内容提要：本文介绍了插电式混合动力汽车的发展背景、工作模式、动力系统结构。阐叙了PHEV对动力电池的性能要求，提出了当前PHEV研究所面临的问题。

    关键词：PHEV  工作模式  动力系统结构  动力电池

    现在全球都面临着环境污染，石油资源枯竭的威胁，而内燃机汽车(ICEV)是造成这种危机的重要原因之一，内燃机汽车不仅消耗石油资源，而且还排放出CO2 、NOx 和CO等有害物质。然而内燃机汽车的保有量一直在持续增长，目前已经达到8.2亿辆。节约石油能源、减排温室气体和保护大气环境是传统汽车工业面临的三大挑战。应对挑战，世界各大汽车公司和有关研究机构都在积极开展节能和新能源汽车的研究，其中重点的研究内容就是电动汽车。

    汽车发展趋势的传统观点认为，内燃机汽车最终会被燃料电池汽车替代。纯电动汽车、清洁柴油和替代燃料的研究进展, 使汽车的发展趋势变得多样化。但是由于电池的性能和价格的制约,BEV一直没有实现商业化;由于燃料电池的性能、寿命和成本的影响,FCV的商业化还有很长的路要走;在现阶段,利用电网充电的插电式混合动力汽车（PHEV）技术可能成为一种成本低、容易实现,可以长期使用的过渡性电动汽车的解决方案。

    1 PHEV特点与结构

    1.1 PHEV的发展背景

    插电式混合动力汽车单独依靠电池就能行使较长的距离，需要的时候仍可以像通常的混合动力汽车一样工作。如一辆完全靠电池行驶的PHEV可行驶60km，超过60km后可以转入混合动力模式。到了目的地，再插入外接电源对电池充电。

    PHEV具有很多优势：首先PHEV有纯电动汽车的全部优点，可利用晚间低谷电对电池充电，改善电厂的机组效率，节约能源；减少温室气体和各种有害物的排放；降低对石油燃料的依赖，减少石油进口，增加国家能源的安全；如果是在城市内行驶，距离较短，就可以不使用汽油；可以利用外部公网对车载电池组充电，而用电比石油价钱便宜，可降低车辆的使用成本。由于PHEV有这些优点，使PHEV成为了混合动力汽车研究的重要发展方向。

    1.2 PHEV的工作模式

    根据车上电池荷电状态的变化特点，可以将PHEV的工作模式分为电量消耗、电量保持和常规充电模式，其中电量消耗又分为纯电动和混合动力两种子模式。

    PHEV优先应用电量消耗模式。在电量消耗模式中，PHEV根据整车的功率需求，具体选择纯电动和混合动力两种子模式。

    在“电量消耗-纯电动”子模式中，发动机是关闭的，电池是唯一的能量源,电池的荷电状态降低,整车一般只达到部分动力性指标。该模式适合于起动、低速和低负荷时应用。

    在“电量消耗-混合动力”子模式中，发动机和电机同时工作，电池提供整车功率需求的主要部分，电池的荷电状态也在降低，发动机用来补充电池输出功率不足的部分，直至电池的荷电状态达到最小允许值。该模式适合高速，尤其是要求全面达到动力性指标时采用。

    在电量保持模式下，PHEV的工作方式与传统HEV工作模式类似，电池的荷电状态基本维持不变。

    “电量消耗-纯电动”、“电量消耗-混合动力”和“电量保持”模式之间能够根据整车管理策略进行无缝切换,切换的主要根据是整车功率需求和电池的荷电状态。常规充电模式就是用电网给PHEV电池充电。

    1.3 动力系统结构

    PHEV 是可以使用电网(包括家用电源插座)对动力电池充电的混合动力汽车，是在全混合ICEHEV的基础上开发出来的，可以认为是ICEHEV的一种；可以纯电动长距离行驶，在需要时也可以工作在全混合模式下。BEV采用专用充电设备补充电能, PHEV自身安装车载充电器，可以直接用电网充电。根据ICEHEV 动力系统中各子系统的不同配置，ICEHEV有微混合、轻度混合、全混合和可外接充电之分。与BEV相比,PHEV增加了内燃机；与ICEHEV相比，PHEV可以外接电网充电；在相同车型条件下， PHEV的电池比ICEHEV的电池功率大，内燃机功率比ICEHEV的小。总之， PHEV 在设计目标上是要综合BEV与ICEHEV的优点。

    2 PHEV的电池

    2.1 铅酸电池

    铅酸电池是电动汽车成熟的蓄电池，它原材料来源丰富、价格适中、制造工艺简单，在二次化学电源中起着非常重要的作用，比功率也能满足电动汽车的动力性要求。特别是阀控电池的出现使传统的蓄电池得到了进一步的利用。但它有两大缺点：一是比能量低,质量和体积太大，而且一次充电续航里程较短；二是充电速度慢，使用寿命短，使用成本比较高。铅酸电池废电池酸液中含有大量的铅，随意排放会造成严重污染。因此，随着动力电池技术的发展和保护环境的需要，铅酸电池将被其他电池所替代。

    2.2 镍氢电池

    镍氢电池主要优点是能量密度、功率密度均高于铅酸电池和镍镉电池，循环使用寿命在实际电动汽车用电池中最高;其快速充电和深度放电性能好，充电效率高;无重金属污染,全密封,免维护。缺点是成本高，有“记忆效应”，自放电损耗大;对环境温度敏感,电池组热管理要求高。由于热管理要求高,能量密度相对不高,导致体积大、质量重，在PHEV上安装困难。所以现有PHEV车上暂不采用镍氢电池。

    2.3 锂电池

    锂电池主要优点是体积小、质量能和质量功率高、电压高、安全性高、环保性好。锂电池的能量密度大约是镍镉电池的1.5～3倍。单元电池的平均电压为3.6V，相当于 3个镍镉或镍氢电池串接起来的电压值，这样能减少电池组合体的数量，从而因单元电池电压差所造成的电池故障的概率可减少许多，大大延长了电池组合体的寿命。锂离子电池是所有可充电电池中综合性能最优的一种电池。与其他电池相比，锂离子电池应用于电动汽车和PHEV，在容量、功率方面均具有较大的优势。当前,锂离子电池存在的主要问题是：快充放电性能差、价格高和过充放电保护等。在过充或过放的状态下，锂电池可能会发生火灾或爆炸。必须使用电池管理系统，从而增大了电池的成本和体积。

    2.4 超级电容

    超级电容器是一种电容量可达数千法拉的电容器。尽管超级电容器能量密度是蓄电池的5%或更少，但是这种能量的储存方式可以应用在蓄电池不足之处与短时高峰值电流之中。相比电池来说，超级电容器有以下优势：电容量大,目前单体超级电容器的最大电容量可达5000F;充放电寿命很长，可达50万次，或9万小时；可以提供很高的放电电流；可以数十秒到数分钟内快速充电，而蓄电池在如此短的时间内充满电将是极危险的或是几乎不可能；可以在很宽的温度范围内正常工作；超级电容器用的材料是安全无毒的，而铅酸蓄电池、镍镉蓄电池均具有毒性；而且，超级电容器可以任意并联使用来增加电容量，采取均压措施后，还可以串联使用。

    2.5 各种动力电池性能对比

    PHEV要求电池既具有纯电动模式的高能量密度，又具有混合动力模式的高功率密度，同时寿命还需满足汽车要求，要求安全性好、成本低。铅酸电池由于重量重，能量密度低而无法满足要求;镍氢电池如果能降低重量、减少体积,能够满足混和动力电动汽车对电池的需求，但是依然无法满足PHEV的要求；超级电容由于能量密度低、体积大、重量重而无法满足PHEV的要求；锂离子电池,特别是磷酸铁锂电池的出现，在降低价格的同时大大提高了电池的安全性，综合比较锂离子电池是将来PHEV用电池的主要发展方向。

    3 当前PHEV研究存在的问题

    3.1 PHEV对电池性能的要求

    要保证 PHEV有必要的动力性能指标和纯电动行驶里程，又不增加太多的车辆重量，因此电池必须要有足够高的能量密度和功率密度。PHEV经常要采用纯电动模式行驶，因此与HEV不同，电池要能在SOC 100%～20%深放电工作时，仍保证有很长的循环寿命。PHEV上采用的电池，以纯电动模式行驶，当电池SOC已降到较低时，应仍能大电流放电；当电池 SOC高时，应能接受大功率充电，以回收制动能量。

    3.2 PHEV对充电设施的要求

    根据美国联邦政府能源部的研究报告，美国的电网晚上低谷电可以满足1.48亿辆PHEV的充电需求，占美国现有车辆2.2亿车辆的67%，但是从供电方来看，要保证在晚上最佳充电时间充电，需要有电网与车辆之间的通讯连接，以便控制充电时间和分配必要的功率。对中国电网的低谷电力使用情况，各个不同供电区域能支持多少辆PHEV充电等问题尚需进一步研究。

    大多数中国城市居民都居住在没有在独立汽车库的楼房里，需进一步研究如何解决充电方案。中国各机关的公务车、公交车、特种车、都有专门用的停车地点或停车库，可以安装充电设备。

    4 结束语

    插电式混合动力汽车作为新能源汽车研究领域的热点,受到了各汽车企业、电池企业和电力公司的广泛关注。PHEV的发展既可能改变世界新能源汽车的发展步骤,也可能推动电动汽车动力电池新一轮的高速发展。