插电式混合动力汽车结构原理简介(一)

◆文/北京 王新旗

一、新能源汽车的定义与分类

新能源汽车有新旧两个定义及分类说明，国家较早对新能源定义是指采用非常规的车用燃料作为动力源(或使用常规的车用燃料、采用新型车载动力装置)，综合车辆的动力控制和驱动方面的先进技术，形成的技术原理先进、具有新技术、新结构的汽车。基于此，根据动力源的不同，新能源汽车可以分为以下四大类：第一类是仍以内燃机为动力源的新型燃料汽车，使用气体燃料如氢气、压缩天然气、液化天然气和液化石油气或使用不由原油裂化得到的液体燃料，如乙醇、生物柴油等生物燃料；第二类是以太阳能为动力源的汽车；第三类是以氢燃料电池为动力源的汽车；第四类是以电能作为动力源的汽车。其中，根据电力驱动的程度，进一步可以分为纯电动汽车、插电式混合动力汽车和内燃机动力为主电力驱动为辅的不具有插电功能的一般混合动力汽车。国务院颁布的《节能与新能源汽车产业发展规划(22012-2020年)》中明确表示，新能源汽车的范围为插电式混合动力汽车(同时要求单次纯电行驶里程不小于50km/h)、纯电动汽车和燃料电池汽车，并将常规混合动力汽车划归为节能内燃机汽车。综上，我们认为新能源汽车是指采用新型动力系统，完全或主要依靠新型能源(如电能等非石油燃料)驱动的汽车具体的分类如图1所示。

二、混合动力电动汽车的定义与分类

在谈及新能源混合动力汽车之前，先了解一下传统意义技术层面上对混合动力汽车的定义—混合动力汽车也被称为复合动力汽车，其动力输出部分或全部依靠车载的内燃机提供，并根据对其他动力源(如电动源)的依赖程度分为弱混、轻混、中混和重混(全混)，根据其动力输出的分配方式分为并联、串联和混联。

增程式混合动力汽车它是在纯电动汽车上加装一套内燃机作为电力源的充电系统，其目的是减少汽车的污染，提高纯电动汽车的行驶里程；插电式混合动力汽车是可以直接由外接电源充电的重度混合动力汽车，而且电池容量较大可以靠纯电力驱动行驶较远的距离(目前我国的要求是综合工况下行驶50km)，因此其对内燃机的依赖较少。在插电式混合动力中电动机是主要的动力源而内燃机作为备用动力，当动力电池能量消耗到一定的程度或电动机不能提供所需动力时才启动内燃机以混合动力模式行驶并适时向电池充电，如图2所示。

插电式混合动力汽车与增程式混合动力汽车虽然都属于可充电的混合动力汽车，但是它们之间却有本质的区别。插电式混合动力汽车是在重度混合动力汽车的基础上，再增加配置动力电池和充电接口，使用者可获得更多的纯电行驶里程；增程式混合动力汽车是在纯电动汽车的基础上，装备一个小型的辅助发动机组，以备电池电量不足时为电池充电(这里要说明，该种充电由于发动机功率受限，它只是一定程度的补充，并不是只要发动机工作，就可以满足汽车各种工况下的电驱动所需电力)。另外，充电的概念从广义上讲，电池增加电能的过程就可以称为充电，因此在新能源汽车的工作过程中动力电池有以下三种充电模式：第一种是内燃机的机械能通过电机系统转化为电能输入动力电池；第二种是车辆减速，通过电机(此时电动机将作为发电机)将车辆的动能转化为电能输入动力电池(即能量回收)；第三种是通过车载充电机或外部充电桩，将外部电源的电能输入动力电池(外接充电)。

因此，为了进行区分，通常将充电定义为以内燃机的机械能通过电机系统转化为电能输入动力电池作为动力源的模式，可理解为狭义充电的概念，而能量回收不再称为充电，外部充电是特指上面所述第三种模式。了解了这些，才能理解由于传统的混合动力系统汽车不具备外接充电功能，从而与插电式混合动力汽车有本质的区别，同时也能理解增程式的混合动力汽车既可以划分到混合动力汽车，也可算做纯电动汽车的原因。

为了对混合动力汽车做进一步的阐述，笔者参考了国际能源组织(IEA)的有关文献对混合动力车辆的定义，能量与功率传递路线具有如下特点的车辆称为混合动力车辆。

传送到车轮推进车辆运动的能量至少来自两种不同的能量转换装置(如内燃机、燃气涡轮发动机、斯特林发动机、电机、液压马达、燃料电池等)；这些能量转换装置至少要从两种不同的能量存储装置(如燃油箱、蓄电池、飞轮超级电容、高压储氢罐等)中获取能量；从储能装置流向车轮的这些通道中至少有一条是可逆的(既可放出能量也可吸收能量)，并至少还有一条是不可逆的；如果具有可逆能量传递路线的储能装置供应的是电能，则称为混合动力电动汽车。按最新的国家定义，除插电式混合动力汽车称为新能源汽车外，其余的混合动力汽车只可称为节能型汽车。因此，本文将重点对插电式混合动力汽车进行较为深入的介绍。

图1 新能源汽车的分类

图2 典型插电式混合动力汽车动力(结构)工作简图

三、插电式混合动力汽车的结构原理

与传统的混合动力车辆主要能量来源与燃料不同，PHEV—插电式混合动力汽车主要使用电能运行，而发动机只是作为辅助动力系统，因此，车辆对燃油的依赖性大大减少，更加环保和节能。当然，插电式混合动力电动汽车的驱动力主要也包括两个来源：电机和内燃机，它可以单独或一起给车辆提供动力。电池的能量主要来自公共电网，充电后的电池组电机供电实现车辆运转。PHEV在城区工况行驶时速低于40km/h时或在车辆滑行状态，车辆完全以电力驱动，而当电池电量低于某一标准值(例如电量降低到20%)或加速、爬坡行驶状态等大负荷需求情况下，发动机开始工作，以提供额外的动力维持车辆的行驶，PHEV一般带有制动能量回收装置，使制动能转换成电力储存在电池中，从而进一步降低油耗。PHEV的电池容量一般可达6～10kW·h，是纯电动汽车电池容量的30%～50%，是一般混合动力汽车电池容量的3～5倍。

虽然PHEV的购买价格较传统轿车和混合动力轿车略高(目前约为1.2倍)，但由于外接电池的高容量、制动能量回收等新技术的应用，使得车辆在城区内行驶可以基本实现零排放，燃油经济性也比普通汽车提高了2～5倍。

1.PHEV特点及结构原理

PHEV蓄电池包可以直接从外接电源(包括家用220V电源)充电。从这点上看，它像一辆纯电动汽车，通常优先在纯电动模式下独立行驶，一般由外接公共电网电源充电补充电能。因此，可利用夜间低谷电对蓄电池充电，改善电厂发电机组运行效率的同时又节约能源，还可以减少混合动力汽车尾气排放、汽车日常的使用成本，净化城市空气质量，降低汽车对石油燃料的依赖。而传统混合动力汽车一般不能外接电源充电，要依赖车载燃料的消耗来补充蓄电池的电能。PHEV有一定能量的蓄电池包，在纯电动模式下独立行驶，有一定的纯电动续驶里程，例如几十千米。而传统混合动力电动汽车，即使是强混车型，蓄电池能量较小，只有启动和低速时是纯电驱动，加速和高速时发动机和电动机共同驱动，发动机为主要驱动力。PHEV驱动电动机功率和转矩比较大，与纯电动汽车的电动机相同或略小，在纯电动模式下足以完成汽车启动、加速、爬坡等各种工况行驶。而传统混合动力汽车电动机功率和转矩小，在汽车加速、爬坡等工况行驶时是靠电动机和发动机共同完成的。PHEV续驶里程长，可达400～500km。在长途行驶状况下，优先在纯电动模式下行驶，在蓄电池包的荷电状态SOC降到一定限值时，切换到混合动力模式下行驶，发动机直接驱动。

汽车行驶或者拖动发电机发电供电动机驱动汽车，并补充蓄电池电能。这使得它不依赖充电站停车充电，特别是在目前国内充电站设施很不完备的情况下，可连续长途行驶，通常，即使在国内充电站设施分布密集的地区，电动汽车快速充电也需要几十分钟停车充电等待时间。这是插电式混合动力车最突出的优点，它与传统汽车续驶里程相同。这也克服了纯电动汽车受动力蓄电池能量限制，续驶里程短的弊病。此时对于PHEV是零排放行驶，而对传统内燃机汽车来说怠速等待、低速行驶、时走时停，这将导致燃油燃烧不完全，汽车尾气排放的污染物数倍增加，严重污染环境，如图3所示。

图3 PHEV结构

2.PHEV的类型

插电式混合动力车具有诸多特点，与混合动力汽车类似，也分为多种类型，按动力系统结构形式划分为串联PHEV、并联PHEV和混联PHEV。

(1)串联PHEV

串联PHEV通常称为增程式混合动力汽车。串联PHEV结构原理如图4所示。其结构特点为：纯电动＋增程器，汽车车轮仅由电动机独立驱动，增程器可以是发动机—发电机组，发动机—发电机组发电直接供给电动机驱动汽车，同时发出的多余电量给蓄电池包充电，增程器还可以是燃料电池等。

图4 串联PHEV结构原理

纯电动模式下，增程器不工作，混合动力模式下，增程器启动运行，发动机—发电机组可以保持在发电量与燃油经济性平衡的最佳运转状态下运行发电，油耗省，发动机排放污染少，取得最佳经济效益，以最省油的方式延长了续驶里程。

(2)并联PHEV

并联PHEV结构原理如图5所示。其结构特点为：两套动力源通过耦合器驱动汽车车轮，一套是电动机、控制器和蓄电池系统；另一套是燃油发动机。两套动力系统可分别单独运行，也可混合驱动。

图5 并联PHEV结构原理

(3)混联PHEV

混联PHEV结构的特点是既有串联也有并联，兼顾了串联与并联的优点，但结构较为复杂。行驶时优先使用纯电动模式，在蓄电池包的荷电状态降到一定限值时，切换到混合动力模式下行驶。在混合动力模式下，启动、低速时使用串联系统的发电机发电，电动机驱动汽车车轮行驶，加速、爬坡、高速时使用并联系统，主要由发动机驱动汽车车轮行驶。发动机多余能量可带动发电机发电给蓄电池包充电。

四、混合动力汽车馈能制动回收系统

馈能制动控制是指在新能源车辆减速或制动时，将其一部分动能转化为其他形式的能量储存起来以备驱动时使用的过程，这点是新能源汽车的电动机在控制过程中可根据需求转为发电机工作方式从而给动力电池充电，这一工作特性通常是传统汽车所不具备的，充分体现了混动(电动)汽车的控制方式特点、制动方式与节能优势。

1.汽车制动性的评价

(1)汽车制动性能

制动效能，即制动距离与制动减速度。制动效能是指汽车在良好的路面上，以一定初速制动到停车的制动距离或制动时汽车的减速度。它是制动性能最基本的评价指标。制动效能的恒定性，即抗热衰退性能。汽车高速行驶或下长坡连续制动时，制动效能保持的程度，称为抗热衰退性能，若汽车涉水行驶后，制动器还会存在水衰退问题。制动时汽车方向的稳定性，即制动时汽车不发生跑偏、侧滑以及失去转向能力的性能。第一个指标就是要求在所有的车轮上的制动系统能够提供足够的制动转矩，第三个指标要求各个车轮上的制动力分布要符合一定的规则。能量馈能制动系统研究的主要问题就是针对这两个指标。