节能环保汽车——插电式混合动力汽车❋

闫培如，陶元芳，叶青林，师 玮

（太原科技大学 机械工程学院，山西 太原 030024）

0 引言

进入21世纪以来，地球环境污染加重，石油资源面临枯竭，而内燃机汽车便是引起这类问题的重要原因之一，内燃机汽车不但消耗石油资源，同时还排放出CO2、NOx和CO等有害气体。统计报告显示，内燃机汽车的使用量一直在持续增加，目前全球已经达到8．2亿辆。节约石油资源、减排温室气体和保护大气环境是传统汽车工业面对的三大挑战。为了降低汽车对石油的依赖、降低燃油消耗和减少尾气排放，近年来世界各国不约而同地给予电动汽车政策上的大力支持，这让很多汽车企业将纯电动汽车作为其发展的终极目标。但从市场反应和技术发展方面来看，各大车企还是很实际地将最近目标设定为插电式混合动力汽车，其原因有以下几点：①由于充电基础设施不够完善，充电时间较长等因素，纯电动汽车的发展受到了一定的限制；②在城市充电桩建设不可能在短时间内满足人们日常需求的状态下，插电式混合动力汽车被认为是较好的解决方法，甚至被认为是必不可少的过渡车型。

中国汽车工业协会公布的数据显示，2014年上半年，我国新能源汽车销售20 477辆，比上年同期增长2．2倍。其中插电式混合动力汽车销售8 700辆，占42．5%。以上数据显示，在没有购买条件限制的新能源汽车市场中，消费者更愿意选择插电式混合动力汽车，加之国家出台政策对插电式混合动力汽车进行补贴，更加推动了插电式混合动力汽车的发展［1］。

1 插电式混合动力汽车与传统混合动力汽车和纯电动汽车比较

1．1 传统混合动力汽车［2－3］

传统混合动力汽车（Hybrid Electrical Vehicle，简称HEV）是指同时装有两套动力来源——热动力源（由传统的内燃机产生）与电动力源（不能用电网直接充电的蓄电池产生）的汽车。下面以串联式混合动力汽车为例进行描述。

通过在传统汽车上加装电机，使得汽车可以实现以下几种动力模式：①通过内燃机带动电机为蓄电池进行充电，再由蓄电池提供整车所需要的动力；②由内燃机直接提供整车所需的动力；③内燃机和蓄电池组同时提供动力。在行驶过程中动力系统可以依照整车的实际行驶工况需求灵活控制动力输出模式，而发动机一直保持在综合性能最佳的区域内工作，该区域为汽车比油耗最低、污染最小的区域，从而达到了节能减排的效果，而且其动力性要优于普通的内燃机汽车。

虽然传统的混合动力汽车有明显的节能环保效果，但是其蓄电池只是作为辅助的动力系统，而且其需要由内燃机为其充电，不能脱离对石油的依赖，因此在2010年6月，财政部、科技部、工信部和发改委四部委已经达成共识，明确将插电式混合动力汽车、纯电动汽车、燃料电池汽车划为新能源汽车，非插电式的传统混合动力汽车被划为节能汽车而非新能源汽车。

1．2 纯电动汽车［4］

纯电 动 汽 车 （Battery Electric Vehicles，简 称BEV）就是完全由可充电电池提供动力驱动车轮行驶的汽车。纯电动汽车的构成包含电力驱动及控制系统、驱动力传动机械系统等。电力驱动及控制系统是纯电动汽车的核心成分，也是区别于内燃机汽车的最大不同点。纯电动汽车完全不依赖石油并且完全没有尾气排放，将是未来汽车行业的主旋律。但目前电池容量不足和充电基础设施不完善成为制约纯电动汽车发展的主要因素。

1．3 插电式混合动力汽车［5］

插电式混合动力汽车 （Plug－in Hybrid Electric Vehicle，简称PHEV）是一种新型的混合动力汽车。它是一种可以加油、也可以充电的混合动力汽车，区别于传统使用内燃机发电、电池辅助内燃机的混合动力汽车，插电式混合动力汽车是首先选择蓄电池为汽车提供动力，当蓄电池的电量达到指定的下限时，才开启内燃机为汽车提供动力，所以PHEV有一块比传统混合动力汽车蓄电池更大的蓄电池，不仅保证日常行程可以完全使用电力驱动，而且驾驶员没有长途行驶的后顾之忧（蓄电池电量问题），当蓄电池电量低时，可以开启内燃机为汽车提供动力。

PHEV在传统的混合动力汽车的基础上向节能环保又迈进一步。首先，其可以在夜间用电低谷时使用外部电网对车载动力电池进行充电，这样不仅能改善电厂发电机组效率问题，而且还可以大大降低汽车对石油的依赖，同时用电的费用比燃烧石油更加便宜，因此可以大幅度地降低汽车的使用成本；其次，PHEV的动力形式介于传统混合动力电动汽车和纯电动汽车之间，行驶里程长时采用以内燃机为主、蓄电池为辅的混合动力模式，行驶里程相对较短时采用纯电动模式，这样不仅能够保证普通人们日常的驾驶行程，同时可以确保车主在较长里程的正常行驶；最后，PHEV不仅具有纯电动汽车的低噪声和低排放的优点，同时具有内燃机汽车的行驶里程保证。综合上述诸多优点，插电式混合动力汽车无疑是一种很有发展前景的混合动力汽车，也是传统内燃机汽车向节能减排的电动汽车过渡的最有效的方案之一。

1．4 3种动力汽车的比较

纯电动汽车、传统混合动力汽车和插电式混合动力汽车优、缺点的比较如表1所示。

2 插电式混合动力汽车动力系统分类及原理［6］

本文主要以油电混合动力汽车作为研究对象进行分析讨论，将其分为串联插电式混合动力汽车和并联插电式混合动力汽车，下面分别对这两种类型混合动力汽车的工作原理进行介绍。

表1 3种汽车优、缺点比较

2．1 串联插电式混合动力汽车

串联式混合动力汽车的工作原理是：用传统内燃机直接通过发电机发电，再通过控制系统将能量传递给电动机，而蓄电池组的电能也是通过控制器传递给电动机的，最后完全由电动机提供的动力驱动汽车。基于这种能量传递形式，所以称之为串联插电式混合动力汽车。在此模式下发动机可以一直处于最佳的工作状态，产生较为明显的节能减排效果。具体工作方式如下：在汽车处于启动、提速、上坡等需要大功率输出的工况时，发动机－发电机组和电池组共同向电动机提供能量，以实现较高的动力性能；在车辆处于慢速、滑行、怠速的工况时，则由电池组单独驱动电动机，此时发动机处于关闭状态；当电池组处于低电量时开启发动机为驱动车轮提供能量，蓄电池组与控制器之间的能量是双向流通，此时可以将发电机输出的除驱动车轮使用能量外的多余部分电能用来为蓄电池组充电。串联式混合动力汽车的工作原理决定了其比较适合城市内交通拥堵频繁起步、制动和低速行驶的驾驶工况，而且不会影响发动机处于最佳的工作状态，通过调整电池和电动机的输出功率来达到调整车速的目的。该模式使发动机避免了怠速和低速运转，从而提高了发动机的效率，减少了废气排放；同时串联式可以避免机械耦合，所以整车的设计布置比较简单。但其需要两次能量转换（首先由化学能转化为电能，再由电能转化为机械能），由于机械转换效率偏低，因此串联式混合动力汽车的节油效果不太明显。串联式混合动力汽车的动力传递框图如图1所示。

图1 串联式混合动力汽车动力传递框图

2．2 并联插电式混合动力汽车

并联插电式混合动力汽车是在内燃机的基础上加上蓄电池组和电机组成的，这一类插电式混合动力汽车内有两套驱动系统，电动机与内燃机可以单独驱动车轮也可以共同驱动车轮，两个动力系统同时工作时，以机械方式实现动力耦合，动力的流向为并联，所以称之为并联式混合动力系统。并联式混合动力汽车日常使用可以作为电动车，当汽车需要较高的动力性能时同时使用内燃机和蓄电池组为汽车提供动力。这类汽车不仅动力性能强大（由于电机和发动机可以同时加速），而且还具有纯电动汽车污染小、噪声低等优点，但是由于该种动力系统需要机械耦合，因此设计安装比较复杂。并联式混合动力汽车的动力传递框图如图2所示。

3 插电式混合动力汽车的工作模式［7］

依据汽车上蓄电池组荷电状态（蓄电池剩余电量与其完全充电状态的电量的比值）的变化状况，可以将插电式混合动力汽车工作模式分为电量损耗和一般电池充电两种模式，其中电量损耗模式又可分为纯电动损耗和混合动力损耗两种子模式。

图2 并联式混合动力汽车动力传递框图

（1）车辆首先用到电量损耗模式。在电量损耗模式中，PHEV根据整车的功率需求来选择纯电动或混合动力子模式。在“电量损耗—纯电动”子模式中，发动机是彻底关闭的，蓄电池是唯一的能量来源，电池组的荷电状态降低，整车一般只能达到部分动力性指标，该模式适合于启动、低速和低负荷的行驶工况。在“电量损耗—混合动力”子模式中，发动机和电机同时工作，蓄电池提供整车功率需求的主要部分，电池的荷电状态也在降低，发动机用来补充蓄电池输出功率不足的部分，直至电池的荷电状态达到最小允许值，该模式适合高速，尤其是要求全面达到动力性指标的行驶工况。

（2）在一般充电模式下，汽车处于熄火状态，利用外界电网为其蓄电池组进行充电。

“电量消耗—纯电动”和“电量消耗—混合动力”模式之间能够根据整车管理策略进行无缝切换，切换的主要依据是整车功率需求和电池的荷电状态，这样可以有效而且充分地利用电池的能量，减少石油的使用以及废气的排放。

4 结语

插电式混合动力汽车介于传统混合动力汽车和纯电动汽车之间，同时具备了两者的大部分优点，不仅可以有效地降低燃油消耗和有害气体排放，而且噪声较小、排放较少，是现阶段可行性较高的一种清洁节能、使用方便的车辆。插电式混合动力汽车和纯电动汽车同样面临有电池容量小、价格较高的阻碍，但是随着科学技术的不断发展，插电式混合动力汽车将成为混合动力汽车的重要成分，最后会向纯电动汽车迈进。

［1］ 陈乐．插电式混合动力汽车的春天来了［J］．交通世界（运输车辆），2013（6）：28－32．

［2］ 陈宏昌，杨建华．汽车混合动力技术的分类及工作原理［J］．汽车通用，2010（4）：31．

［3］ 吴韶建，陶元芳．增程式电动汽车的概念与设计方案［J］．机械工程与自动化，2010（5）：209－213．

［4］ 苏文瑾，陶元芳．电动汽车动力装置的设计方案［J］．机械工程与自动化，2010（6）：194－198．

［5］ 徐艳民．插电式混合动力汽车相关技术与前景展望［J］．机电工程技术，2011（12）：116－118．

［6］ 杨奕武．插电式混合动力车前景光明［J］．汽车与配件，2012（33）：21－23．

［7］ 胡欢．插电式混合动力汽车现状［J］．城市车辆，2009（7）：43－44．