插電式混合動力汽車技術(shù)特點(diǎn)綜述

張志強(qiáng)，張曉莉，熊禹，韋杰宏，伍健

（東風(fēng)柳州汽車有限公司，廣西 柳州 545005）

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插電式混合動力汽車技術(shù)特點(diǎn)綜述

張志強(qiáng)，張曉莉，熊禹，韋杰宏，伍健

（東風(fēng)柳州汽車有限公司，廣西 柳州 545005）

文章首先簡述各種插電式混合動力汽車的技術(shù)路線特點(diǎn)。然后結(jié)合現(xiàn)有市場中插電式混合動力汽車相關(guān)參數(shù)和市場應(yīng)用情況，總結(jié)出主流插電混合動力汽車技術(shù)路線為并聯(lián)式。其次分析了插電式混合動力汽車純電續(xù)航里程、綜合油耗與電池包電能之間的關(guān)系，并分析了百公里加速時間與整車動力總和之間的關(guān)系，總結(jié)出滿足開發(fā)和使用便利性所需電池包電能。最后針對不同并聯(lián)式插電混合動力的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，對比分析其可行性和優(yōu)缺點(diǎn)。

插電式混合動力汽車；串聯(lián)式；并聯(lián)式；混聯(lián)式

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.06.042

CLC NO.: U469 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2016)06-120-04

概述

為改善和緩解能源問題和環(huán)境保護(hù)問題，全球范圍內(nèi)都在大力發(fā)展新能源汽車。并且很多國家都開展了新能源汽車的示范運(yùn)營和推廣實(shí)施。如我國分別在“十二五”和“十三五”規(guī)劃中都將新能源汽車作為重點(diǎn)發(fā)展項目。

一般認(rèn)為新能源汽車包括插電式混合動力汽車、純電動汽車、燃料電池汽車等[1]。插電式混合動力汽車兼具傳統(tǒng)燃油汽車和純電動汽車的優(yōu)點(diǎn)。在純電動汽車和燃料電池汽車技術(shù)尚未成熟和充電等基礎(chǔ)設(shè)施未普及之前，插電式混合動力汽車具備較好的節(jié)能減排優(yōu)勢，因此最早在日美等國開展了大量的研究和推廣[2,3]。雖然我國相關(guān)插電式混合動力汽車產(chǎn)品起步較晚，但總體重視力度也是非常大的。為此本文對插電式混合動力汽車技術(shù)及相關(guān)特點(diǎn)進(jìn)行總結(jié)和分析，以期對研究其技術(shù)路線特點(diǎn)和推動發(fā)展有一定的幫助作用。

1、插電式混合動力汽車分類

按照電機(jī)驅(qū)動功率占整車功率的比例（亦可稱為混合度），一般可將混合動力汽車分成以下四種類型：（1）微度混合動力，混合度在 5%以內(nèi)；（2）輕度混合動力，一般混合度在20%左右；（3）中度混合動力，混合度可達(dá)30%~40%；（4）重度混合動力，混合度達(dá)40%以上[4]。

上述四種混合動力汽車類型，隨著混合度的增強(qiáng)，所需電機(jī)功率和電池包電能亦增大，節(jié)能減排的效果越好。

按照驅(qū)動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的不同可以將混合動力分成以下三種類型：

1.1串聯(lián)式插電式混合動力

串聯(lián)式插電式混合動力，亦稱為增程式。其技術(shù)特點(diǎn)如下圖1所示，發(fā)動機(jī)不直接驅(qū)動汽車，需要先由發(fā)動機(jī)驅(qū)動發(fā)電機(jī)來發(fā)電，再供電動機(jī)來驅(qū)動汽車，能量傳遞鏈較長，總體效率不高。目前代表車型有寶馬i3增程式和廣汽傳祺增程式。

圖1　串聯(lián)式PHEV示意圖

1.2并聯(lián)式插電式混合動力

并聯(lián)式插電式混合動力示意如圖2所示，該類型下發(fā)動機(jī)和電機(jī)均可驅(qū)動汽車，動力傳動模式較多，動力性較好，結(jié)構(gòu)簡單，應(yīng)用廣泛。目前代表車型有比亞迪秦/唐、長安逸動PHEV、奇瑞艾瑞澤PHEV、寶馬530Le、奔馳S500eL、奧迪Q7e-tron、索納塔PHEV等等。

圖2　并聯(lián)式PHEV示意圖

1.3混聯(lián)式插電式混合動力

混聯(lián)式插電式混合動力，又可稱為動力分流式。如圖 3所示，一般需要2臺電機(jī)（一臺發(fā)電機(jī)和一臺電動機(jī)），同時需要一套用于動力分流的行星齒輪裝置。該類型的結(jié)構(gòu)和控制最為復(fù)雜[5,6]。目前只有非常少數(shù)的制造商具備生產(chǎn)和制造該類型產(chǎn)品能力，且存在一定的專利壁壘。代表車型有豐田普銳斯和三菱歐藍(lán)德等等。

圖3　混聯(lián)式PHEV示意圖

2、主流插電式混合動力技術(shù)路線分析和產(chǎn)品特性分析

2.1主流插電式混合動力技術(shù)路線分析

對目前國內(nèi)外插電式混合動力車型進(jìn)行技術(shù)參數(shù)匯總，如下表1所示。

按照串聯(lián)、并聯(lián)、混聯(lián)式等三種混合動力方式進(jìn)行車型數(shù)量匯總分析如下圖 4所示。采用并聯(lián)式的最多，共有 12款車型。而采用混聯(lián)式和串聯(lián)式的車型較少，分別為6款和3款?？芍壳安⒙?lián)式是較為主流的技術(shù)路線，較多車企選擇該技術(shù)路線來開發(fā)插電式混合動力汽車。

圖4　混合動力方式數(shù)量匯總對比

2.2插電式混合動力車型產(chǎn)品特性分析

對插電式混合動力車型而言，比較關(guān)鍵的產(chǎn)品特性有：純電續(xù)航里程、綜合百公里油耗和動力性等等。

圖5　不同混合動力方式的純電續(xù)航里程對比

圖5給出了三種混合動力類型下，各種插電式混合動力汽車的純電續(xù)航里程與電池包電能的關(guān)系。盡管不同車型和不同技術(shù)路線下的電池包電能不同，但純電續(xù)航里程基本與電池電量正相關(guān)。一般為達(dá)到國家針對插電式混合動力汽車補(bǔ)貼要求（即純電續(xù)航里程需大于50km），插電式混合動力汽車的電能大多為12 kWh～14kWh。

表1　插電式混合動力車型技術(shù)參數(shù)匯總

三種混合方式下，綜合百公里油耗和電池包電能的關(guān)系如圖6所示。不同串聯(lián)、并聯(lián)和混聯(lián)式插電混合動力汽車的綜合百公里油耗與電池包電能負(fù)相關(guān)，即電池包電能越大，綜合百公里油耗越低；為了更好地起到降低企業(yè)平均油耗目的，實(shí)現(xiàn)插電式混合動力車的綜合百公里油耗低于2L，電池包電能一般大于10kWh。

圖6　不同混合動力方式的百公里油耗對比

綜合純電續(xù)航里程和百公里油耗等混合動力汽車核心參數(shù)特點(diǎn)，為滿足我國現(xiàn)行補(bǔ)貼要求和純電使用便利性，相應(yīng)車型所需具備的電池包電能至少要為 10kWh，一般多為12~14kWh。

本文以百公里加速時間來評價動力性，百公里加速時間越小，動力性越好。圖7給出了不同類型插電式混動動力車型的百公里加速時間與整車動力總和的關(guān)系。在串聯(lián)式插電混合動力汽車中，由于只有一臺電機(jī)驅(qū)動，動力性較差，百公里加速時間基本大于7s；在并聯(lián)式插電混合動力汽車中，同時具有發(fā)動機(jī)和電動機(jī)雙動力源，動力總和較大，動力性較好；混聯(lián)式插電混合動力汽車中，同樣具有發(fā)動機(jī)和電動機(jī)雙動力源，動力總和較大，動力性較好。

圖7　不同混合動力方式的百公里加速時間對比

3、并聯(lián)式插電混合動力技術(shù)分析和探討

鑒于采用并聯(lián)式的插電混合動力車型較多，一定程度上可視為目前主流混合動力類型。為此根據(jù)電機(jī)在發(fā)動機(jī)、離合器及變速箱的位置不同，將并聯(lián)插電式混合動力細(xì)分為以下三種形式，并針對其可行性和優(yōu)劣性進(jìn)行探討分析。

3.1P1并聯(lián)方式

P1并聯(lián)方式如圖8所示，電機(jī)通過皮帶及發(fā)動機(jī)側(cè)的輪系相連，并位于發(fā)動機(jī)和變速箱之前。不同公司對 P1并聯(lián)方式的叫法不同，如通用公司稱之為“BAS”系統(tǒng)，博世公司稱之為“BRS”系統(tǒng)。由于受限于電機(jī)布置空間，及皮帶傳遞扭矩的限值，導(dǎo)致電機(jī)的功率和扭矩不能較大，為此混合度不高，驅(qū)動功能較弱，節(jié)油率較小。其優(yōu)點(diǎn)是其布置較為便利，對原機(jī)改動不大，成本亦不高。

圖8　P1并聯(lián)方式

3.2P2并聯(lián)方式

P2并聯(lián)方式如圖9所示，電機(jī)位于汽油機(jī)和變速箱之間，電機(jī)與發(fā)動機(jī)之間通過電控離合器相連，電機(jī)與變速箱也通過電控離合器相連。該方式可以實(shí)現(xiàn)聯(lián)合驅(qū)動、純發(fā)動機(jī)驅(qū)動、純電驅(qū)動、行車發(fā)電（發(fā)動機(jī)帶電機(jī)發(fā)電）、制動能量回收（發(fā)動機(jī)停，電機(jī)發(fā)電）、怠速發(fā)電等功能模式。這種方式下，為了減少動力總成的橫向尺寸，電機(jī)一般為盤式電機(jī)，其最大功率有限，但相比P1并聯(lián)方式，P2方式下的電機(jī)的功率較大，易于實(shí)現(xiàn)純電行駛，節(jié)油率較高。但由于這種方式下需要二個離合器和一個電機(jī)，在發(fā)動機(jī)前艙的布置難度較大。P2并聯(lián)方式常見車型如現(xiàn)代索納塔、本田IMA、奔馳S500Le等等。

圖9　P2并聯(lián)方式

在 P2方式下，根據(jù)電機(jī)、電控離合器、變速箱之間集成關(guān)系的不同，有電機(jī)和電控離合器集成的 P2模塊（變速箱為傳統(tǒng)CVT、DCT或AT），如舍弗勒和采埃孚的相關(guān)模塊；亦有將電機(jī)及離合器集成到變速箱的模塊，如Jatco的CVT8、格特拉克的7HDT300、奔馳采用的7G-TRONIC Plus 7等。

3.3P3并聯(lián)方式

P3并聯(lián)方式如圖10所示，電機(jī)布置在變速箱的上方，變速箱無法對電機(jī)進(jìn)行變速調(diào)節(jié)，只有主減速器對電機(jī)進(jìn)行變速調(diào)節(jié)。這種方式對傳統(tǒng)動力總成（汽油機(jī)和變速箱等）改動較小，但是由于電機(jī)不能夠得到變速箱的傳動調(diào)節(jié)，只有主減速器的增扭降速調(diào)節(jié)，在車速較低時，電機(jī)的轉(zhuǎn)速不高，運(yùn)行效果較差。常見車型如比亞迪秦。

圖10　P3并聯(lián)方式

綜合而言，P1方式下電機(jī)功率較小，混合度較低，節(jié)油率低，一般為弱混。P2方式可以達(dá)到較強(qiáng)的混合度，節(jié)油率高。采用這種方式的車型最多，是目前主流的并聯(lián)方式。P3方式雖然可以達(dá)到較強(qiáng)的混合度，但是由于只有主減速器對電機(jī)進(jìn)行增扭降速調(diào)節(jié)，電機(jī)效率較低，采用該方式的車型不多。

4、結(jié)論

(1) 結(jié)合串聯(lián)、并聯(lián)及混聯(lián)式插電混合動力汽車特點(diǎn)及市場應(yīng)用情況來分析，目前較主流的類型為并聯(lián)式。

(2) 針對所有類型插電式混合動力車型，為滿足我國現(xiàn)行補(bǔ)貼要求和純電使用便利性，電池包電能至少要為10kWh。

(3) 由于并聯(lián)式和混聯(lián)式具備多個動力源，動力總和較大，整車動力性比串聯(lián)式較好，百公里加速時間較少。

(4) P1并聯(lián)式中電機(jī)功率扭矩較小，混合度較低；P2并聯(lián)式對發(fā)動機(jī)前艙的集成度要求較高，混合度較高，降低綜合油耗效果較好；P3并聯(lián)式結(jié)構(gòu)較P2簡單，但總體效率相對較低，較少車型采用P3并聯(lián)方式。

[1] 夏濤.新能源汽車發(fā)展概述[C].重慶汽車工程學(xué)會 2008年學(xué)術(shù)會議論文集,重慶，2008.

[2] 王峻寧.日本混合動力汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展概述[J].時代汽車,2014.(10): 17-18.

[3] 過學(xué)迅,張杰山,胡朝峰.日美混合動力汽車發(fā)展的比較研究[J].上海汽車, 2006.(3):7-10.

[4] 李玉茂. 混合動力車概述[J].汽車維修與保養(yǎng),2013.(10):66-69.

[5] 蔣科軍,何仁,束馳等. 混合動力汽車動力耦合技術(shù)綜述[J]. 機(jī)械傳動, 2015，Vol.39(4):175-181 .

[6] 楊東徽,李軍. 淺析混合動力汽車控制策略[J].汽車工業(yè)研究,2015. (8):24-28.

A Review on technology's characteristics of plug-in HEV

Zhang Zhiqiang, Zhang Xiaoli, Xiong Yu, Wei Jiehong, Wu Jian
( Dongfeng Liuzhou motor Co. Ltd., Guangxi Liuzhou 545005 )

In this paper, first based on all types of plug-in hybrid electric vehicle (PHEV) which are prevalent in the world, the characteristics of different PHEV are illustrated. Then the parameters and application in the markets of PHEV are summarized. It's analyzed that the most popular kinds of PHEV is parallel PHEV. The relationships for drive range of pure electric energy, comprehensive fuel consumption with battery's electric energy are illustrated. And the relationship for acceleration time from 0 to 100km/h with total vehicle power is analyzed. The necessary of battery's electric energy for developing and utilizing conveniently is illustrated. Finally, the parallel PHEV is classified by the specialty structure. And all kinds of parallel PHEV are compared with each other for the feasibility and advantage.

plug-in hybrid electric vehicle; series hybrid electric vehicle; parallel hybrid electric vehicle; seriesparallel hybrid electric vehicle

張志強(qiáng)，就職于東風(fēng)柳州汽車有限公司。

U469

A

1671-7988 （2016）06-120-04