插電式混合動力汽車選型和匹配研究

張志強，龍麗紅，張曉莉

（東風(fēng)柳州汽車有限公司，廣西 柳州545005）

插電式混合動力汽車（Plug-in Hybrid Electric Vehicle）既可以從電網(wǎng)給車載動力電池充電實現(xiàn)純電行駛，亦可使用燃油來驅(qū)動汽車。因此插電式混合動力汽車兼具傳統(tǒng)燃油汽車和電動汽車的優(yōu)點，故插電式混合動力汽車被廣泛地認為是較易推廣和需重點研發(fā)的新能源汽車類型。

在日本和歐美等國，從上個世紀(jì)九十年代起依次出現(xiàn)了混合動力汽車及插電式混合動力汽車，相關(guān)企業(yè)和研究院所亦開展了大量的研究和應(yīng)用[1]。雖然我國的插電式混合動力汽車研究和應(yīng)用起步較晚，但隨著國家政策的導(dǎo)向和扶持，越來越多企業(yè)開展了插電式混合動力汽車的研發(fā)，并且有望借此機遇實現(xiàn)我國汽車工業(yè)的騰飛。

為此本文首先對插電式混合動力汽車技術(shù)及相關(guān)特點進行總結(jié)和分析；然后綜合最高車速、最大爬坡度和百公里加速時間需求，對插電式混合動力汽車的動力性進行選型和匹配分析；其次對插電式混合動力汽車所需電池包進行選型和匹配分析，以保證其能夠滿足純電續(xù)航里程、綜合工況油耗和電機功率需求；最后結(jié)合充電需求對車載充電系統(tǒng)進行選型和匹配分析。

1 插電式混合動力汽車分類匯總

一般可將插電式混合動力汽車按照動力系統(tǒng)類別的不同，分成以下三種類型：

（1）串聯(lián)插電式混合動力汽車

串聯(lián)插電式混合動力汽車，亦稱為增程式。其技術(shù)特點如下圖1所示，發(fā)動機只用于給汽車發(fā)電，汽車的行駛是只靠電機驅(qū)動汽車來實現(xiàn)。目前常見車型有寶馬i3增程式和廣汽傳祺GA5增程式。

圖1 串聯(lián)PHEV示意圖

（2）并聯(lián)插電式混合動力汽車

并聯(lián)插電式混合動力汽車結(jié)構(gòu)示意如圖2所示，該類型下發(fā)動機和電機均可驅(qū)動汽車，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)布局較為緊湊。常見的車型有比亞迪秦、寶馬530Le、奔馳S500eL、奧迪 Q7e-tron、奇瑞艾瑞澤PHEV、索納塔PHEV等等。

圖2 并聯(lián)PHEV示意圖

（3）混聯(lián)插電式混合動力汽車

混聯(lián)插電式混合動力汽車，又可稱為動力分流式混合動力汽車。如圖3所示，該汽車系統(tǒng)結(jié)構(gòu)由一臺發(fā)動機、一臺發(fā)電機、一臺電動機和動力分流的行星齒輪等特殊系統(tǒng)構(gòu)成。這種類型汽車的結(jié)構(gòu)和控制最為復(fù)雜[2，3]。常見車型有豐田普銳斯和帝豪PHEV等等。

圖3 混聯(lián)PHEV示意圖

2 插電式混合動力汽車選型和匹配分析

對于插電式混合動力汽車而言，選型和匹配首要考慮和分析的是動力性、電池包和車載充電系統(tǒng)。本節(jié)將分別針對這三個關(guān)鍵項進行詳細選型和匹配分析。

2.1 插電式混合動力汽車動力性選型

由于插電式混合動力汽車兼具電機、電池包和發(fā)動機等部件，一般會比傳統(tǒng)燃油汽車更重。為了匹配出更為合適的動力性，插電式混合動力汽車動力系統(tǒng)的選型必須綜合考慮以下三個動力性參數(shù)：最高車速需求的功率、最大爬坡度需求的功率和百公里加速時間需求的功率。

（1）最高車速需求的功率

最高車速需求的功率計算如下[4]：

其中：m為汽車質(zhì)量；g為重力加速度；f為汽車滾動阻力系數(shù)；vmax為最高車速；CD為風(fēng)阻系數(shù)；A為迎風(fēng)面積；ηT為傳動系統(tǒng)效率。

（2）最大爬坡度需求的功率

最大爬坡度需求的功率計算如下：

其中：α為爬坡度；va為坡道車速。

（3）百公里加速時間需求的功率

百公里加速時間需求的功率計算如下：

其中：t為0-100 km/h加速時間；δ為汽車旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù)；va為最終加速后的車速。

對于插電式混合動力汽車而言，為同時滿足最高車速、最大爬坡度和百公里加速時間等動力性需求，整車功率之和Pmax至少需大于P1、P2和P3中的最大值。

串聯(lián)插電式混合動力汽車由于只有電機作為動力源，為此電機的功率需為Pmax.而并聯(lián)式和混聯(lián)式，電機和發(fā)動機同時作為動力源，故電機和發(fā)動機的功率總和需滿足Pmax.

2.2 插電式混合動力汽車電池包選型

插電式混合動力汽車的電池包直接影響著純電續(xù)航里程、綜合工況油耗、電機功率需求。為此，插電式混合動力汽車電池包的選型分別需要滿足以下三個方面的需求：

（1）純電續(xù)航里程對電池包的選型影響

為獲得我國針對插電式混合動力汽車的財政補貼，目前汽車在純電狀態(tài)下的續(xù)航里程至少要為50 km.一般而言，插電式混合動力汽車的純電續(xù)航里程與電池包的電量基本成正比關(guān)系。結(jié)合目前國內(nèi)外插電式混合動力汽車的綜合技術(shù)水平，為滿足純電續(xù)航里程為50 km，則電池包電量一般至少為10 kWh.

（2）綜合工況油耗對電池包的選型影響

插電式混合動力汽車的綜合工況油耗的測算公式如下[5]：

其中：De為按照GB/T 19753附錄B測得的純電動續(xù)駛里程（km）；Dav為25 km，GB/T 19753規(guī)定假設(shè)儲能裝置兩次充電之間的平均行駛里程；C1為按照GB/T 19753條件A（儲能裝置處于充電終止的最高荷電狀態(tài)）下測得的燃油消耗率（L/100km）；只要在NEDC測試過程，電機和電池足以完成測試循環(huán)，發(fā)動機不啟動，則無油耗，即C1等于0；C2：按照GB/T 19753條件B（儲能裝置處于放電結(jié)束的最低荷電狀態(tài)）下測得的燃油消耗率（L/100 km）。

分析綜合而言，De純電續(xù)航里程越大，C計算公式的分母越大，C就越??；而電池的電量越大，純電續(xù)航里程越長，C越小。

換言之，要獲得較小的C，在改善整車發(fā)動機油耗的基礎(chǔ)上，可以再增加純電續(xù)航里程和電池電量。

（3）電機功率對電池包的選型影響

電池包能夠發(fā)出的功率需要滿足電機功率需求，為此電池包功率需求如下所示：

其中：Pmotor為電機功率；ηmotor為電機效率；ηMCU為電機控制器效率。

綜合而言，插電式混合動力汽車的電池包電量需同時滿足純電續(xù)航里程、綜合工況油耗、電機功率的需求。

2.3 插電式混合動力汽車車載充電系統(tǒng)選型

早期的傳統(tǒng)混合動力汽車由于電池包的電量較小（一般低于1.5 kWh），可以通過剎車時回收動能來為電池包充電，或通過將發(fā)動機多余的功率用于發(fā)電，從而為電池包充電。

對于插電式混合動力汽車，電池包的電量一般至少大于10kWh，則必需一套車載充電系統(tǒng)（OBC-onboard charge），以便盡快給電池包充電。車載充電系統(tǒng)的功率POBC可按下式進行選型：

POBC=Ebattery/t×DOD

其中：POBC為充電系統(tǒng)功率；Ebattery為電池包電量；t為充電需求時間；DOD為電池包放電深度（Depth of discharge）。

3 結(jié)束語

（1）插電式混合動力汽車按照動力系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)的不同，可分為串聯(lián)式、并聯(lián)式和混聯(lián)式。

（2）插電式混合動力汽車動力性的選型和匹配必需同時滿足最高車速、最大爬坡度和百公里加速時間等對整車的功率要求。不同結(jié)構(gòu)類型的插電式混合動力汽車，其發(fā)動機和電機動力性匹配需求各具特點。

（3）插電式混合動力汽車電池包及電量的選型和匹配需要滿足純電續(xù)航里程、綜合工況油耗和電機功率等需求。

（4）插電式混合動力汽車的車載充電系統(tǒng)需結(jié)合充電時間需求來選型和匹配確定。