閆培如，陶元芳，葉青林，師 瑋

（太原科技大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，山西 太原 030024）

0 引言

進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，地球環(huán)境污染加重，石油資源面臨枯竭，而內(nèi)燃機(jī)汽車便是引起這類問題的重要原因之一，內(nèi)燃機(jī)汽車不但消耗石油資源，同時(shí)還排放出CO2、NOx和CO等有害氣體。統(tǒng)計(jì)報(bào)告顯示，內(nèi)燃機(jī)汽車的使用量一直在持續(xù)增加，目前全球已經(jīng)達(dá)到8．2億輛。節(jié)約石油資源、減排溫室氣體和保護(hù)大氣環(huán)境是傳統(tǒng)汽車工業(yè)面對(duì)的三大挑戰(zhàn)。為了降低汽車對(duì)石油的依賴、降低燃油消耗和減少尾氣排放，近年來(lái)世界各國(guó)不約而同地給予電動(dòng)汽車政策上的大力支持，這讓很多汽車企業(yè)將純電動(dòng)汽車作為其發(fā)展的終極目標(biāo)。但從市場(chǎng)反應(yīng)和技術(shù)發(fā)展方面來(lái)看，各大車企還是很實(shí)際地將最近目標(biāo)設(shè)定為插電式混合動(dòng)力汽車，其原因有以下幾點(diǎn)：①由于充電基礎(chǔ)設(shè)施不夠完善，充電時(shí)間較長(zhǎng)等因素，純電動(dòng)汽車的發(fā)展受到了一定的限制；②在城市充電樁建設(shè)不可能在短時(shí)間內(nèi)滿足人們?nèi)粘Ｐ枨蟮臓顟B(tài)下，插電式混合動(dòng)力汽車被認(rèn)為是較好的解決方法，甚至被認(rèn)為是必不可少的過渡車型。

中國(guó)汽車工業(yè)協(xié)會(huì)公布的數(shù)據(jù)顯示，2014年上半年，我國(guó)新能源汽車銷售20 477輛，比上年同期增長(zhǎng)2．2倍。其中插電式混合動(dòng)力汽車銷售8 700輛，占42．5%。以上數(shù)據(jù)顯示，在沒有購(gòu)買條件限制的新能源汽車市場(chǎng)中，消費(fèi)者更愿意選擇插電式混合動(dòng)力汽車，加之國(guó)家出臺(tái)政策對(duì)插電式混合動(dòng)力汽車進(jìn)行補(bǔ)貼，更加推動(dòng)了插電式混合動(dòng)力汽車的發(fā)展［1］。

1 插電式混合動(dòng)力汽車與傳統(tǒng)混合動(dòng)力汽車和純電動(dòng)汽車比較

1．1 傳統(tǒng)混合動(dòng)力汽車［2－3］

傳統(tǒng)混合動(dòng)力汽車（Hybrid Electrical Vehicle，簡(jiǎn)稱HEV）是指同時(shí)裝有兩套動(dòng)力來(lái)源——熱動(dòng)力源（由傳統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)產(chǎn)生）與電動(dòng)力源（不能用電網(wǎng)直接充電的蓄電池產(chǎn)生）的汽車。下面以串聯(lián)式混合動(dòng)力汽車為例進(jìn)行描述。

通過在傳統(tǒng)汽車上加裝電機(jī)，使得汽車可以實(shí)現(xiàn)以下幾種動(dòng)力模式：①通過內(nèi)燃機(jī)帶動(dòng)電機(jī)為蓄電池進(jìn)行充電，再由蓄電池提供整車所需要的動(dòng)力；②由內(nèi)燃機(jī)直接提供整車所需的動(dòng)力；③內(nèi)燃機(jī)和蓄電池組同時(shí)提供動(dòng)力。在行駛過程中動(dòng)力系統(tǒng)可以依照整車的實(shí)際行駛工況需求靈活控制動(dòng)力輸出模式，而發(fā)動(dòng)機(jī)一直保持在綜合性能最佳的區(qū)域內(nèi)工作，該區(qū)域?yàn)槠嚤扔秃淖畹?、污染最小的區(qū)域，從而達(dá)到了節(jié)能減排的效果，而且其動(dòng)力性要優(yōu)于普通的內(nèi)燃機(jī)汽車。

雖然傳統(tǒng)的混合動(dòng)力汽車有明顯的節(jié)能環(huán)保效果，但是其蓄電池只是作為輔助的動(dòng)力系統(tǒng)，而且其需要由內(nèi)燃機(jī)為其充電，不能脫離對(duì)石油的依賴，因此在2010年6月，財(cái)政部、科技部、工信部和發(fā)改委四部委已經(jīng)達(dá)成共識(shí)，明確將插電式混合動(dòng)力汽車、純電動(dòng)汽車、燃料電池汽車劃為新能源汽車，非插電式的傳統(tǒng)混合動(dòng)力汽車被劃為節(jié)能汽車而非新能源汽車。

1．2 純電動(dòng)汽車［4］

純電 動(dòng) 汽 車 （Battery Electric Vehicles，簡(jiǎn) 稱BEV）就是完全由可充電電池提供動(dòng)力驅(qū)動(dòng)車輪行駛的汽車。純電動(dòng)汽車的構(gòu)成包含電力驅(qū)動(dòng)及控制系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)力傳動(dòng)機(jī)械系統(tǒng)等。電力驅(qū)動(dòng)及控制系統(tǒng)是純電動(dòng)汽車的核心成分，也是區(qū)別于內(nèi)燃機(jī)汽車的最大不同點(diǎn)。純電動(dòng)汽車完全不依賴石油并且完全沒有尾氣排放，將是未來(lái)汽車行業(yè)的主旋律。但目前電池容量不足和充電基礎(chǔ)設(shè)施不完善成為制約純電動(dòng)汽車發(fā)展的主要因素。

1．3 插電式混合動(dòng)力汽車［5］

插電式混合動(dòng)力汽車 （Plug－in Hybrid Electric Vehicle，簡(jiǎn)稱PHEV）是一種新型的混合動(dòng)力汽車。它是一種可以加油、也可以充電的混合動(dòng)力汽車，區(qū)別于傳統(tǒng)使用內(nèi)燃機(jī)發(fā)電、電池輔助內(nèi)燃機(jī)的混合動(dòng)力汽車，插電式混合動(dòng)力汽車是首先選擇蓄電池為汽車提供動(dòng)力，當(dāng)蓄電池的電量達(dá)到指定的下限時(shí)，才開啟內(nèi)燃機(jī)為汽車提供動(dòng)力，所以PHEV有一塊比傳統(tǒng)混合動(dòng)力汽車蓄電池更大的蓄電池，不僅保證日常行程可以完全使用電力驅(qū)動(dòng)，而且駕駛員沒有長(zhǎng)途行駛的后顧之憂（蓄電池電量問題），當(dāng)蓄電池電量低時(shí)，可以開啟內(nèi)燃機(jī)為汽車提供動(dòng)力。

PHEV在傳統(tǒng)的混合動(dòng)力汽車的基礎(chǔ)上向節(jié)能環(huán)保又邁進(jìn)一步。首先，其可以在夜間用電低谷時(shí)使用外部電網(wǎng)對(duì)車載動(dòng)力電池進(jìn)行充電，這樣不僅能改善電廠發(fā)電機(jī)組效率問題，而且還可以大大降低汽車對(duì)石油的依賴，同時(shí)用電的費(fèi)用比燃燒石油更加便宜，因此可以大幅度地降低汽車的使用成本；其次，PHEV的動(dòng)力形式介于傳統(tǒng)混合動(dòng)力電動(dòng)汽車和純電動(dòng)汽車之間，行駛里程長(zhǎng)時(shí)采用以內(nèi)燃機(jī)為主、蓄電池為輔的混合動(dòng)力模式，行駛里程相對(duì)較短時(shí)采用純電動(dòng)模式，這樣不僅能夠保證普通人們?nèi)粘５鸟{駛行程，同時(shí)可以確保車主在較長(zhǎng)里程的正常行駛；最后，PHEV不僅具有純電動(dòng)汽車的低噪聲和低排放的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)具有內(nèi)燃機(jī)汽車的行駛里程保證。綜合上述諸多優(yōu)點(diǎn)，插電式混合動(dòng)力汽車無(wú)疑是一種很有發(fā)展前景的混合動(dòng)力汽車，也是傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車向節(jié)能減排的電動(dòng)汽車過渡的最有效的方案之一。

1．4 3種動(dòng)力汽車的比較

純電動(dòng)汽車、傳統(tǒng)混合動(dòng)力汽車和插電式混合動(dòng)力汽車優(yōu)、缺點(diǎn)的比較如表1所示。

2 插電式混合動(dòng)力汽車動(dòng)力系統(tǒng)分類及原理［6］

本文主要以油電混合動(dòng)力汽車作為研究對(duì)象進(jìn)行分析討論，將其分為串聯(lián)插電式混合動(dòng)力汽車和并聯(lián)插電式混合動(dòng)力汽車，下面分別對(duì)這兩種類型混合動(dòng)力汽車的工作原理進(jìn)行介紹。

表1 3種汽車優(yōu)、缺點(diǎn)比較

2．1 串聯(lián)插電式混合動(dòng)力汽車

串聯(lián)式混合動(dòng)力汽車的工作原理是：用傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)直接通過發(fā)電機(jī)發(fā)電，再通過控制系統(tǒng)將能量傳遞給電動(dòng)機(jī)，而蓄電池組的電能也是通過控制器傳遞給電動(dòng)機(jī)的，最后完全由電動(dòng)機(jī)提供的動(dòng)力驅(qū)動(dòng)汽車?；谶@種能量傳遞形式，所以稱之為串聯(lián)插電式混合動(dòng)力汽車。在此模式下發(fā)動(dòng)機(jī)可以一直處于最佳的工作狀態(tài)，產(chǎn)生較為明顯的節(jié)能減排效果。具體工作方式如下：在汽車處于啟動(dòng)、提速、上坡等需要大功率輸出的工況時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)－發(fā)電機(jī)組和電池組共同向電動(dòng)機(jī)提供能量，以實(shí)現(xiàn)較高的動(dòng)力性能；在車輛處于慢速、滑行、怠速的工況時(shí)，則由電池組單獨(dú)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)，此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)處于關(guān)閉狀態(tài)；當(dāng)電池組處于低電量時(shí)開啟發(fā)動(dòng)機(jī)為驅(qū)動(dòng)車輪提供能量，蓄電池組與控制器之間的能量是雙向流通，此時(shí)可以將發(fā)電機(jī)輸出的除驅(qū)動(dòng)車輪使用能量外的多余部分電能用來(lái)為蓄電池組充電。串聯(lián)式混合動(dòng)力汽車的工作原理決定了其比較適合城市內(nèi)交通擁堵頻繁起步、制動(dòng)和低速行駛的駕駛工況，而且不會(huì)影響發(fā)動(dòng)機(jī)處于最佳的工作狀態(tài)，通過調(diào)整電池和電動(dòng)機(jī)的輸出功率來(lái)達(dá)到調(diào)整車速的目的。該模式使發(fā)動(dòng)機(jī)避免了怠速和低速運(yùn)轉(zhuǎn)，從而提高了發(fā)動(dòng)機(jī)的效率，減少了廢氣排放；同時(shí)串聯(lián)式可以避免機(jī)械耦合，所以整車的設(shè)計(jì)布置比較簡(jiǎn)單。但其需要兩次能量轉(zhuǎn)換（首先由化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能，再由電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能），由于機(jī)械轉(zhuǎn)換效率偏低，因此串聯(lián)式混合動(dòng)力汽車的節(jié)油效果不太明顯。串聯(lián)式混合動(dòng)力汽車的動(dòng)力傳遞框圖如圖1所示。

圖1 串聯(lián)式混合動(dòng)力汽車動(dòng)力傳遞框圖

2．2 并聯(lián)插電式混合動(dòng)力汽車

并聯(lián)插電式混合動(dòng)力汽車是在內(nèi)燃機(jī)的基礎(chǔ)上加上蓄電池組和電機(jī)組成的，這一類插電式混合動(dòng)力汽車內(nèi)有兩套驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，電動(dòng)機(jī)與內(nèi)燃機(jī)可以單獨(dú)驅(qū)動(dòng)車輪也可以共同驅(qū)動(dòng)車輪，兩個(gè)動(dòng)力系統(tǒng)同時(shí)工作時(shí)，以機(jī)械方式實(shí)現(xiàn)動(dòng)力耦合，動(dòng)力的流向?yàn)椴⒙?lián)，所以稱之為并聯(lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng)。并聯(lián)式混合動(dòng)力汽車日常使用可以作為電動(dòng)車，當(dāng)汽車需要較高的動(dòng)力性能時(shí)同時(shí)使用內(nèi)燃機(jī)和蓄電池組為汽車提供動(dòng)力。這類汽車不僅動(dòng)力性能強(qiáng)大（由于電機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)可以同時(shí)加速），而且還具有純電動(dòng)汽車污染小、噪聲低等優(yōu)點(diǎn)，但是由于該種動(dòng)力系統(tǒng)需要機(jī)械耦合，因此設(shè)計(jì)安裝比較復(fù)雜。并聯(lián)式混合動(dòng)力汽車的動(dòng)力傳遞框圖如圖2所示。

3 插電式混合動(dòng)力汽車的工作模式［7］

依據(jù)汽車上蓄電池組荷電狀態(tài)（蓄電池剩余電量與其完全充電狀態(tài)的電量的比值）的變化狀況，可以將插電式混合動(dòng)力汽車工作模式分為電量損耗和一般電池充電兩種模式，其中電量損耗模式又可分為純電動(dòng)損耗和混合動(dòng)力損耗兩種子模式。

圖2 并聯(lián)式混合動(dòng)力汽車動(dòng)力傳遞框圖

（1）車輛首先用到電量損耗模式。在電量損耗模式中，PHEV根據(jù)整車的功率需求來(lái)選擇純電動(dòng)或混合動(dòng)力子模式。在“電量損耗—純電動(dòng)”子模式中，發(fā)動(dòng)機(jī)是徹底關(guān)閉的，蓄電池是唯一的能量來(lái)源，電池組的荷電狀態(tài)降低，整車一般只能達(dá)到部分動(dòng)力性指標(biāo)，該模式適合于啟動(dòng)、低速和低負(fù)荷的行駛工況。在“電量損耗—混合動(dòng)力”子模式中，發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)同時(shí)工作，蓄電池提供整車功率需求的主要部分，電池的荷電狀態(tài)也在降低，發(fā)動(dòng)機(jī)用來(lái)補(bǔ)充蓄電池輸出功率不足的部分，直至電池的荷電狀態(tài)達(dá)到最小允許值，該模式適合高速，尤其是要求全面達(dá)到動(dòng)力性指標(biāo)的行駛工況。

（2）在一般充電模式下，汽車處于熄火狀態(tài)，利用外界電網(wǎng)為其蓄電池組進(jìn)行充電。

“電量消耗—純電動(dòng)”和“電量消耗—混合動(dòng)力”模式之間能夠根據(jù)整車管理策略進(jìn)行無(wú)縫切換，切換的主要依據(jù)是整車功率需求和電池的荷電狀態(tài)，這樣可以有效而且充分地利用電池的能量，減少石油的使用以及廢氣的排放。

4 結(jié)語(yǔ)

插電式混合動(dòng)力汽車介于傳統(tǒng)混合動(dòng)力汽車和純電動(dòng)汽車之間，同時(shí)具備了兩者的大部分優(yōu)點(diǎn)，不僅可以有效地降低燃油消耗和有害氣體排放，而且噪聲較小、排放較少，是現(xiàn)階段可行性較高的一種清潔節(jié)能、使用方便的車輛。插電式混合動(dòng)力汽車和純電動(dòng)汽車同樣面臨有電池容量小、價(jià)格較高的阻礙，但是隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，插電式混合動(dòng)力汽車將成為混合動(dòng)力汽車的重要成分，最后會(huì)向純電動(dòng)汽車邁進(jìn)。

［1］ 陳樂．插電式混合動(dòng)力汽車的春天來(lái)了［J］．交通世界（運(yùn)輸車輛），2013（6）：28－32．

［2］ 陳宏昌，楊建華．汽車混合動(dòng)力技術(shù)的分類及工作原理［J］．汽車通用，2010（4）：31．

［3］ 吳韶建，陶元芳．增程式電動(dòng)汽車的概念與設(shè)計(jì)方案［J］．機(jī)械工程與自動(dòng)化，2010（5）：209－213．

［4］ 蘇文瑾，陶元芳．電動(dòng)汽車動(dòng)力裝置的設(shè)計(jì)方案［J］．機(jī)械工程與自動(dòng)化，2010（6）：194－198．

［5］ 徐艷民．插電式混合動(dòng)力汽車相關(guān)技術(shù)與前景展望［J］．機(jī)電工程技術(shù)，2011（12）：116－118．

［6］ 楊奕武．插電式混合動(dòng)力車前景光明［J］．汽車與配件，2012（33）：21－23．

［7］ 胡歡．插電式混合動(dòng)力汽車現(xiàn)狀［J］．城市車輛，2009（7）：43－44．