淺析PHEV與非PHEV的技術(shù)異同

劉曉鳴

摘 要：混合動(dòng)力車型可分為非插電式（非PHEV）和插電式（PHEV）。本文將探討兩者之間在技術(shù)上的區(qū)別與聯(lián)系。

關(guān)鍵詞：插電式混合動(dòng)力;雙功率分流;雙電機(jī)

1、前言

豐田作為混合動(dòng)力車型以非插電式（非PHEV）為主，中國(guó)品牌的混合動(dòng)力車型以插電式（PHEV）為主。有觀點(diǎn)認(rèn)為，前者“油電混合”與后者“插電混合”是兩種不同的技術(shù)路線。本文將探討兩者之間在技術(shù)上的區(qū)別與聯(lián)系。

2、雙功率分流的工作原理分析

豐田的混合動(dòng)力系統(tǒng)（如圖1），將內(nèi)燃機(jī)的曲軸輸出功率通過動(dòng)力分割器（PSD）分成兩股功率流，一股為用于直接驅(qū)動(dòng)車輛的機(jī)械功率流，另一股為間接驅(qū)動(dòng)車輛的機(jī)械功率流，另一股功率流先通過一號(hào)電機(jī)轉(zhuǎn)換為電能，再通過二號(hào)電機(jī)轉(zhuǎn)換為機(jī)械功率流驅(qū)動(dòng)車輪，直接的機(jī)械功率流和間接的功率流合成為車輪的驅(qū)動(dòng)功率，動(dòng)力電池的電池容量基本只能起到電力緩存器的作用，其純電續(xù)航里程僅有2-4公里，一號(hào)電機(jī)與二號(hào)電機(jī)之間通過電力變換器進(jìn)行電力傳遞。

PHEV以比亞迪的第三代雙模技術(shù)為例。雙模系統(tǒng)（DM系統(tǒng)）將內(nèi)燃機(jī)的曲軸輸出功率通過皮帶輪和雙離合變速器分成兩股功率流（如圖2），與豐田的方案類似的，BSG電機(jī)相當(dāng)于上述一號(hào)電機(jī)，P3電機(jī)相當(dāng)于上述二號(hào)電機(jī)，兩股功率流最后合成為車輪的驅(qū)動(dòng)功率，動(dòng)力電池的電池容量足以提供80公里的純電續(xù)航里程。

由此可見，豐田混合動(dòng)力系統(tǒng)與DM系統(tǒng)均可將內(nèi)燃機(jī)的輸出功率進(jìn)行功率分流，最后合成為總的驅(qū)動(dòng)功率。

兩者的運(yùn)行原理好像差不多，但實(shí)際上由于兩者在內(nèi)燃機(jī)、電機(jī)和電池容量的參數(shù)選擇上的不同造成了兩者在油耗和動(dòng)力上存在明顯差異。豐田的內(nèi)燃機(jī)為阿特金森循環(huán)類型，最大功率為73kW，電機(jī)的最大功率為53kW，由于電機(jī)的能量全部來自于內(nèi)燃機(jī)的轉(zhuǎn)換，因此電機(jī)功率明顯小于內(nèi)燃機(jī)功率，平均油耗為4.5L/100km，加速至?xí)r速100km需要11.6秒[3]。比亞迪的內(nèi)燃機(jī)為奧拓循環(huán)類型，最大輸出功率為113kW，P3電機(jī)的最大輸出功率為110kW，BSG電機(jī)（BSG電機(jī)通過皮帶與內(nèi)燃機(jī)的曲軸連接）的最大發(fā)電功率僅為25kW，平均油耗為6.3L/100km[4]，加速至?xí)r速100km需要5.9秒。由此可見，論油耗率而言前者占優(yōu)，論加速性能而言后者占優(yōu)。

為了便于分析，假設(shè)在理想狀態(tài)下（不考慮能量傳遞損失），雙功率分流的原理是將內(nèi)燃機(jī)的輸出功率通過動(dòng)力分割器分成兩股功率流（如圖3），一股功率流為用于直接驅(qū)動(dòng)車輪的機(jī)械功率流，另一股功率流經(jīng)過兩個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)換變?yōu)殚g接驅(qū)動(dòng)車輪的機(jī)械功率流，最終這兩股功率流合為車輪上的驅(qū)動(dòng)功率，內(nèi)燃機(jī)的輸出功率等于車輪上的驅(qū)動(dòng)功率，一號(hào)電機(jī)的發(fā)電功率等于二號(hào)電機(jī)的輸出功率，此時(shí)處于驅(qū)動(dòng)功率的平衡狀態(tài)。當(dāng)一號(hào)電機(jī)的發(fā)電功率大于二號(hào)電機(jī)的輸出功率時(shí)可將富余的電力充入動(dòng)力電池中，當(dāng)一號(hào)電機(jī)的發(fā)電功率小于二號(hào)電機(jī)的需求功率時(shí)可將動(dòng)力電池的電力向二號(hào)電機(jī)補(bǔ)償。

PHEV相比非PHEV具有容量較大的動(dòng)力電池，能夠輸出較高功率的電力，容許將二號(hào)電機(jī)的輸出功率設(shè)計(jì)為相對(duì)一號(hào)電機(jī)的發(fā)電功率更大。對(duì)于PHEV車型，驅(qū)動(dòng)功率不再等于內(nèi)燃機(jī)的輸出功率，而是等于內(nèi)燃機(jī)的輸出功率與動(dòng)力電池的輸出之和（如圖4），這是PHEV的加速性能更優(yōu)的主因。然而當(dāng)大容量動(dòng)力電池處于低電量狀態(tài)下，為了防止電池過度放電，二號(hào)電機(jī)的輸出功率需要被限制，同時(shí)提高內(nèi)燃機(jī)直接驅(qū)動(dòng)車輪的機(jī)械功率占驅(qū)動(dòng)功率的比例，以維持原需求功率，此時(shí)一號(hào)電機(jī)的發(fā)電功率等于二號(hào)電機(jī)的實(shí)際輸出功率，相當(dāng)于達(dá)到了上述驅(qū)動(dòng)功率的平衡狀態(tài)，可見PHEV有可能如非PHEV那樣不依賴于外部充電條件。反之，當(dāng)大容量動(dòng)力電池處于高電量狀態(tài)下，控制系統(tǒng)降低內(nèi)燃機(jī)直接驅(qū)動(dòng)車輪的機(jī)械功率占比，并指令二號(hào)電機(jī)負(fù)擔(dān)更大比例的驅(qū)動(dòng)負(fù)荷，在滿足原需求功率的情況下降低內(nèi)燃機(jī)的輸出功率，內(nèi)燃機(jī)可維持在較低的轉(zhuǎn)速下運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)降低油耗和提高行駛靜謐性。PHEV車型還可以通過外接電源充電獲得比自身發(fā)電機(jī)充電更高效的補(bǔ)電方式，攤平部分燃油使用成本并提高車輛的加速性能，這是非PHEV無(wú)法實(shí)現(xiàn)的特點(diǎn)。總之，在不外接充電的條件下，非PHEV憑借阿特金斯循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)獲得更佳的燃油經(jīng)濟(jì)性，PHEV憑借奧托循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)和可外接充電的動(dòng)力電池獲得更快的加速性能。

3、結(jié)語(yǔ)

豐田卡羅拉車型具有非PHEV版本（雙擎）和PHEV版本（雙擎E+），后者的電池容量?jī)H比前者大許多，能夠支持55km的純電續(xù)航里程，但是動(dòng)力參數(shù)和結(jié)構(gòu)沒有變化，說明制造商并沒有針對(duì)PHEV版本選用更大功率的驅(qū)動(dòng)電機(jī)，但至少證明了非PHEV與PHEV在技術(shù)上有共通之處，兩者并非屬于完全不同的技術(shù)路線。而要實(shí)現(xiàn)雙功率分流的混合動(dòng)力方案，也并非必然依賴于以行星齒輪為特征的動(dòng)力分割器，豐田的混合動(dòng)力系統(tǒng)的專利池并沒有將雙功率分流方案完全封死，雙功率分流方案依然存在多種組合方案的可能性。

參考文獻(xiàn)

[1]Chaoying X，Zhiming D U，Cong Z .A Single-Degree-of-Freedom Energy Optimization Strategy for Power-Split Hybrid Electric Vehicles[J].Energies，2017，10（7）：896

[2]皆電.電池研究院：比亞迪第三代DM技術(shù)如何節(jié)油？[EB/OL]https：//chejiahao.autohome.com.cn/info/2733294

[3]涂欽瀚.又一位重磅選手 測(cè)試豐田雷凌雙擎E+[EB/OL]https：//www.autohome.com.cn/drive/201904/934189-3.html？pvareaid=3311702

[4]俊杰.用數(shù)據(jù)來驗(yàn)證實(shí)力 比亞迪秦ProDM深度測(cè)試[EB/OL].http：//www.xchuxing.com/article-48163-1.html