節(jié)能環(huán)保汽車——插電式混合動力汽車?

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，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，同時還排放出CO2、NOx和CO等有害氣體。統(tǒng)計報告顯示，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)面對的三大挑戰(zhàn)。為了降低汽車對石油的依賴、降低燃油消耗和減少尾氣排放，近年來世界各國不約而同地給予電動汽車政策上的大力支持，這讓很多汽車企業(yè)將純電動汽車作為其發(fā)展的終極目標(biāo)。但從市場反應(yīng)和技術(shù)發(fā)展方面來看，各大車企還是很實際地將最近目標(biāo)設(shè)定為插電式混合動力汽車，其原因有以下幾點：①由于充電基礎(chǔ)設(shè)施不夠完善，充電時間較長等因素，純電動汽車的發(fā)展受到了一定的限制；②在城市充電樁建設(shè)不可能在短時間內(nèi)滿足人們?nèi)粘Ｐ枨蟮臓顟B(tài)下，插電式混合動力汽車被認(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。

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

1 插電式混合動力汽車與傳統(tǒng)混合動力汽車和純電動汽車比較

1．1 傳統(tǒng)混合動力汽車［2－3］

傳統(tǒng)混合動力汽車（Hybrid Electrical Vehicle，簡稱HEV）是指同時裝有兩套動力來源——熱動力源（由傳統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)產(chǎn)生）與電動力源（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)，使得汽車可以實現(xiàn)以下幾種動力模式：①通過內(nèi)燃機(jī)帶動電機(jī)為蓄電池進(jìn)行充電，再由蓄電池提供整車所需要的動力；②由內(nèi)燃機(jī)直接提供整車所需的動力；③內(nèi)燃機(jī)和蓄電池組同時提供動力。在行駛過程中動力系統(tǒng)可以依照整車的實際行駛工況需求靈活控制動力輸出模式，而發(fā)動機(jī)一直保持在綜合性能最佳的區(qū)域內(nèi)工作，該區(qū)域為汽車比油耗最低、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力系統(tǒng)，而且其需要由內(nèi)燃機(jī)為其充電，不能脫離對石油的依賴，因此在2010年6月，財政部、科技部、工信部和發(fā)改委四部委已經(jīng)達(dá)成共識，明確將插電式混合動力汽車、純電動汽車、燃料電池汽車劃為新能源汽車，非插電式的傳統(tǒng)混合動力汽車被劃為節(jié)能汽車而非新能源汽車。

1．2 純電動汽車［4］

純電 動 汽 車 （Battery Electric Vehicles，簡 稱BEV）就是完全由可充電電池提供動力驅(qū)動車輪行駛的汽車。純電動汽車的構(gòu)成包含電力驅(qū)動及控制系統(tǒng)、驅(qū)動力傳動機(jī)械系統(tǒng)等。電力驅(qū)動及控制系統(tǒng)是純電動汽車的核心成分，也是區(qū)別于內(nèi)燃機(jī)汽車的最大不同點。純電動汽車完全不依賴石油并且完全沒有尾氣排放，將是未來汽車行業(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汽車發(fā)展的主要因素。

1．3 插電式混合動力汽車［5］

插電式混合動力汽車 （Plug－in Hybrid Electric Vehicle，簡稱PHEV）是一種新型的混合動力汽車。它是一種可以加油、也可以充電的混合動力汽車，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)的混合動力汽車，插電式混合動力汽車是首先選擇蓄電池為汽車提供動力，當(dāng)蓄電池的電量達(dá)到指定的下限時，才開啟內(nèi)燃機(jī)為汽車提供動力，所以PHEV有一塊比傳統(tǒng)混合動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，而且駕駛員沒有長途行駛的后顧之憂（蓄電池電量問題），當(dāng)蓄電池電量低時，可以開啟內(nèi)燃機(jī)為汽車提供動力。

PHEV在傳統(tǒng)的混合動力汽車的基礎(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使用外部電網(wǎng)對車載動力電池進(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石油的依賴，同時用電的費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的動力形式介于傳統(tǒng)混合動力電動汽車和純電動汽車之間，行駛里程長時采用以內(nèi)燃機(jī)為主、蓄電池為輔的混合動力模式，行駛里程相對較短時采用純電動模式，這樣不僅能夠保證普通人們?nèi)粘５鸟{駛行程，同時可以確保車主在較長里程的正常行駛；最后，PHEV不僅具有純電動汽車的低噪聲和低排放的優(yōu)點，同時具有內(nèi)燃機(jī)汽車的行駛里程保證。綜合上述諸多優(yōu)點，插電式混合動力汽車無疑是一種很有發(fā)展前景的混合動力汽車，也是傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車向節(jié)能減排的電動汽車過渡的最有效的方案之一。

1．4 3種動力汽車的比較

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

2 插電式混合動力汽車動力系統(tǒng)分類及原理［6］

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

表1 3種汽車優(yōu)、缺點比較

2．1 串聯(lián)插電式混合動力汽車

串聯(lián)式混合動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)將能量傳遞給電動機(jī)，而蓄電池組的電能也是通過控制器傳遞給電動機(jī)的，最后完全由電動機(jī)提供的動力驅(qū)動汽車?；谶@種能量傳遞形式，所以稱之為串聯(lián)插電式混合動力汽車。在此模式下發(fā)動機(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、提速、上坡等需要大功率輸出的工況時，發(fā)動機(jī)－發(fā)電機(jī)組和電池組共同向電動機(jī)提供能量，以實現(xiàn)較高的動力性能；在車輛處于慢速、滑行、怠速的工況時，則由電池組單獨驅(qū)動電動機(jī)，此時發(fā)動機(jī)處于關(guān)閉狀態(tài)；當(dāng)電池組處于低電量時開啟發(fā)動機(jī)為驅(qū)動車輪提供能量，蓄電池組與控制器之間的能量是雙向流通，此時可以將發(fā)電機(jī)輸出的除驅(qū)動車輪使用能量外的多余部分電能用來為蓄電池組充電。串聯(lián)式混合動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、制動和低速行駛的駕駛工況，而且不會影響發(fā)動機(jī)處于最佳的工作狀態(tài)，通過調(diào)整電池和電動機(jī)的輸出功率來達(dá)到調(diào)整車速的目的。該模式使發(fā)動機(jī)避免了怠速和低速運轉(zhuǎn)，從而提高了發(fā)動機(jī)的效率，減少了廢氣排放；同時串聯(lián)式可以避免機(jī)械耦合，所以整車的設(shè)計布置比較簡單。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)式混合動力汽車的節(jié)油效果不太明顯。串聯(lián)式混合動力汽車的動力傳遞框圖如圖1所示。

圖1 串聯(lián)式混合動力汽車動力傳遞框圖

2．2 并聯(lián)插電式混合動力汽車

并聯(lián)插電式混合動力汽車是在內(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力汽車內(nèi)有兩套驅(qū)動系統(tǒng)，電動機(jī)與內(nèi)燃機(jī)可以單獨驅(qū)動車輪也可以共同驅(qū)動車輪，兩個動力系統(tǒng)同時工作時，以機(jī)械方式實現(xiàn)動力耦合，動力的流向為并聯(lián)，所以稱之為并聯(lián)式混合動力系統(tǒng)。并聯(lián)式混合動力汽車日常使用可以作為電動車，當(dāng)汽車需要較高的動力性能時同時使用內(nèi)燃機(jī)和蓄電池組為汽車提供動力。這類汽車不僅動力性能強(qiáng)大（由于電機(jī)和發(fā)動機(jī)可以同時加速），而且還具有純電動汽車污染小、噪聲低等優(yōu)點，但是由于該種動力系統(tǒng)需要機(jī)械耦合，因此設(shè)計安裝比較復(fù)雜。并聯(lián)式混合動力汽車的動力傳遞框圖如圖2所示。

3 插電式混合動力汽車的工作模式［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損耗和混合動力損耗兩種子模式。

圖2 并聯(lián)式混合動力汽車動力傳遞框圖

（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)整車的功率需求來選擇純電動或混合動力子模式。在“電量損耗—純電動”子模式中，發(fā)動機(jī)是徹底關(guān)閉的，蓄電池是唯一的能量來源，電池組的荷電狀態(tài)降低，整車一般只能達(dá)到部分動力性指標(biāo)，該模式適合于啟動、低速和低負(fù)荷的行駛工況。在“電量損耗—混合動力”子模式中，發(fā)動機(jī)和電機(jī)同時工作，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)動機(jī)用來補(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”和“電量消耗—混合動力”模式之間能夠根據(jù)整車管理策略進(jìn)行無縫切換，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

插電式混合動力汽車介于傳統(tǒng)混合動力汽車和純電動汽車之間，同時具備了兩者的大部分優(yōu)點，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。插電式混合動力汽車和純電動汽車同樣面臨有電池容量小、價格較高的阻礙，但是隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，插電式混合動力汽車將成為混合動力汽車的重要成分，最后會向純電動汽車邁進(jìn)。

［1］ 陳樂．插電式混合動力汽車的春天來了［J］．交通世界（運輸車輛），2013（6）：28－32．

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

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

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

［5］ 徐艷民．插電式混合動力汽車相關(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．插電式混合動力汽車現(xiàn)狀［J］．城市車輛，2009（7）：43－44．