聊城高級(jí)財(cái)經(jīng)職業(yè)學(xué)校 諶貽龍

插電式混合動(dòng)力汽車簡(jiǎn)析

聊城高級(jí)財(cái)經(jīng)職業(yè)學(xué)校 諶貽龍

1 插電式混合動(dòng)力汽車的優(yōu)缺點(diǎn)分析

圖1 插電式混合動(dòng)力汽車原理簡(jiǎn)圖

目前，國(guó)家對(duì)新能源汽車給出了明確的定義，即新能源汽車包括插電式混合動(dòng)力汽車、純電動(dòng)汽車和燃料電池汽車。傳統(tǒng)的混合動(dòng)力汽車由于能量密度較低（動(dòng)力電池容量一般低于1.5 kWh），因而不需要外接充電，僅籍由制動(dòng)時(shí)回收動(dòng)能為動(dòng)力蓄電池充電或利用車輛在低速行駛時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)的多余功率通過發(fā)電機(jī)（電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)）為動(dòng)力電池充電。如圖1所示，插電式混合動(dòng)力汽車可以行駛在純電動(dòng)模式下，也可以行駛在發(fā)動(dòng)機(jī)與驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)共同工作的混合動(dòng)力模式下。行駛在混合動(dòng)力模式下時(shí)，與普通的混合動(dòng)力車輛的工作原理并無二致，驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)作為輔助驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，主要起“削峰填谷”的作用，幫助發(fā)動(dòng)機(jī)工作在相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)下，從而減少車輛的燃油消耗與排放；行駛在純電動(dòng)模式時(shí)，僅由動(dòng)力電池組供應(yīng)能量，從而實(shí)現(xiàn)純電力驅(qū)動(dòng)與零排放，因而在動(dòng)力電池組電量用盡后需要外接充電，所以稱之為插電式混合動(dòng)力汽車。簡(jiǎn)單地說，插電式混合動(dòng)力汽車（Plug-in Hybrid Vehicle，簡(jiǎn)稱PHV）就是介于純電動(dòng)汽車與燃油汽車兩者之間的一種汽車，既有傳統(tǒng)汽車的發(fā)動(dòng)機(jī)、變速器、傳動(dòng)系統(tǒng)、油路、油箱，也有純電動(dòng)汽車的電池、電動(dòng)機(jī)、控制電路，而且電池容量比較大，有充電接口；它綜合了純電動(dòng)汽車（EV）和混合動(dòng)力汽車（HEV）的優(yōu)點(diǎn)，既可實(shí)現(xiàn)純電動(dòng)、零排放行駛，也能通過混動(dòng)模式增加車輛的續(xù)駛里程。與非插電式混合動(dòng)力汽車相比，插電式混合動(dòng)力汽車的電池容量更大，可以支持行駛的里程更長(zhǎng)，如果每次都是短途行駛，有較好的充電條件，插電式混合動(dòng)力汽車可以不用加油，當(dāng)做純電動(dòng)汽車使用，具有純電動(dòng)汽車的優(yōu)點(diǎn)。與純電動(dòng)汽車相比，插電式混合動(dòng)力汽車的電池容量要小很多，但是其帶有傳統(tǒng)燃油車的發(fā)動(dòng)機(jī)、變速器、傳動(dòng)系統(tǒng)、油路、油箱，因此在無法充電時(shí)，只要有加油站就可以一直行駛下去，行駛里程不受充電條件的制約，又具有燃油汽車的優(yōu)勢(shì)。插電式混合動(dòng)力汽車結(jié)合了傳統(tǒng)混合動(dòng)力汽車的優(yōu)點(diǎn)，在提供較長(zhǎng)的續(xù)航里程（指混合動(dòng)力模式）的同時(shí)也能滿足人們用純電力行駛的需求，起到了良好的能源替代作用，是通向純電動(dòng)汽車的必由之路（技術(shù)路線）。但由于一輛車內(nèi)要集成純電動(dòng)汽車和燃油汽車兩套完整的動(dòng)力系統(tǒng)，因此插電式混合動(dòng)力汽車的成本較高，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，質(zhì)量也比較大，相對(duì)于單純的燃油汽車和純電動(dòng)汽車又有劣勢(shì)。不過，在充電站大面積普及，充電時(shí)間大幅縮短之前，插電式混合動(dòng)力汽車作為燃油汽車與純電動(dòng)汽車之間的過渡產(chǎn)品將長(zhǎng)期存在下去。且在后補(bǔ)貼時(shí)期，政府補(bǔ)貼減少、消費(fèi)者里程需求增加、電池成本降幅較小且車輛售價(jià)不能上漲，為插電式混合動(dòng)力汽車提供了發(fā)展機(jī)遇。但提升插電式混合動(dòng)力汽車性能混動(dòng)方案合理化、動(dòng)力系統(tǒng)集成化、核心部件專用化和控制策略創(chuàng)新等關(guān)鍵核心技術(shù)是亟待解決的問題。

2 插電式混合動(dòng)力汽車與增程式純電動(dòng)汽車的差異分析

插電式混合動(dòng)力汽車經(jīng)常被人們與純電動(dòng)汽車中的增程式純電動(dòng)汽車相混淆。插電式混合動(dòng)力汽車與增程式純電動(dòng)汽車的工作模式非常類似，兩者都可以由動(dòng)力電池單獨(dú)輸入能量以行駛在純電動(dòng)模式下，且當(dāng)動(dòng)力電池容量接近設(shè)定的下限后都轉(zhuǎn)由另外一種動(dòng)力源繼續(xù)提供車輛所需的能量。但兩者有著本質(zhì)上的區(qū)別。插電式混合動(dòng)力汽車是由混合動(dòng)力汽車進(jìn)化而來，它繼承了混合動(dòng)力汽車的大部分特點(diǎn)，但把混合動(dòng)力汽車的功率型電池替換為了比容量更大的能量型電池，如此一來，動(dòng)力電池就有足夠的能量保證車輛可以在零排放、無油耗的純電動(dòng)模式下行駛一定的距離（一般該距離在10 km以上）。而增程式純電動(dòng)汽車是在純電動(dòng)汽車的基礎(chǔ)上開發(fā)的電動(dòng)汽車，之所以稱之為增程式純電動(dòng)車，是因?yàn)檐囕v追加了增程器，而為車輛追加增程器的目的是為了進(jìn)一步提升純電動(dòng)汽車的續(xù)航里程，使其能夠盡量避免頻繁地停車充電。

圖2 插電式混合動(dòng)力汽車的工作方式

插電式混合動(dòng)力汽車的工作原理如圖2所示。如圖2a所示，當(dāng)動(dòng)力電池內(nèi)部電量充足時(shí)，整車進(jìn)入純電動(dòng)汽車（EV）模式，能量直接來自于動(dòng)力電池，僅靠電動(dòng)機(jī)M2驅(qū)動(dòng)整車行駛，不會(huì)產(chǎn)生燃料消耗和排放；如圖2b所示，當(dāng)動(dòng)力電池所儲(chǔ)存電量無法滿足純電動(dòng)工況時(shí)，整車進(jìn)入串聯(lián)混合動(dòng)力汽車（HEV）模式，發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)，帶動(dòng)電動(dòng)機(jī)M1發(fā)電，對(duì)動(dòng)力電池組進(jìn)行充電，車輛仍由電動(dòng)機(jī)M2驅(qū)動(dòng)行駛，驅(qū)動(dòng)整車增加續(xù)駛里程，有適當(dāng)?shù)娜加拖?；如圖2c所示，在需要較高動(dòng)力輸出的加速模式下，發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)，離合器吸合，與電動(dòng)機(jī)M2一起驅(qū)動(dòng)車輛行駛，提供更高的輸出功率；如圖2d所示，在車輛加速行駛時(shí)，電動(dòng)機(jī)M2作為發(fā)電機(jī)使用，將損耗的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能儲(chǔ)存在動(dòng)力電池組中，尤其適用于頻繁使用加、減速的市區(qū)行駛。由此可見插電式混合動(dòng)力汽車包括純電動(dòng)和發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)兩種工作模式，發(fā)動(dòng)機(jī)要參與整車驅(qū)動(dòng)，是可充電的混合動(dòng)力電動(dòng)汽車。

增程式純電動(dòng)汽車的工作原理如圖3所示。如圖3a所示，當(dāng)動(dòng)力電池內(nèi)部電量充足時(shí)，整車進(jìn)入純電動(dòng)模式，能量直接來自于動(dòng)力電池，并通過電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)整車行駛；如圖3b所示，當(dāng)動(dòng)力電池所儲(chǔ)存電量無法滿足純電動(dòng)工況時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)，通過發(fā)電機(jī)對(duì)動(dòng)力電池充電，在整車依然由電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的前提下增加續(xù)駛里程。由此可見，增程式純電動(dòng)汽車只有純電動(dòng)驅(qū)動(dòng)工作模式，發(fā)動(dòng)機(jī)只增程發(fā)電，不參與整車驅(qū)動(dòng)，它實(shí)際上并不是混合動(dòng)力，而是混合充電。

圖3 增程式純電動(dòng)汽車的工作原理

3 插電式混合動(dòng)力汽車的類型

插電式混合動(dòng)力汽車根據(jù)結(jié)構(gòu)不同可分為以下幾種類型。

3.1 增程型插電式混合動(dòng)力汽車

增程型插電式混合動(dòng)力汽車（圖4）嚴(yán)格來說仍然是電動(dòng)汽車，車內(nèi)只有一套電力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，包括電動(dòng)機(jī)、控制電路、電池。增程型插電式混合動(dòng)力汽車的電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)車輪，發(fā)動(dòng)機(jī)則用于驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)給電池進(jìn)行充電。因?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)并不直接驅(qū)動(dòng)車輪，因此也不需要變速器，這相當(dāng)于在普通的電動(dòng)車上裝載了一臺(tái)汽油/柴油發(fā)電機(jī)。增程式插電混合動(dòng)力汽車具有電動(dòng)汽車的安靜、起步轉(zhuǎn)矩大的優(yōu)點(diǎn)，可以當(dāng)純電動(dòng)汽車使用，在充電方便的條件下只充電、不加油，使用成本較低；相比其他插電式混合動(dòng)力汽車，增程型插電式混合動(dòng)力汽車可以不用變速器，成本略有降低；由于帶有發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)電，只要有加油站就可以一直跑下去，在不方便充電的地方也不怕，解決了基礎(chǔ)設(shè)施不足的問題；因?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)不直接驅(qū)動(dòng)車輪，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和車輪轉(zhuǎn)速、車速?zèng)]有直接關(guān)系，通過控制系統(tǒng)優(yōu)化，可以讓發(fā)動(dòng)機(jī)一直工作在最佳轉(zhuǎn)速，即使在充電不便時(shí)，市內(nèi)堵車路況下，其油耗也比較低，發(fā)動(dòng)機(jī)噪音也可以控制的非常小。當(dāng)然，增程型插電式混合動(dòng)力汽車 由于發(fā)動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)并不直接驅(qū)動(dòng)車輪，造成了這部分功率的浪費(fèi)，而發(fā)動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)帶來的重量并沒有減少，譬如，一輛增程型插電式混合動(dòng)力汽車的發(fā)動(dòng)機(jī)功率為50 kW，發(fā)電機(jī)功率為50 kW，電動(dòng)機(jī)功率為100 kW，整車總功率為200 kW，但是能驅(qū)動(dòng)車輪的功率卻只有100 kW；在高速路況下，發(fā)動(dòng)機(jī)油耗反而偏高，這是因?yàn)楦咚俾窙r下，如果發(fā)動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)車輪，可以一直工作在最佳工作模式，而增程型插電式混合動(dòng)力汽車多了一個(gè)能量轉(zhuǎn)換過程，能量轉(zhuǎn)換的本身要消耗能量，造成油耗反而偏高。

圖4 增程型插電式混合動(dòng)力汽車

3.2 并聯(lián)型插電式混合動(dòng)力汽車

圖5 并聯(lián)型插電式混合動(dòng)力汽車

并聯(lián)型插電式混合動(dòng)力汽車（圖5）內(nèi)有傳統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)和電動(dòng)機(jī)2套驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，2套系統(tǒng)既可以同時(shí)協(xié)調(diào)工作，也可以各自單獨(dú)工作驅(qū)動(dòng)汽車。并聯(lián)型插電式混合動(dòng)力汽車大多是在傳統(tǒng)燃油汽車的基礎(chǔ)上增加電動(dòng)機(jī)、電池、電控系統(tǒng)而成，電動(dòng)機(jī)與發(fā)動(dòng)機(jī)共同驅(qū)動(dòng)車輪。車內(nèi)只有一臺(tái)電動(dòng)機(jī)，驅(qū)動(dòng)車輪時(shí)充當(dāng)電動(dòng)機(jī)，不驅(qū)動(dòng)車輪給電池充電時(shí)充當(dāng)發(fā)電機(jī)。并聯(lián)型插電式混合動(dòng)力汽車適用于多種不同的行駛工況，尤其適用于復(fù)雜的路況；電動(dòng)機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)共同驅(qū)動(dòng)車輪，沒有功率浪費(fèi)的問題，譬如電動(dòng)機(jī)功率為50 kW，發(fā)動(dòng)機(jī)功率為100 kW，只要傳動(dòng)系統(tǒng)能夠承受，則整車功率就是150 kW；在純電動(dòng)工作模式下，同樣有純電動(dòng)汽車安靜、使用成本低的優(yōu)點(diǎn)，而在混合動(dòng)力工作模式下，有非常好的起步轉(zhuǎn)矩，加速性能好；因?yàn)橹皇窃谧兯倨魃显黾恿艘慌_(tái)電動(dòng)機(jī)（分變速器輸入端和輸出端兩種增加方法），在傳統(tǒng)燃油汽車的基礎(chǔ)上改動(dòng)較小，成本也比較低。但是，并聯(lián)型插電式混合動(dòng)力汽車在混合動(dòng)力工作模式下，發(fā)動(dòng)機(jī)不能保證一直在最佳轉(zhuǎn)速下工作，油耗比較高，只有在堵車時(shí)因?yàn)榭梢宰詭Оl(fā)動(dòng)機(jī)起停功能油耗才會(huì)低；因?yàn)橹挥幸慌_(tái)電動(dòng)機(jī)，不能同時(shí)發(fā)電和驅(qū)動(dòng)車輪，所以發(fā)動(dòng)機(jī)與電動(dòng)機(jī)共同驅(qū)動(dòng)車輪的工況不能持久，在車輛持續(xù)加速時(shí)，電池的能量會(huì)很快耗盡，轉(zhuǎn)成發(fā)動(dòng)機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)模式。

3.3 混聯(lián)型插電式混合動(dòng)力汽車

圖6 混聯(lián)型插電式混合動(dòng)力汽車

與并聯(lián)型插電式混合動(dòng)力汽車一樣，混聯(lián)型插電式混合動(dòng)力汽車（圖6）也有2套驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，但不同的是，混聯(lián)式有2個(gè)電動(dòng)機(jī)。一個(gè)電動(dòng)機(jī)僅用于直接驅(qū)動(dòng)車輪，還有一個(gè)電動(dòng)機(jī)具有雙重角色，當(dāng)需要極限性能時(shí)，充當(dāng)電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)車輪，整車功率就是發(fā)動(dòng)機(jī)、2個(gè)電動(dòng)機(jī)的功率之和；當(dāng)電力不足的時(shí)候，就充當(dāng)發(fā)電機(jī)，給電池充電。因此，混聯(lián)型插電式混合動(dòng)力汽車同時(shí)具有增程型和并聯(lián)型插電式混合動(dòng)力汽車的優(yōu)點(diǎn)：在純電動(dòng)工作模式下具有純電動(dòng)汽車安靜、使用成本低的優(yōu)點(diǎn)；在增程模式下，沒有“里程焦慮”，而且發(fā)動(dòng)機(jī)可以一直控制在最佳轉(zhuǎn)速，油耗低，噪音小，振動(dòng)??；在并聯(lián)模式下，2臺(tái)電動(dòng)機(jī)和1臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)可以一起工作，三者功率加起來具有非常好的起步和加速性能，是一種比較完美的組合。但是，由于混聯(lián)型插電式混合動(dòng)力汽車2臺(tái)電動(dòng)機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)、變速器一個(gè)都不能少，配套的控制電路、電池、傳動(dòng)系統(tǒng)、油路也不能少，總體成本要高于其他類型的插電式混合動(dòng)力汽車，車的總質(zhì)量也會(huì)大一些；而因?yàn)橐刂?個(gè)電動(dòng)機(jī)和1臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)，還有不同的工作模式，其控制系統(tǒng)相對(duì)要復(fù)雜些，成本大大提高?；炻?lián)型插電式混合動(dòng)力汽車還可再分前置和前后置兩類。前置混聯(lián)型插電式混合動(dòng)力汽車的2臺(tái)電動(dòng)機(jī)和1臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)都在汽車前部，通過動(dòng)力分配、離合器控制不同的工作狀態(tài)。前后置混聯(lián)型插電式混合動(dòng)力汽車就是把兼職的電動(dòng)機(jī)與發(fā)動(dòng)機(jī)放到一起，另外的純電動(dòng)機(jī)單獨(dú)放置，可以在前輪驅(qū)動(dòng)、后輪驅(qū)動(dòng)、四輪驅(qū)動(dòng)3種模式下切換。

其實(shí)，長(zhǎng)期來看，動(dòng)力電池、電動(dòng)機(jī)、電控單元的價(jià)格一直是在下降的。電控產(chǎn)品符合摩爾定律，下降的速度比較快。而電機(jī)和動(dòng)力電池受到材料的限制，下降的速度比較慢，動(dòng)力電池每年降價(jià)5%左右。未來，隨著動(dòng)力電池、電動(dòng)機(jī)及電控單元價(jià)格進(jìn)一步下降，插電混合動(dòng)力汽車會(huì)越來越接近傳統(tǒng)燃油車。當(dāng)兩者價(jià)格差距不大的時(shí)候，插電混合動(dòng)力汽車的優(yōu)勢(shì)就會(huì)顯現(xiàn)出來。

2017-02-07）