浅析PHEV与非PHEV的技术异同

刘晓鸣

摘 要：混合动力车型可分为非插电式（非PHEV）和插电式（PHEV）。本文将探讨两者之间在技术上的区别与联系。

关键词：插电式混合动力;双功率分流;双电机

1、前言

丰田作为混合动力车型以非插电式（非PHEV）为主，中国品牌的混合动力车型以插电式（PHEV）为主。有观点认为，前者“油电混合”与后者“插电混合”是两种不同的技术路线。本文将探讨两者之间在技术上的区别与联系。

2、双功率分流的工作原理分析

丰田的混合动力系统（如图1），将内燃机的曲轴输出功率通过动力分割器（PSD）分成两股功率流，一股为用于直接驱动车辆的机械功率流，另一股为间接驱动车辆的机械功率流，另一股功率流先通过一号电机转换为电能，再通过二号电机转换为机械功率流驱动车轮，直接的机械功率流和间接的功率流合成为车轮的驱动功率，动力电池的电池容量基本只能起到电力缓存器的作用，其纯电续航里程仅有2-4公里，一号电机与二号电机之间通过电力变换器进行电力传递。

PHEV以比亚迪的第三代双模技术为例。双模系统（DM系统）将内燃机的曲轴输出功率通过皮带轮和双离合变速器分成两股功率流（如图2），与丰田的方案类似的，BSG电机相当于上述一号电机，P3电机相当于上述二号电机，两股功率流最后合成为车轮的驱动功率，动力电池的电池容量足以提供80公里的纯电续航里程。

由此可见，丰田混合动力系统与DM系统均可将内燃机的输出功率进行功率分流，最后合成为总的驱动功率。

两者的运行原理好像差不多，但实际上由于两者在内燃机、电机和电池容量的参数选择上的不同造成了两者在油耗和动力上存在明显差异。丰田的内燃机为阿特金森循环类型，最大功率为73kW，电机的最大功率为53kW，由于电机的能量全部来自于内燃机的转换，因此电机功率明显小于内燃机功率，平均油耗为4.5L/100km，加速至时速100km需要11.6秒[3]。比亚迪的内燃机为奥拓循环类型，最大输出功率为113kW，P3电机的最大输出功率为110kW，BSG电机（BSG电机通过皮带与内燃机的曲轴连接）的最大发电功率仅为25kW，平均油耗为6.3L/100km[4]，加速至时速100km需要5.9秒。由此可见，论油耗率而言前者占优，论加速性能而言后者占优。

为了便于分析，假设在理想状态下（不考虑能量传递损失），双功率分流的原理是将内燃机的输出功率通过动力分割器分成两股功率流（如图3），一股功率流为用于直接驱动车轮的机械功率流，另一股功率流经过两个电机的转换变为间接驱动车轮的机械功率流，最终这两股功率流合为车轮上的驱动功率，内燃机的输出功率等于车轮上的驱动功率，一号电机的发电功率等于二号电机的输出功率，此时处于驱动功率的平衡状态。当一号电机的发电功率大于二号电机的输出功率时可将富余的电力充入动力电池中，当一号电机的发电功率小于二号电机的需求功率时可将动力电池的电力向二号电机补偿。

PHEV相比非PHEV具有容量较大的动力电池，能够输出较高功率的电力，容许将二号电机的输出功率设计为相对一号电机的发电功率更大。对于PHEV车型，驱动功率不再等于内燃机的输出功率，而是等于内燃机的输出功率与动力电池的输出之和（如图4），这是PHEV的加速性能更优的主因。然而当大容量动力电池处于低电量状态下，为了防止电池过度放电，二号电机的输出功率需要被限制，同时提高内燃机直接驱动车轮的机械功率占驱动功率的比例，以维持原需求功率，此时一号电机的发电功率等于二号电机的实际输出功率，相当于达到了上述驱动功率的平衡状态，可见PHEV有可能如非PHEV那样不依赖于外部充电条件。反之，当大容量动力电池处于高電量状态下，控制系统降低内燃机直接驱动车轮的机械功率占比，并指令二号电机负担更大比例的驱动负荷，在满足原需求功率的情况下降低内燃机的输出功率，内燃机可维持在较低的转速下运行，实现降低油耗和提高行驶静谧性。PHEV车型还可以通过外接电源充电获得比自身发电机充电更高效的补电方式，摊平部分燃油使用成本并提高车辆的加速性能，这是非PHEV无法实现的特点。总之，在不外接充电的条件下，非PHEV凭借阿特金斯循环发动机获得更佳的燃油经济性，PHEV凭借奥托循环发动机和可外接充电的动力电池获得更快的加速性能。

3、结语

丰田卡罗拉车型具有非PHEV版本（双擎）和PHEV版本（双擎E+），后者的电池容量仅比前者大许多，能够支持55km的纯电续航里程，但是动力参数和结构没有变化，说明制造商并没有针对PHEV版本选用更大功率的驱动电机，但至少证明了非PHEV与PHEV在技术上有共通之处，两者并非属于完全不同的技术路线。而要实现双功率分流的混合动力方案，也并非必然依赖于以行星齿轮为特征的动力分割器，丰田的混合动力系统的专利池并没有将双功率分流方案完全封死，双功率分流方案依然存在多种组合方案的可能性。

参考文献

[1]Chaoying X，Zhiming D U，Cong Z .A Single-Degree-of-Freedom Energy Optimization Strategy for Power-Split Hybrid Electric Vehicles[J].Energies，2017，10（7）：896

[2]皆电.电池研究院：比亚迪第三代DM技术如何节油？[EB/OL]https：//chejiahao.autohome.com.cn/info/2733294

[3]涂钦瀚.又一位重磅选手 测试丰田雷凌双擎E+[EB/OL]https：//www.autohome.com.cn/drive/201904/934189-3.html？pvareaid=3311702

[4]俊杰.用数据来验证实力 比亚迪秦ProDM深度测试[EB/OL].http：//www.xchuxing.com/article-48163-1.html