基荣 徐靖

摘要：基于环保与节能要求，PHEV车型逐渐成为从传统汽车到纯电动汽车的过渡方案。其中油箱从常压油箱改为高压油箱，涉及材料、结构、NVH性能、OBD策略等。本文基于某混动车型高压油箱的设计开发过程，对高压油箱的法规依据、材料选择、耐压性能、NVH性能等进行探讨研究，总结了一些成功经验、方案方法，为整车厂带来一定的借鉴和帮助，在降低开发风险和成本的同时提高设计质量。

Abstract： Based on the requirement of environmental protection and saving energy， PHEV vehicles has gradually become the transition from traditional cars to electric vehicles. The fuel tank from atmospheric pressure to high pressure tank， involved material， structure， harshness （NVH） performance， OBD strategy， etc. This article researched the high pressure fuel tank foundation， material selection， compression performance， harshness （NVH） performance based on the design of high pressure fuel tank of a hybrid vehicle development process， summarized some successful experiences for OEMs to reduce the development risk and cost at the same time improve the quality of design.

关键词： PHEV;高压油箱;混动

中图分类号：U469.7                                      文献标识码：A                                  文章编号：1674-957X（2020）23-0024-02

0  引言

随着汽车保有量增加，能源消耗与环境污染问题日益突出。因此世界各汽车大国在大力发展新能源汽车相关技术。但受限于电池容量、充电便利性等因素，相当长的一段时间内无法完全替代传统汽车。而插电式混合动力汽车（PHEV，Plug-in Hybrids Electric Vehicle），具有接受外部公用电网对车载电池组充电的能力，电池容量续航30至80公里，可满足市区日常用车需求，同时具有传统汽车的加油便利性、长续航特性，成为从传统汽车到纯电动汽车的过渡方案。

市面上符合国六排放法规的PHEV车型，如宝马i3、大众高尔夫GTE、沃尔沃XC90等，都采用了高压油箱来满足环保法规要求。

1  法规满足

炭罐作为汽车上临时吸附油箱内燃油蒸汽的环保装置，是利用发动机工作时产生的负压，吸入空气来对炭罐进行冲洗，以便实现重复使用。而插电式混合动力汽车，在电量充沛的条件下可能在较长时间内不起动发动机，无法为炭罐提供充足的冲洗流量，造成炭罐冲洗不彻底。某PHEV车型按GB18352.6-2016 IV型试验流程中整体式炭罐条件下所测出的炭罐脱附流量严重不足，IV型试验结果不合。因此，PEHV车型采用常规燃油箱已无法满足环保法规要求，而需采用高压油箱，禁止燃油蒸汽流出，从而满足环保法规要求。

2  方案选择

较早上市的PHEV车型，以外资、合资车型为主。其燃油箱有塑料、不銹钢两种方案。其中，塑料油箱方案，需要采用两片式吹塑工艺，在油箱内部增加支撑结构，确保高压条件下不会破损。由于塑料高压油箱开发资源极少、开发难度高，研发成本和周期都非常巨大。

比较而言，不锈钢高压油箱在工艺性、价格等方面具有较大优势。表1是两种方案的工程对比。

因塑料高压油箱内部增加大量支撑结构，其重量比壁厚1.2mm的不锈钢高压油箱减少并不明显。而对于NVH性能，由于没有动力总成、排气系统的背景噪音，燃油晃动噪音是PHEV车型需要克服的问题。塑料油箱的隔音效果相对金属油箱较好，但通过内置隔板、加强整车隔音效果，同样可以达到满意的效果。

3  耐压性能

经研究表明，PHEV高压油箱的工作压力保持在20kPa左右，行业定义高压油箱的工作压力范围是-15～30kPa。为了满足高压要求、控制整车重量，可考虑屈服强度更高的不锈钢材料。宝钢的一款高强度不锈钢板材BFS400，材料属性、冷加工特性优异，与SUS304、DC04材料属性对比见表2。

同时，BFS400具有良好的成形强化能力，在10%左右变形时屈服强度/抗拉强度大大提升。

某车型高压油箱，采用壁厚1.2mm的BFS400，前期CAE分析与实物验证：在35kPa压力下油箱最大应力小于材料屈服强度，油箱变形量≤5mm，同时顺利通过12000次耐压疲劳分析。

除了材料、规格外，在结构、装配方式、筋条布置等方面有如下建议：①尽量缩小油箱水平截面积：金属油箱结构，一般由上、下两个壳体，通过缝焊技术焊接在一起。该结构的油箱强度最弱的地方集中在上、下壳体表面，其面积越小，其耐压性越高。②采用绑带固定：传统金属油箱的固定，是采用四颗螺栓，通过边缘的四个安装点固定在车架上。对于高压油箱，建议采用绑带固定，可以在油箱的上、下壳体提供更多支撑点。该结构可减少高压条件下油箱上、下壳体的变形量，从而增加耐压性能。

4  NVH改进

油箱内燃油晃动产生的噪音，频率范围一般在30～500Hz，与金属油箱高阶模态重合度较高，隔音较塑料油箱差。加上PHEV车型背景噪音的降低，需要在设计上最大限度的降低高压油箱内燃油晃动异响。关于降低晃动噪音，有如下建议：①规则的外形：油箱晃动异响主要表现为液体在油箱内前后往复运动产生的撞击。油箱壳体避免台阶、鼓包特征，使液体运动较为平顺，可以减少剧烈异响的发生。②缩短X向尺寸：相关研究表明，液体晃动频率与容器水平尺寸成反比。所以横置油箱相对纵置油箱，其液体晃动周期短、次数少。③合理的防浪板设计：油箱晃动异响，是发生在整车制动完全停止后，液体从油箱前端迅速回流时产生的。在油箱内部设置防浪板，可大大缩短液体运动周期，削弱晃动异响。某高压油箱的防浪板布置，使油箱内大致分为三个区域，每个区域宽度维持在100mm左右。（图1）

5  OBD策略

国六排放法规要求，汽车具备车载自动诊断系统（OBD），其中包括燃油系统蒸发系统泄漏诊断。常见的诊断方案有DTESK、DMTL、NVLD等。相对传统车型，混动车型的OBD略微复杂，常见的几种方式如下：

方式一：通过VCV，将燃油系统隔离为一个封闭区域。VCV作为常闭阀，用来维持系统封闭功能。在停车状态下，油箱内蒸汽压力随温度而缓慢变化，并通过压力传感器来判断系统的泄漏情况。当发动机启动并进行脱附时，打开VCV、关闭VBV。（图2）

方式二：通过FTIV分成低压区域、高压区域，两个区域独立进行诊断。高压区域—以FTIV为界的油箱、加油管区域，该区域利用油箱内压力变化，通过油箱压力传感器来进行诊断。低压区域—炭罐及前后的燃油蒸汽管路，該区域利用主动式泄漏诊断模块，对该区域进行加压、抽负压来诊断。两个区域的诊断均在停车后进行。（图3）

方式三：与方式二类似，低压区域OBD策略由主动式泄漏诊断模块改为DTESK模式——将主动式泄漏诊断模块改为CVS，并增加了炭罐压力传感器。低压区域在做泄漏诊断时，关闭CVS，依靠发动机怠速时进气歧管产生的负压对低压区域抽真空，通过炭罐压力传感器来进行泄漏诊断。

上述三种方案在成本、系统需求等方面有所差异，需基于项目情况、供应商资源来做选择。某混动车型是在已量产国六传统车型的基础上开发，在底盘布置、车身结构方面不易做较大改动，故该高压油箱选择了方式三的OBD策略。该方案借用了原来的炭罐总成等零件，既减少专用件开发，同时缩短OBD标定工作量，从而降低开发风险。

6  总结

本文基于某混动车型高压油箱开发过程，对高压油箱在材料、结构设计、NVH性能、OBD策略等方面进行探讨研究，选择出可行性高、成本较低的方案，并通过防浪板优化，解决金属油箱NVH性能不足的问题。最后又基于项目情况选择最佳的燃油系统OBD方案，降低开发风险。经整车各项测试证明，某车型高压油箱的设计方案满足整车需求，为整车厂带来一定的借鉴和帮助，从而降低开发风险、提高设计质量。

参考文献：

[1]王昊.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[J].汽车科技，2016（1）.

[2]贾善坡，等.储液容器内液体自由晃动的有限元分析[J].船舶力学，2012（2）.

[3]张允峰，等.汽车燃油箱燃油晃动异响成因及防浪板方案研究[J].企业科技与发展，2020（2）.