插電式混合動力汽車簡析

聊城高級財經(jīng)職業(yè)學(xué)校 諶貽龍

插電式混合動力汽車簡析

聊城高級財經(jīng)職業(yè)學(xué)校 諶貽龍

1 插電式混合動力汽車的優(yōu)缺點分析

圖1 插電式混合動力汽車原理簡圖

目前，國家對新能源汽車給出了明確的定義，即新能源汽車包括插電式混合動力汽車、純電動汽車和燃料電池汽車。傳統(tǒng)的混合動力汽車由于能量密度較低（動力電池容量一般低于1.5 kWh），因而不需要外接充電，僅籍由制動時回收動能為動力蓄電池充電或利用車輛在低速行駛時發(fā)動機的多余功率通過發(fā)電機（電動機反轉(zhuǎn)）為動力電池充電。如圖1所示，插電式混合動力汽車可以行駛在純電動模式下，也可以行駛在發(fā)動機與驅(qū)動電動機共同工作的混合動力模式下。行駛在混合動力模式下時，與普通的混合動力車輛的工作原理并無二致，驅(qū)動電動機作為輔助驅(qū)動機構(gòu)，主要起“削峰填谷”的作用，幫助發(fā)動機工作在相對穩(wěn)定的狀態(tài)下，從而減少車輛的燃油消耗與排放；行駛在純電動模式時，僅由動力電池組供應(yīng)能量，從而實現(xiàn)純電力驅(qū)動與零排放，因而在動力電池組電量用盡后需要外接充電，所以稱之為插電式混合動力汽車。簡單地說，插電式混合動力汽車（Plug-in Hybrid Vehicle，簡稱PHV）就是介于純電動汽車與燃油汽車兩者之間的一種汽車，既有傳統(tǒng)汽車的發(fā)動機、變速器、傳動系統(tǒng)、油路、油箱，也有純電動汽車的電池、電動機、控制電路，而且電池容量比較大，有充電接口；它綜合了純電動汽車（EV）和混合動力汽車（HEV）的優(yōu)點，既可實現(xiàn)純電動、零排放行駛，也能通過混動模式增加車輛的續(xù)駛里程。與非插電式混合動力汽車相比，插電式混合動力汽車的電池容量更大，可以支持行駛的里程更長，如果每次都是短途行駛，有較好的充電條件，插電式混合動力汽車可以不用加油，當(dāng)做純電動汽車使用，具有純電動汽車的優(yōu)點。與純電動汽車相比，插電式混合動力汽車的電池容量要小很多，但是其帶有傳統(tǒng)燃油車的發(fā)動機、變速器、傳動系統(tǒng)、油路、油箱，因此在無法充電時，只要有加油站就可以一直行駛下去，行駛里程不受充電條件的制約，又具有燃油汽車的優(yōu)勢。插電式混合動力汽車結(jié)合了傳統(tǒng)混合動力汽車的優(yōu)點，在提供較長的續(xù)航里程（指混合動力模式）的同時也能滿足人們用純電力行駛的需求，起到了良好的能源替代作用，是通向純電動汽車的必由之路（技術(shù)路線）。但由于一輛車內(nèi)要集成純電動汽車和燃油汽車兩套完整的動力系統(tǒng)，因此插電式混合動力汽車的成本較高，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，質(zhì)量也比較大，相對于單純的燃油汽車和純電動汽車又有劣勢。不過，在充電站大面積普及，充電時間大幅縮短之前，插電式混合動力汽車作為燃油汽車與純電動汽車之間的過渡產(chǎn)品將長期存在下去。且在后補貼時期，政府補貼減少、消費者里程需求增加、電池成本降幅較小且車輛售價不能上漲，為插電式混合動力汽車提供了發(fā)展機遇。但提升插電式混合動力汽車性能混動方案合理化、動力系統(tǒng)集成化、核心部件專用化和控制策略創(chuàng)新等關(guān)鍵核心技術(shù)是亟待解決的問題。

2 插電式混合動力汽車與增程式純電動汽車的差異分析

插電式混合動力汽車經(jīng)常被人們與純電動汽車中的增程式純電動汽車相混淆。插電式混合動力汽車與增程式純電動汽車的工作模式非常類似，兩者都可以由動力電池單獨輸入能量以行駛在純電動模式下，且當(dāng)動力電池容量接近設(shè)定的下限后都轉(zhuǎn)由另外一種動力源繼續(xù)提供車輛所需的能量。但兩者有著本質(zhì)上的區(qū)別。插電式混合動力汽車是由混合動力汽車進(jìn)化而來，它繼承了混合動力汽車的大部分特點，但把混合動力汽車的功率型電池替換為了比容量更大的能量型電池，如此一來，動力電池就有足夠的能量保證車輛可以在零排放、無油耗的純電動模式下行駛一定的距離（一般該距離在10 km以上）。而增程式純電動汽車是在純電動汽車的基礎(chǔ)上開發(fā)的電動汽車，之所以稱之為增程式純電動車，是因為車輛追加了增程器，而為車輛追加增程器的目的是為了進(jìn)一步提升純電動汽車的續(xù)航里程，使其能夠盡量避免頻繁地停車充電。

圖2 插電式混合動力汽車的工作方式

插電式混合動力汽車的工作原理如圖2所示。如圖2a所示，當(dāng)動力電池內(nèi)部電量充足時，整車進(jìn)入純電動汽車（EV）模式，能量直接來自于動力電池，僅靠電動機M2驅(qū)動整車行駛，不會產(chǎn)生燃料消耗和排放；如圖2b所示，當(dāng)動力電池所儲存電量無法滿足純電動工況時，整車進(jìn)入串聯(lián)混合動力汽車（HEV）模式，發(fā)動機起動，帶動電動機M1發(fā)電，對動力電池組進(jìn)行充電，車輛仍由電動機M2驅(qū)動行駛，驅(qū)動整車增加續(xù)駛里程，有適當(dāng)?shù)娜加拖?；如圖2c所示，在需要較高動力輸出的加速模式下，發(fā)動機起動，離合器吸合，與電動機M2一起驅(qū)動車輛行駛，提供更高的輸出功率；如圖2d所示，在車輛加速行駛時，電動機M2作為發(fā)電機使用，將損耗的動能轉(zhuǎn)化為電能儲存在動力電池組中，尤其適用于頻繁使用加、減速的市區(qū)行駛。由此可見插電式混合動力汽車包括純電動和發(fā)動機驅(qū)動兩種工作模式，發(fā)動機要參與整車驅(qū)動，是可充電的混合動力電動汽車。

增程式純電動汽車的工作原理如圖3所示。如圖3a所示，當(dāng)動力電池內(nèi)部電量充足時，整車進(jìn)入純電動模式，能量直接來自于動力電池，并通過電動機驅(qū)動整車行駛；如圖3b所示，當(dāng)動力電池所儲存電量無法滿足純電動工況時，發(fā)動機起動，通過發(fā)電機對動力電池充電，在整車依然由電動機驅(qū)動的前提下增加續(xù)駛里程。由此可見，增程式純電動汽車只有純電動驅(qū)動工作模式，發(fā)動機只增程發(fā)電，不參與整車驅(qū)動，它實際上并不是混合動力，而是混合充電。

圖3 增程式純電動汽車的工作原理

3 插電式混合動力汽車的類型

插電式混合動力汽車根據(jù)結(jié)構(gòu)不同可分為以下幾種類型。

3.1 增程型插電式混合動力汽車

增程型插電式混合動力汽車（圖4）嚴(yán)格來說仍然是電動汽車，車內(nèi)只有一套電力驅(qū)動系統(tǒng)，包括電動機、控制電路、電池。增程型插電式混合動力汽車的電動機直接驅(qū)動車輪，發(fā)動機則用于驅(qū)動發(fā)電機給電池進(jìn)行充電。因為發(fā)動機并不直接驅(qū)動車輪，因此也不需要變速器，這相當(dāng)于在普通的電動車上裝載了一臺汽油/柴油發(fā)電機。增程式插電混合動力汽車具有電動汽車的安靜、起步轉(zhuǎn)矩大的優(yōu)點，可以當(dāng)純電動汽車使用，在充電方便的條件下只充電、不加油，使用成本較低；相比其他插電式混合動力汽車，增程型插電式混合動力汽車可以不用變速器，成本略有降低；由于帶有發(fā)動機發(fā)電，只要有加油站就可以一直跑下去，在不方便充電的地方也不怕，解決了基礎(chǔ)設(shè)施不足的問題；因為發(fā)動機不直接驅(qū)動車輪，發(fā)動機轉(zhuǎn)速和車輪轉(zhuǎn)速、車速沒有直接關(guān)系，通過控制系統(tǒng)優(yōu)化，可以讓發(fā)動機一直工作在最佳轉(zhuǎn)速，即使在充電不便時，市內(nèi)堵車路況下，其油耗也比較低，發(fā)動機噪音也可以控制的非常小。當(dāng)然，增程型插電式混合動力汽車 由于發(fā)動機和發(fā)電機并不直接驅(qū)動車輪，造成了這部分功率的浪費，而發(fā)動機和發(fā)電機帶來的重量并沒有減少，譬如，一輛增程型插電式混合動力汽車的發(fā)動機功率為50 kW，發(fā)電機功率為50 kW，電動機功率為100 kW，整車總功率為200 kW，但是能驅(qū)動車輪的功率卻只有100 kW；在高速路況下，發(fā)動機油耗反而偏高，這是因為高速路況下，如果發(fā)動機直接驅(qū)動車輪，可以一直工作在最佳工作模式，而增程型插電式混合動力汽車多了一個能量轉(zhuǎn)換過程，能量轉(zhuǎn)換的本身要消耗能量，造成油耗反而偏高。

圖4 增程型插電式混合動力汽車

3.2 并聯(lián)型插電式混合動力汽車

圖5 并聯(lián)型插電式混合動力汽車

并聯(lián)型插電式混合動力汽車（圖5）內(nèi)有傳統(tǒng)的內(nèi)燃機和電動機2套驅(qū)動系統(tǒng)，2套系統(tǒng)既可以同時協(xié)調(diào)工作，也可以各自單獨工作驅(qū)動汽車。并聯(lián)型插電式混合動力汽車大多是在傳統(tǒng)燃油汽車的基礎(chǔ)上增加電動機、電池、電控系統(tǒng)而成，電動機與發(fā)動機共同驅(qū)動車輪。車內(nèi)只有一臺電動機，驅(qū)動車輪時充當(dāng)電動機，不驅(qū)動車輪給電池充電時充當(dāng)發(fā)電機。并聯(lián)型插電式混合動力汽車適用于多種不同的行駛工況，尤其適用于復(fù)雜的路況；電動機、發(fā)動機共同驅(qū)動車輪，沒有功率浪費的問題，譬如電動機功率為50 kW，發(fā)動機功率為100 kW，只要傳動系統(tǒng)能夠承受，則整車功率就是150 kW；在純電動工作模式下，同樣有純電動汽車安靜、使用成本低的優(yōu)點，而在混合動力工作模式下，有非常好的起步轉(zhuǎn)矩，加速性能好；因為只是在變速器上增加了一臺電動機（分變速器輸入端和輸出端兩種增加方法），在傳統(tǒng)燃油汽車的基礎(chǔ)上改動較小，成本也比較低。但是，并聯(lián)型插電式混合動力汽車在混合動力工作模式下，發(fā)動機不能保證一直在最佳轉(zhuǎn)速下工作，油耗比較高，只有在堵車時因為可以自帶發(fā)動機起停功能油耗才會低；因為只有一臺電動機，不能同時發(fā)電和驅(qū)動車輪，所以發(fā)動機與電動機共同驅(qū)動車輪的工況不能持久，在車輛持續(xù)加速時，電池的能量會很快耗盡，轉(zhuǎn)成發(fā)動機單獨驅(qū)動模式。

3.3 混聯(lián)型插電式混合動力汽車

圖6 混聯(lián)型插電式混合動力汽車

與并聯(lián)型插電式混合動力汽車一樣，混聯(lián)型插電式混合動力汽車（圖6）也有2套驅(qū)動系統(tǒng)，但不同的是，混聯(lián)式有2個電動機。一個電動機僅用于直接驅(qū)動車輪，還有一個電動機具有雙重角色，當(dāng)需要極限性能時，充當(dāng)電動機直接驅(qū)動車輪，整車功率就是發(fā)動機、2個電動機的功率之和；當(dāng)電力不足的時候，就充當(dāng)發(fā)電機，給電池充電。因此，混聯(lián)型插電式混合動力汽車同時具有增程型和并聯(lián)型插電式混合動力汽車的優(yōu)點：在純電動工作模式下具有純電動汽車安靜、使用成本低的優(yōu)點；在增程模式下，沒有“里程焦慮”，而且發(fā)動機可以一直控制在最佳轉(zhuǎn)速，油耗低，噪音小，振動小；在并聯(lián)模式下，2臺電動機和1臺發(fā)動機可以一起工作，三者功率加起來具有非常好的起步和加速性能，是一種比較完美的組合。但是，由于混聯(lián)型插電式混合動力汽車2臺電動機、發(fā)動機、變速器一個都不能少，配套的控制電路、電池、傳動系統(tǒng)、油路也不能少，總體成本要高于其他類型的插電式混合動力汽車，車的總質(zhì)量也會大一些；而因為要控制2個電動機和1臺發(fā)動機，還有不同的工作模式，其控制系統(tǒng)相對要復(fù)雜些，成本大大提高。混聯(lián)型插電式混合動力汽車還可再分前置和前后置兩類。前置混聯(lián)型插電式混合動力汽車的2臺電動機和1臺發(fā)動機都在汽車前部，通過動力分配、離合器控制不同的工作狀態(tài)。前后置混聯(lián)型插電式混合動力汽車就是把兼職的電動機與發(fā)動機放到一起，另外的純電動機單獨放置，可以在前輪驅(qū)動、后輪驅(qū)動、四輪驅(qū)動3種模式下切換。

其實，長期來看，動力電池、電動機、電控單元的價格一直是在下降的。電控產(chǎn)品符合摩爾定律，下降的速度比較快。而電機和動力電池受到材料的限制，下降的速度比較慢，動力電池每年降價5%左右。未來，隨著動力電池、電動機及電控單元價格進(jìn)一步下降，插電混合動力汽車會越來越接近傳統(tǒng)燃油車。當(dāng)兩者價格差距不大的時候，插電混合動力汽車的優(yōu)勢就會顯現(xiàn)出來。

2017-02-07）