插电式混合动力汽车选型和匹配研究

张志强，龙丽红，张晓莉

（东风柳州汽车有限公司，广西 柳州545005）

插电式混合动力汽车（Plug-in Hybrid Electric Vehicle）既可以从电网给车载动力电池充电实现纯电行驶，亦可使用燃油来驱动汽车。因此插电式混合动力汽车兼具传统燃油汽车和电动汽车的优点，故插电式混合动力汽车被广泛地认为是较易推广和需重点研发的新能源汽车类型。

在日本和欧美等国，从上个世纪九十年代起依次出现了混合动力汽车及插电式混合动力汽车，相关企业和研究院所亦开展了大量的研究和应用[1]。虽然我国的插电式混合动力汽车研究和应用起步较晚，但随着国家政策的导向和扶持，越来越多企业开展了插电式混合动力汽车的研发，并且有望借此机遇实现我国汽车工业的腾飞。

为此本文首先对插电式混合动力汽车技术及相关特点进行总结和分析；然后综合最高车速、最大爬坡度和百公里加速时间需求，对插电式混合动力汽车的动力性进行选型和匹配分析；其次对插电式混合动力汽车所需电池包进行选型和匹配分析，以保证其能够满足纯电续航里程、综合工况油耗和电机功率需求；最后结合充电需求对车载充电系统进行选型和匹配分析。

1 插电式混合动力汽车分类汇总

一般可将插电式混合动力汽车按照动力系统类别的不同，分成以下三种类型：

（1）串联插电式混合动力汽车

串联插电式混合动力汽车，亦称为增程式。其技术特点如下图1所示，发动机只用于给汽车发电，汽车的行驶是只靠电机驱动汽车来实现。目前常见车型有宝马i3增程式和广汽传祺GA5增程式。

图1 串联PHEV示意图

（2）并联插电式混合动力汽车

并联插电式混合动力汽车结构示意如图2所示，该类型下发动机和电机均可驱动汽车，系统结构布局较为紧凑。常见的车型有比亚迪秦、宝马530Le、奔驰S500eL、奥迪 Q7e-tron、奇瑞艾瑞泽PHEV、索纳塔PHEV等等。

图2 并联PHEV示意图

（3）混联插电式混合动力汽车

混联插电式混合动力汽车，又可称为动力分流式混合动力汽车。如图3所示，该汽车系统结构由一台发动机、一台发电机、一台电动机和动力分流的行星齿轮等特殊系统构成。这种类型汽车的结构和控制最为复杂[2，3]。常见车型有丰田普锐斯和帝豪PHEV等等。

图3 混联PHEV示意图

2 插电式混合动力汽车选型和匹配分析

对于插电式混合动力汽车而言，选型和匹配首要考虑和分析的是动力性、电池包和车载充电系统。本节将分别针对这三个关键项进行详细选型和匹配分析。

2.1 插电式混合动力汽车动力性选型

由于插电式混合动力汽车兼具电机、电池包和发动机等部件，一般会比传统燃油汽车更重。为了匹配出更为合适的动力性，插电式混合动力汽车动力系统的选型必须综合考虑以下三个动力性参数：最高车速需求的功率、最大爬坡度需求的功率和百公里加速时间需求的功率。

（1）最高车速需求的功率

最高车速需求的功率计算如下[4]：

其中：m为汽车质量；g为重力加速度；f为汽车滚动阻力系数；vmax为最高车速；CD为风阻系数；A为迎风面积；ηT为传动系统效率。

（2）最大爬坡度需求的功率

最大爬坡度需求的功率计算如下：

其中：α为爬坡度；va为坡道车速。

（3）百公里加速时间需求的功率

百公里加速时间需求的功率计算如下：

其中：t为0-100 km/h加速时间；δ为汽车旋转质量换算系数；va为最终加速后的车速。

对于插电式混合动力汽车而言，为同时满足最高车速、最大爬坡度和百公里加速时间等动力性需求，整车功率之和Pmax至少需大于P1、P2和P3中的最大值。

串联插电式混合动力汽车由于只有电机作为动力源，为此电机的功率需为Pmax.而并联式和混联式，电机和发动机同时作为动力源，故电机和发动机的功率总和需满足Pmax.

2.2 插电式混合动力汽车电池包选型

插电式混合动力汽车的电池包直接影响着纯电续航里程、综合工况油耗、电机功率需求。为此，插电式混合动力汽车电池包的选型分别需要满足以下三个方面的需求：

（1）纯电续航里程对电池包的选型影响

为获得我国针对插电式混合动力汽车的财政补贴，目前汽车在纯电状态下的续航里程至少要为50 km.一般而言，插电式混合动力汽车的纯电续航里程与电池包的电量基本成正比关系。结合目前国内外插电式混合动力汽车的综合技术水平，为满足纯电续航里程为50 km，则电池包电量一般至少为10 kWh.

（2）综合工况油耗对电池包的选型影响

插电式混合动力汽车的综合工况油耗的测算公式如下[5]：

其中：De为按照GB/T 19753附录B测得的纯电动续驶里程（km）；Dav为25 km，GB/T 19753规定假设储能装置两次充电之间的平均行驶里程；C1为按照GB/T 19753条件A（储能装置处于充电终止的最高荷电状态）下测得的燃油消耗率（L/100km）；只要在NEDC测试过程，电机和电池足以完成测试循环，发动机不启动，则无油耗，即C1等于0；C2：按照GB/T 19753条件B（储能装置处于放电结束的最低荷电状态）下测得的燃油消耗率（L/100 km）。

分析综合而言，De纯电续航里程越大，C计算公式的分母越大，C就越小；而电池的电量越大，纯电续航里程越长，C越小。

换言之，要获得较小的C，在改善整车发动机油耗的基础上，可以再增加纯电续航里程和电池电量。

（3）电机功率对电池包的选型影响

电池包能够发出的功率需要满足电机功率需求，为此电池包功率需求如下所示：

其中：Pmotor为电机功率；ηmotor为电机效率；ηMCU为电机控制器效率。

综合而言，插电式混合动力汽车的电池包电量需同时满足纯电续航里程、综合工况油耗、电机功率的需求。

2.3 插电式混合动力汽车车载充电系统选型

早期的传统混合动力汽车由于电池包的电量较小（一般低于1.5 kWh），可以通过刹车时回收动能来为电池包充电，或通过将发动机多余的功率用于发电，从而为电池包充电。

对于插电式混合动力汽车，电池包的电量一般至少大于10kWh，则必需一套车载充电系统（OBC-onboard charge），以便尽快给电池包充电。车载充电系统的功率POBC可按下式进行选型：

POBC=Ebattery/t×DOD

其中：POBC为充电系统功率；Ebattery为电池包电量；t为充电需求时间；DOD为电池包放电深度（Depth of discharge）。

3 结束语

（1）插电式混合动力汽车按照动力系统的结构的不同，可分为串联式、并联式和混联式。

（2）插电式混合动力汽车动力性的选型和匹配必需同时满足最高车速、最大爬坡度和百公里加速时间等对整车的功率要求。不同结构类型的插电式混合动力汽车，其发动机和电机动力性匹配需求各具特点。

（3）插电式混合动力汽车电池包及电量的选型和匹配需要满足纯电续航里程、综合工况油耗和电机功率等需求。

（4）插电式混合动力汽车的车载充电系统需结合充电时间需求来选型和匹配确定。