插电式混合动力汽车简析

聊城高级财经职业学校 谌贻龙

插电式混合动力汽车简析

聊城高级财经职业学校 谌贻龙

1 插电式混合动力汽车的优缺点分析

图1 插电式混合动力汽车原理简图

目前，国家对新能源汽车给出了明确的定义，即新能源汽车包括插电式混合动力汽车、纯电动汽车和燃料电池汽车。传统的混合动力汽车由于能量密度较低（动力电池容量一般低于1.5 kWh），因而不需要外接充电，仅籍由制动时回收动能为动力蓄电池充电或利用车辆在低速行驶时发动机的多余功率通过发电机（电动机反转）为动力电池充电。如图1所示，插电式混合动力汽车可以行驶在纯电动模式下，也可以行驶在发动机与驱动电动机共同工作的混合动力模式下。行驶在混合动力模式下时，与普通的混合动力车辆的工作原理并无二致，驱动电动机作为辅助驱动机构，主要起“削峰填谷”的作用，帮助发动机工作在相对稳定的状态下，从而减少车辆的燃油消耗与排放；行驶在纯电动模式时，仅由动力电池组供应能量，从而实现纯电力驱动与零排放，因而在动力电池组电量用尽后需要外接充电，所以称之为插电式混合动力汽车。简单地说，插电式混合动力汽车（Plug-in Hybrid Vehicle，简称PHV）就是介于纯电动汽车与燃油汽车两者之间的一种汽车，既有传统汽车的发动机、变速器、传动系统、油路、油箱，也有纯电动汽车的电池、电动机、控制电路，而且电池容量比较大，有充电接口；它综合了纯电动汽车（EV）和混合动力汽车（HEV）的优点，既可实现纯电动、零排放行驶，也能通过混动模式增加车辆的续驶里程。与非插电式混合动力汽车相比，插电式混合动力汽车的电池容量更大，可以支持行驶的里程更长，如果每次都是短途行驶，有较好的充电条件，插电式混合动力汽车可以不用加油，当做纯电动汽车使用，具有纯电动汽车的优点。与纯电动汽车相比，插电式混合动力汽车的电池容量要小很多，但是其带有传统燃油车的发动机、变速器、传动系统、油路、油箱，因此在无法充电时，只要有加油站就可以一直行驶下去，行驶里程不受充电条件的制约，又具有燃油汽车的优势。插电式混合动力汽车结合了传统混合动力汽车的优点，在提供较长的续航里程（指混合动力模式）的同时也能满足人们用纯电力行驶的需求，起到了良好的能源替代作用，是通向纯电动汽车的必由之路（技术路线）。但由于一辆车内要集成纯电动汽车和燃油汽车两套完整的动力系统，因此插电式混合动力汽车的成本较高，结构复杂，质量也比较大，相对于单纯的燃油汽车和纯电动汽车又有劣势。不过，在充电站大面积普及，充电时间大幅缩短之前，插电式混合动力汽车作为燃油汽车与纯电动汽车之间的过渡产品将长期存在下去。且在后补贴时期，政府补贴减少、消费者里程需求增加、电池成本降幅较小且车辆售价不能上涨，为插电式混合动力汽车提供了发展机遇。但提升插电式混合动力汽车性能混动方案合理化、动力系统集成化、核心部件专用化和控制策略创新等关键核心技术是亟待解决的问题。

2 插电式混合动力汽车与增程式纯电动汽车的差异分析

插电式混合动力汽车经常被人们与纯电动汽车中的增程式纯电动汽车相混淆。插电式混合动力汽车与增程式纯电动汽车的工作模式非常类似，两者都可以由动力电池单独输入能量以行驶在纯电动模式下，且当动力电池容量接近设定的下限后都转由另外一种动力源继续提供车辆所需的能量。但两者有着本质上的区别。插电式混合动力汽车是由混合动力汽车进化而来，它继承了混合动力汽车的大部分特点，但把混合动力汽车的功率型电池替换为了比容量更大的能量型电池，如此一来，动力电池就有足够的能量保证车辆可以在零排放、无油耗的纯电动模式下行驶一定的距离（一般该距离在10 km以上）。而增程式纯电动汽车是在纯电动汽车的基础上开发的电动汽车，之所以称之为增程式纯电动车，是因为车辆追加了增程器，而为车辆追加增程器的目的是为了进一步提升纯电动汽车的续航里程，使其能够尽量避免频繁地停车充电。

图2 插电式混合动力汽车的工作方式

插电式混合动力汽车的工作原理如图2所示。如图2a所示，当动力电池内部电量充足时，整车进入纯电动汽车（EV）模式，能量直接来自于动力电池，仅靠电动机M2驱动整车行驶，不会产生燃料消耗和排放；如图2b所示，当动力电池所储存电量无法满足纯电动工况时，整车进入串联混合动力汽车（HEV）模式，发动机起动，带动电动机M1发电，对动力电池组进行充电，车辆仍由电动机M2驱动行驶，驱动整车增加续驶里程，有适当的燃油消耗；如图2c所示，在需要较高动力输出的加速模式下，发动机起动，离合器吸合，与电动机M2一起驱动车辆行驶，提供更高的输出功率；如图2d所示，在车辆加速行驶时，电动机M2作为发电机使用，将损耗的动能转化为电能储存在动力电池组中，尤其适用于频繁使用加、减速的市区行驶。由此可见插电式混合动力汽车包括纯电动和发动机驱动两种工作模式，发动机要参与整车驱动，是可充电的混合动力电动汽车。

增程式纯电动汽车的工作原理如图3所示。如图3a所示，当动力电池内部电量充足时，整车进入纯电动模式，能量直接来自于动力电池，并通过电动机驱动整车行驶；如图3b所示，当动力电池所储存电量无法满足纯电动工况时，发动机起动，通过发电机对动力电池充电，在整车依然由电动机驱动的前提下增加续驶里程。由此可见，增程式纯电动汽车只有纯电动驱动工作模式，发动机只增程发电，不参与整车驱动，它实际上并不是混合动力，而是混合充电。

图3 增程式纯电动汽车的工作原理

3 插电式混合动力汽车的类型

插电式混合动力汽车根据结构不同可分为以下几种类型。

3.1 增程型插电式混合动力汽车

增程型插电式混合动力汽车（图4）严格来说仍然是电动汽车，车内只有一套电力驱动系统，包括电动机、控制电路、电池。增程型插电式混合动力汽车的电动机直接驱动车轮，发动机则用于驱动发电机给电池进行充电。因为发动机并不直接驱动车轮，因此也不需要变速器，这相当于在普通的电动车上装载了一台汽油/柴油发电机。增程式插电混合动力汽车具有电动汽车的安静、起步转矩大的优点，可以当纯电动汽车使用，在充电方便的条件下只充电、不加油，使用成本较低；相比其他插电式混合动力汽车，增程型插电式混合动力汽车可以不用变速器，成本略有降低；由于带有发动机发电，只要有加油站就可以一直跑下去，在不方便充电的地方也不怕，解决了基础设施不足的问题；因为发动机不直接驱动车轮，发动机转速和车轮转速、车速没有直接关系，通过控制系统优化，可以让发动机一直工作在最佳转速，即使在充电不便时，市内堵车路况下，其油耗也比较低，发动机噪音也可以控制的非常小。当然，增程型插电式混合动力汽车 由于发动机和发电机并不直接驱动车轮，造成了这部分功率的浪费，而发动机和发电机带来的重量并没有减少，譬如，一辆增程型插电式混合动力汽车的发动机功率为50 kW，发电机功率为50 kW，电动机功率为100 kW，整车总功率为200 kW，但是能驱动车轮的功率却只有100 kW；在高速路况下，发动机油耗反而偏高，这是因为高速路况下，如果发动机直接驱动车轮，可以一直工作在最佳工作模式，而增程型插电式混合动力汽车多了一个能量转换过程，能量转换的本身要消耗能量，造成油耗反而偏高。

图4 增程型插电式混合动力汽车

3.2 并联型插电式混合动力汽车

图5 并联型插电式混合动力汽车

并联型插电式混合动力汽车（图5）内有传统的内燃机和电动机2套驱动系统，2套系统既可以同时协调工作，也可以各自单独工作驱动汽车。并联型插电式混合动力汽车大多是在传统燃油汽车的基础上增加电动机、电池、电控系统而成，电动机与发动机共同驱动车轮。车内只有一台电动机，驱动车轮时充当电动机，不驱动车轮给电池充电时充当发电机。并联型插电式混合动力汽车适用于多种不同的行驶工况，尤其适用于复杂的路况；电动机、发动机共同驱动车轮，没有功率浪费的问题，譬如电动机功率为50 kW，发动机功率为100 kW，只要传动系统能够承受，则整车功率就是150 kW；在纯电动工作模式下，同样有纯电动汽车安静、使用成本低的优点，而在混合动力工作模式下，有非常好的起步转矩，加速性能好；因为只是在变速器上增加了一台电动机（分变速器输入端和输出端两种增加方法），在传统燃油汽车的基础上改动较小，成本也比较低。但是，并联型插电式混合动力汽车在混合动力工作模式下，发动机不能保证一直在最佳转速下工作，油耗比较高，只有在堵车时因为可以自带发动机起停功能油耗才会低；因为只有一台电动机，不能同时发电和驱动车轮，所以发动机与电动机共同驱动车轮的工况不能持久，在车辆持续加速时，电池的能量会很快耗尽，转成发动机单独驱动模式。

3.3 混联型插电式混合动力汽车

图6 混联型插电式混合动力汽车

与并联型插电式混合动力汽车一样，混联型插电式混合动力汽车（图6）也有2套驱动系统，但不同的是，混联式有2个电动机。一个电动机仅用于直接驱动车轮，还有一个电动机具有双重角色，当需要极限性能时，充当电动机直接驱动车轮，整车功率就是发动机、2个电动机的功率之和；当电力不足的时候，就充当发电机，给电池充电。因此，混联型插电式混合动力汽车同时具有增程型和并联型插电式混合动力汽车的优点：在纯电动工作模式下具有纯电动汽车安静、使用成本低的优点；在增程模式下，没有“里程焦虑”，而且发动机可以一直控制在最佳转速，油耗低，噪音小，振动小；在并联模式下，2台电动机和1台发动机可以一起工作，三者功率加起来具有非常好的起步和加速性能，是一种比较完美的组合。但是，由于混联型插电式混合动力汽车2台电动机、发动机、变速器一个都不能少，配套的控制电路、电池、传动系统、油路也不能少，总体成本要高于其他类型的插电式混合动力汽车，车的总质量也会大一些；而因为要控制2个电动机和1台发动机，还有不同的工作模式，其控制系统相对要复杂些，成本大大提高。混联型插电式混合动力汽车还可再分前置和前后置两类。前置混联型插电式混合动力汽车的2台电动机和1台发动机都在汽车前部，通过动力分配、离合器控制不同的工作状态。前后置混联型插电式混合动力汽车就是把兼职的电动机与发动机放到一起，另外的纯电动机单独放置，可以在前轮驱动、后轮驱动、四轮驱动3种模式下切换。

其实，长期来看，动力电池、电动机、电控单元的价格一直是在下降的。电控产品符合摩尔定律，下降的速度比较快。而电机和动力电池受到材料的限制，下降的速度比较慢，动力电池每年降价5%左右。未来，随着动力电池、电动机及电控单元价格进一步下降，插电混合动力汽车会越来越接近传统燃油车。当两者价格差距不大的时候，插电混合动力汽车的优势就会显现出来。

2017-02-07）