插電式混合動(dòng)力汽車結(jié)構(gòu)原理簡介(一)

◆文/北京 王新旗

一、新能源汽車的定義與分類

新能源汽車有新舊兩個(gè)定義及分類說明，國家較早對(duì)新能源定義是指采用非常規(guī)的車用燃料作為動(dòng)力源(或使用常規(guī)的車用燃料、采用新型車載動(dòng)力裝置)，綜合車輛的動(dòng)力控制和驅(qū)動(dòng)方面的先進(jìn)技術(shù)，形成的技術(shù)原理先進(jìn)、具有新技術(shù)、新結(jié)構(gòu)的汽車?；诖耍鶕?jù)動(dòng)力源的不同，新能源汽車可以分為以下四大類：第一類是仍以內(nèi)燃機(jī)為動(dòng)力源的新型燃料汽車，使用氣體燃料如氫氣、壓縮天然氣、液化天然氣和液化石油氣或使用不由原油裂化得到的液體燃料，如乙醇、生物柴油等生物燃料；第二類是以太陽能為動(dòng)力源的汽車；第三類是以氫燃料電池為動(dòng)力源的汽車；第四類是以電能作為動(dòng)力源的汽車。其中，根據(jù)電力驅(qū)動(dòng)的程度，進(jìn)一步可以分為純電動(dòng)汽車、插電式混合動(dòng)力汽車和內(nèi)燃機(jī)動(dòng)力為主電力驅(qū)動(dòng)為輔的不具有插電功能的一般混合動(dòng)力汽車。國務(wù)院頒布的《節(jié)能與新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃(22012-2020年)》中明確表示，新能源汽車的范圍為插電式混合動(dòng)力汽車(同時(shí)要求單次純電行駛里程不小于50km/h)、純電動(dòng)汽車和燃料電池汽車，并將常規(guī)混合動(dòng)力汽車劃歸為節(jié)能內(nèi)燃機(jī)汽車。綜上，我們認(rèn)為新能源汽車是指采用新型動(dòng)力系統(tǒng)，完全或主要依靠新型能源(如電能等非石油燃料)驅(qū)動(dòng)的汽車具體的分類如圖1所示。

二、混合動(dòng)力電動(dòng)汽車的定義與分類

在談及新能源混合動(dòng)力汽車之前，先了解一下傳統(tǒng)意義技術(shù)層面上對(duì)混合動(dòng)力汽車的定義—混合動(dòng)力汽車也被稱為復(fù)合動(dòng)力汽車，其動(dòng)力輸出部分或全部依靠車載的內(nèi)燃機(jī)提供，并根據(jù)對(duì)其他動(dòng)力源(如電動(dòng)源)的依賴程度分為弱混、輕混、中混和重混(全混)，根據(jù)其動(dòng)力輸出的分配方式分為并聯(lián)、串聯(lián)和混聯(lián)。

增程式混合動(dòng)力汽車它是在純電動(dòng)汽車上加裝一套內(nèi)燃機(jī)作為電力源的充電系統(tǒng)，其目的是減少汽車的污染，提高純電動(dòng)汽車的行駛里程；插電式混合動(dòng)力汽車是可以直接由外接電源充電的重度混合動(dòng)力汽車，而且電池容量較大可以靠純電力驅(qū)動(dòng)行駛較遠(yuǎn)的距離(目前我國的要求是綜合工況下行駛50km)，因此其對(duì)內(nèi)燃機(jī)的依賴較少。在插電式混合動(dòng)力中電動(dòng)機(jī)是主要的動(dòng)力源而內(nèi)燃機(jī)作為備用動(dòng)力，當(dāng)動(dòng)力電池能量消耗到一定的程度或電動(dòng)機(jī)不能提供所需動(dòng)力時(shí)才啟動(dòng)內(nèi)燃機(jī)以混合動(dòng)力模式行駛并適時(shí)向電池充電，如圖2所示。

插電式混合動(dòng)力汽車與增程式混合動(dòng)力汽車雖然都屬于可充電的混合動(dòng)力汽車，但是它們之間卻有本質(zhì)的區(qū)別。插電式混合動(dòng)力汽車是在重度混合動(dòng)力汽車的基礎(chǔ)上，再增加配置動(dòng)力電池和充電接口，使用者可獲得更多的純電行駛里程；增程式混合動(dòng)力汽車是在純電動(dòng)汽車的基礎(chǔ)上，裝備一個(gè)小型的輔助發(fā)動(dòng)機(jī)組，以備電池電量不足時(shí)為電池充電(這里要說明，該種充電由于發(fā)動(dòng)機(jī)功率受限，它只是一定程度的補(bǔ)充，并不是只要發(fā)動(dòng)機(jī)工作，就可以滿足汽車各種工況下的電驅(qū)動(dòng)所需電力)。另外，充電的概念從廣義上講，電池增加電能的過程就可以稱為充電，因此在新能源汽車的工作過程中動(dòng)力電池有以下三種充電模式：第一種是內(nèi)燃機(jī)的機(jī)械能通過電機(jī)系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為電能輸入動(dòng)力電池；第二種是車輛減速，通過電機(jī)(此時(shí)電動(dòng)機(jī)將作為發(fā)電機(jī))將車輛的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能輸入動(dòng)力電池(即能量回收)；第三種是通過車載充電機(jī)或外部充電樁，將外部電源的電能輸入動(dòng)力電池(外接充電)。

因此，為了進(jìn)行區(qū)分，通常將充電定義為以內(nèi)燃機(jī)的機(jī)械能通過電機(jī)系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為電能輸入動(dòng)力電池作為動(dòng)力源的模式，可理解為狹義充電的概念，而能量回收不再稱為充電，外部充電是特指上面所述第三種模式。了解了這些，才能理解由于傳統(tǒng)的混合動(dòng)力系統(tǒng)汽車不具備外接充電功能，從而與插電式混合動(dòng)力汽車有本質(zhì)的區(qū)別，同時(shí)也能理解增程式的混合動(dòng)力汽車既可以劃分到混合動(dòng)力汽車，也可算做純電動(dòng)汽車的原因。

為了對(duì)混合動(dòng)力汽車做進(jìn)一步的闡述，筆者參考了國際能源組織(IEA)的有關(guān)文獻(xiàn)對(duì)混合動(dòng)力車輛的定義，能量與功率傳遞路線具有如下特點(diǎn)的車輛稱為混合動(dòng)力車輛。

傳送到車輪推進(jìn)車輛運(yùn)動(dòng)的能量至少來自兩種不同的能量轉(zhuǎn)換裝置(如內(nèi)燃機(jī)、燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)、斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)、電機(jī)、液壓馬達(dá)、燃料電池等)；這些能量轉(zhuǎn)換裝置至少要從兩種不同的能量存儲(chǔ)裝置(如燃油箱、蓄電池、飛輪超級(jí)電容、高壓儲(chǔ)氫罐等)中獲取能量；從儲(chǔ)能裝置流向車輪的這些通道中至少有一條是可逆的(既可放出能量也可吸收能量)，并至少還有一條是不可逆的；如果具有可逆能量傳遞路線的儲(chǔ)能裝置供應(yīng)的是電能，則稱為混合動(dòng)力電動(dòng)汽車。按最新的國家定義，除插電式混合動(dòng)力汽車稱為新能源汽車外，其余的混合動(dòng)力汽車只可稱為節(jié)能型汽車。因此，本文將重點(diǎn)對(duì)插電式混合動(dòng)力汽車進(jìn)行較為深入的介紹。

圖1 新能源汽車的分類

圖2 典型插電式混合動(dòng)力汽車動(dòng)力(結(jié)構(gòu))工作簡圖

三、插電式混合動(dòng)力汽車的結(jié)構(gòu)原理

與傳統(tǒng)的混合動(dòng)力車輛主要能量來源與燃料不同，PHEV—插電式混合動(dòng)力汽車主要使用電能運(yùn)行，而發(fā)動(dòng)機(jī)只是作為輔助動(dòng)力系統(tǒng)，因此，車輛對(duì)燃油的依賴性大大減少，更加環(huán)保和節(jié)能。當(dāng)然，插電式混合動(dòng)力電動(dòng)汽車的驅(qū)動(dòng)力主要也包括兩個(gè)來源：電機(jī)和內(nèi)燃機(jī)，它可以單獨(dú)或一起給車輛提供動(dòng)力。電池的能量主要來自公共電網(wǎng)，充電后的電池組電機(jī)供電實(shí)現(xiàn)車輛運(yùn)轉(zhuǎn)。PHEV在城區(qū)工況行駛時(shí)速低于40km/h時(shí)或在車輛滑行狀態(tài)，車輛完全以電力驅(qū)動(dòng)，而當(dāng)電池電量低于某一標(biāo)準(zhǔn)值(例如電量降低到20%)或加速、爬坡行駛狀態(tài)等大負(fù)荷需求情況下，發(fā)動(dòng)機(jī)開始工作，以提供額外的動(dòng)力維持車輛的行駛，PHEV一般帶有制動(dòng)能量回收裝置，使制動(dòng)能轉(zhuǎn)換成電力儲(chǔ)存在電池中，從而進(jìn)一步降低油耗。PHEV的電池容量一般可達(dá)6～10kW·h，是純電動(dòng)汽車電池容量的30%～50%，是一般混合動(dòng)力汽車電池容量的3～5倍。

雖然PHEV的購買價(jià)格較傳統(tǒng)轎車和混合動(dòng)力轎車略高(目前約為1.2倍)，但由于外接電池的高容量、制動(dòng)能量回收等新技術(shù)的應(yīng)用，使得車輛在城區(qū)內(nèi)行駛可以基本實(shí)現(xiàn)零排放，燃油經(jīng)濟(jì)性也比普通汽車提高了2～5倍。

1.PHEV特點(diǎn)及結(jié)構(gòu)原理

PHEV蓄電池包可以直接從外接電源(包括家用220V電源)充電。從這點(diǎn)上看，它像一輛純電動(dòng)汽車，通常優(yōu)先在純電動(dòng)模式下獨(dú)立行駛，一般由外接公共電網(wǎng)電源充電補(bǔ)充電能。因此，可利用夜間低谷電對(duì)蓄電池充電，改善電廠發(fā)電機(jī)組運(yùn)行效率的同時(shí)又節(jié)約能源，還可以減少混合動(dòng)力汽車尾氣排放、汽車日常的使用成本，凈化城市空氣質(zhì)量，降低汽車對(duì)石油燃料的依賴。而傳統(tǒng)混合動(dòng)力汽車一般不能外接電源充電，要依賴車載燃料的消耗來補(bǔ)充蓄電池的電能。PHEV有一定能量的蓄電池包，在純電動(dòng)模式下獨(dú)立行駛，有一定的純電動(dòng)續(xù)駛里程，例如幾十千米。而傳統(tǒng)混合動(dòng)力電動(dòng)汽車，即使是強(qiáng)混車型，蓄電池能量較小，只有啟動(dòng)和低速時(shí)是純電驅(qū)動(dòng)，加速和高速時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)共同驅(qū)動(dòng)，發(fā)動(dòng)機(jī)為主要驅(qū)動(dòng)力。PHEV驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)功率和轉(zhuǎn)矩比較大，與純電動(dòng)汽車的電動(dòng)機(jī)相同或略小，在純電動(dòng)模式下足以完成汽車啟動(dòng)、加速、爬坡等各種工況行駛。而傳統(tǒng)混合動(dòng)力汽車電動(dòng)機(jī)功率和轉(zhuǎn)矩小，在汽車加速、爬坡等工況行駛時(shí)是靠電動(dòng)機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)共同完成的。PHEV續(xù)駛里程長，可達(dá)400～500km。在長途行駛狀況下，優(yōu)先在純電動(dòng)模式下行駛，在蓄電池包的荷電狀態(tài)SOC降到一定限值時(shí)，切換到混合動(dòng)力模式下行駛，發(fā)動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)。

汽車行駛或者拖動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電供電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)汽車，并補(bǔ)充蓄電池電能。這使得它不依賴充電站停車充電，特別是在目前國內(nèi)充電站設(shè)施很不完備的情況下，可連續(xù)長途行駛，通常，即使在國內(nèi)充電站設(shè)施分布密集的地區(qū)，電動(dòng)汽車快速充電也需要幾十分鐘停車充電等待時(shí)間。這是插電式混合動(dòng)力車最突出的優(yōu)點(diǎn)，它與傳統(tǒng)汽車?yán)m(xù)駛里程相同。這也克服了純電動(dòng)汽車受動(dòng)力蓄電池能量限制，續(xù)駛里程短的弊病。此時(shí)對(duì)于PHEV是零排放行駛，而對(duì)傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車來說怠速等待、低速行駛、時(shí)走時(shí)停，這將導(dǎo)致燃油燃燒不完全，汽車尾氣排放的污染物數(shù)倍增加，嚴(yán)重污染環(huán)境，如圖3所示。

圖3 PHEV結(jié)構(gòu)

2.PHEV的類型

插電式混合動(dòng)力車具有諸多特點(diǎn)，與混合動(dòng)力汽車類似，也分為多種類型，按動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式劃分為串聯(lián)PHEV、并聯(lián)PHEV和混聯(lián)PHEV。

(1)串聯(lián)PHEV

串聯(lián)PHEV通常稱為增程式混合動(dòng)力汽車。串聯(lián)PHEV結(jié)構(gòu)原理如圖4所示。其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)為：純電動(dòng)＋增程器，汽車車輪僅由電動(dòng)機(jī)獨(dú)立驅(qū)動(dòng)，增程器可以是發(fā)動(dòng)機(jī)—發(fā)電機(jī)組，發(fā)動(dòng)機(jī)—發(fā)電機(jī)組發(fā)電直接供給電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)汽車，同時(shí)發(fā)出的多余電量給蓄電池包充電，增程器還可以是燃料電池等。

圖4 串聯(lián)PHEV結(jié)構(gòu)原理

純電動(dòng)模式下，增程器不工作，混合動(dòng)力模式下，增程器啟動(dòng)運(yùn)行，發(fā)動(dòng)機(jī)—發(fā)電機(jī)組可以保持在發(fā)電量與燃油經(jīng)濟(jì)性平衡的最佳運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)下運(yùn)行發(fā)電，油耗省，發(fā)動(dòng)機(jī)排放污染少，取得最佳經(jīng)濟(jì)效益，以最省油的方式延長了續(xù)駛里程。

(2)并聯(lián)PHEV

并聯(lián)PHEV結(jié)構(gòu)原理如圖5所示。其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)為：兩套動(dòng)力源通過耦合器驅(qū)動(dòng)汽車車輪，一套是電動(dòng)機(jī)、控制器和蓄電池系統(tǒng)；另一套是燃油發(fā)動(dòng)機(jī)。兩套動(dòng)力系統(tǒng)可分別單獨(dú)運(yùn)行，也可混合驅(qū)動(dòng)。

圖5 并聯(lián)PHEV結(jié)構(gòu)原理

(3)混聯(lián)PHEV

混聯(lián)PHEV結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是既有串聯(lián)也有并聯(lián)，兼顧了串聯(lián)與并聯(lián)的優(yōu)點(diǎn)，但結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜。行駛時(shí)優(yōu)先使用純電動(dòng)模式，在蓄電池包的荷電狀態(tài)降到一定限值時(shí)，切換到混合動(dòng)力模式下行駛。在混合動(dòng)力模式下，啟動(dòng)、低速時(shí)使用串聯(lián)系統(tǒng)的發(fā)電機(jī)發(fā)電，電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)汽車車輪行駛，加速、爬坡、高速時(shí)使用并聯(lián)系統(tǒng)，主要由發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)汽車車輪行駛。發(fā)動(dòng)機(jī)多余能量可帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電給蓄電池包充電。

四、混合動(dòng)力汽車饋能制動(dòng)回收系統(tǒng)

饋能制動(dòng)控制是指在新能源車輛減速或制動(dòng)時(shí)，將其一部分動(dòng)能轉(zhuǎn)化為其他形式的能量儲(chǔ)存起來以備驅(qū)動(dòng)時(shí)使用的過程，這點(diǎn)是新能源汽車的電動(dòng)機(jī)在控制過程中可根據(jù)需求轉(zhuǎn)為發(fā)電機(jī)工作方式從而給動(dòng)力電池充電，這一工作特性通常是傳統(tǒng)汽車所不具備的，充分體現(xiàn)了混動(dòng)(電動(dòng))汽車的控制方式特點(diǎn)、制動(dòng)方式與節(jié)能優(yōu)勢。

1.汽車制動(dòng)性的評(píng)價(jià)

(1)汽車制動(dòng)性能

制動(dòng)效能，即制動(dòng)距離與制動(dòng)減速度。制動(dòng)效能是指汽車在良好的路面上，以一定初速制動(dòng)到停車的制動(dòng)距離或制動(dòng)時(shí)汽車的減速度。它是制動(dòng)性能最基本的評(píng)價(jià)指標(biāo)。制動(dòng)效能的恒定性，即抗熱衰退性能。汽車高速行駛或下長坡連續(xù)制動(dòng)時(shí)，制動(dòng)效能保持的程度，稱為抗熱衰退性能，若汽車涉水行駛后，制動(dòng)器還會(huì)存在水衰退問題。制動(dòng)時(shí)汽車方向的穩(wěn)定性，即制動(dòng)時(shí)汽車不發(fā)生跑偏、側(cè)滑以及失去轉(zhuǎn)向能力的性能。第一個(gè)指標(biāo)就是要求在所有的車輪上的制動(dòng)系統(tǒng)能夠提供足夠的制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，第三個(gè)指標(biāo)要求各個(gè)車輪上的制動(dòng)力分布要符合一定的規(guī)則。能量饋能制動(dòng)系統(tǒng)研究的主要問題就是針對(duì)這兩個(gè)指標(biāo)。