新型混合动力汽车（PHEV）技术简介(图文)

    内容提要：本文浅谈了一种新型的混合动力汽车—PHEV，从它的特点、动力系统结构、关键技术三方面进行了系统的阐述，指出PHEV将是传统汽车向纯电动汽车过渡的最佳方案之一。

    关键词：Plug-in  PHEV  混合动力

    能源和环境是实现可持续发展的必要条件。随着社会的发展进步，传统汽车（主要以汽油和柴油为燃料）保有量逐年增加，使得能源、温室气体、空气质量等三方面主要问题陷入了恶性循环。面临能源枯竭和大气污染的双重威胁，清洁能源汽车的发展势在必行，由于在技术、经济和环境等方面的优势，HEV被认为是目前最切实可行的清洁汽车方案。但是传统混合动力电动汽车由于存在价格高、效率低、仍然消耗较多汽油/柴油，远景并不乐观。因此急需开发出一种既能发挥现有混合动力汽车技术的最大优势，又能缓解能源和环境压力的全新清洁能源车型。

    1 PHEV的特点

    PHEV是一种可外接充电的新型混合动力汽车，兼有混合动力汽车（不可外接充电）和纯电动汽车的基本功能特征。这种PHEV具有以下特点：

    （1）具有纯电动汽车低噪音、零排放及高能量效率等全部优点。

    （2）可以大大降低HEV的有害气体、温室气体的排放，提高混合动力汽车的燃油经济性和动力性能。

    （3）具有纯电动状态下行驶较长距离的功能，但需要时仍然可以以全混合模式工作，其最大的特点是将混合动力驱动系统和纯电动驱动系统相结合，里程短时采用纯电动模式，里程长时采用以内燃机为主的混合动力模式。

    （4）可利用外部公用电网（主要是晚间低谷电力）对车载动力电池进行均衡充电，可改善电厂发电机组效率、消峰填谷缓解供电压力。

    （5）通过纯电动行驶，可大大降低对石油的依赖，从图1可以看出PHEV对缓解石油危机，减少和消除对石油的依赖具有举足轻重的作用。

    2 典型PHEV整车动力系统结构分析

    PHEV动力系统主要可分为串联式、并联式和混联式三种结构，其结构主要特点与传统HEV类似，不再赘述。所不同的是PHEV所用发动机功率比HEV的小，电机和电池功率比HEV的大，动力电池可通过自带的车载充电机经电网进行充电。

    2.1 串联式结构

    法国雷诺Kancoo采用串联式油电混合方式，严格说，该车型是一款典型的续驶里程延长型电动汽车，其动力电池可进行外接充电。动力系统结构原理如图2所示。

    在条件允许的条件下，可通过切断发动机的动力实现纯电动行驶；在要求迅速加速和爬坡时，以混合动力模式工作；当电池组不起作用或不能使用时，发动机可单独驱动电机带动汽车运行；在停车状态下可对动力电池进行充电。

    该车型配备镍镉动力电池，电池容量达到100A·h，电池总电压为132V；采用小排量0.5L发动机；发电机功率为5.5kW；驱动电机峰值功率为29kW。纯电动等速续驶里程达80km，最高车速110km/h，0～50km/h加速时间为8.5s。

    国内，中通-清源动力联合成功开发出一款串联式PHEV大客车，在保证动力性能的前提下，节油环保效果明显；纯电动模式下续驶里程可达40km。

    2.2 并联式结构

    EPRI/Daimler Chrysler Sprinter Vans(2003&2005) PHEV示范原理样车的动力系统采用并联式结构，其结构原理如图3所示。

    发动机和电机是两个相对独立的系统，即可实现纯电动行驶，又可实现内燃机驱动行驶，在功率需求较大时还可以实现全混合动力行驶，在停车状态下可进行外接充电。

    原理样车主要部件的性能参数：发动机采用2.7Ｌ汽油机或2.3Ｌ柴油机；电机的额定功率为72kW，峰值功率为91kW；蓄电池采用容量为14kW·h的镍氢电池或锂离子电池，其纯电动续驶里程为32km，混合续驶里程为600km。

    国家863专项，天津清源正在开发一款新型Plug-in混合动力轿车，其动力系统亦采用并联式结构，通过初步计算机仿真，在满足功能实现的前提下，各方面性能均能达到或超过863所规定的设计目标。

    2.3 混联式结构

    混联式PHEV最为典型的是由Prius改装而成的Hymotion Prius，其结构原理如图4所示。

    该改装车型不仅能实现纯电动行驶，而且可以通过功率分配机构保证发动机功率和电机功率的合理分配，以最优化比例实现高效驱动。

    车辆改装后，保留原车电池，并联新增锂离子动力电池包，新电池管理系统替代原车管理系统参与整车CAN总线控制，原车电池管理系统只和新电池管理系统通讯。在加速过程，电池管理系统发送比实际SOC高的数值，两个电池系统同时输出功率，新增电池系统不参与制动能量回收，但在停车状态下，通过车载充电器可对其进行外接充电。

    通过加装锂离子动力电池，城市工况55km/h以下可实现纯电动行驶，纯电动续驶里程可达50km。试验结果表明，全城市工况下，改装后的Hymotion Prius的燃油经济性是传统Prius的2.4倍。

    另外值得注意的是，改装的Hymtion Prius并没有对动力系统主要部件（发动机、电机、动力电池）的参数进行重新设计匹配，除了增装一锂离子动力电池外，其他主要部件都沿用传统的Prius，在这样的条件下，依旧表现出良好的燃油经济性和动力性。丰田公司已宣布于2010年推出全新Prius版Plug-in混合动力轿车，相信其各方面的性能将会有一个质的飞跃。

    3 关键技术和挑战

    PHEV的关键技术包括整车动力系统匹配与控制策略、动力电池、电机和充电基础设施。

    3.1 整车动力系统匹配与控制策略

    在混合动力系统技术的基础上，PHEV的整车开发技术主要包括动力系统参数匹配和整车控制策略两个部分。

    在进行参数匹配时，为保证纯电动功能下的动力性能和足够的行驶里程，需要大功率电机和高能量电池；为保证混合模式下的车辆动力性能，需要大功率电池，而发动机的功率可适当减小。在进行整车控制策略设计时，要考虑低SOC下如何保护电池、何时进入混合模式、如何实现全局燃料经济性最优等问题。

    3.2 PHEV用动力电池

    动力电池是各种电动车辆的主要能量载体和动力来源，也是PHEV整车成本的主要组成部分。动力电池自身技术的提高和成组应用技术的发展成为电动车辆市场化和商业化的关键因素之一。

    PHEV用动力电池应有足够大的比能量和比功率，在整车质量允许的前提下，尽可能地实现整车动力性指标和纯电动续驶里程；另外，动力电池在足够寿命的前提下，低SOC时应有大功率输出，高SOC时仍有高的输入功率，以回收制动能量。考虑以上因素，鉴于铅酸蓄电池过于笨重（比容量低）、衰减快、技术改进已到尽头；镍氢电池记忆性、比容量一般、单体电压低等缺陷，而锂离子动力蓄电池具有更高的能量密度，因此锂离子动力电池是PHEV的最佳选择。

    3.3 驱动电机

    PHEV对电机也有较高的要求，为满足在纯电动模式下启动及纯电动续驶里程、加速和高速行驶的要求，PHEV需要较大输出功率、低速时高扭矩和调速范围宽的电机；另外考虑到整车布置和使用寿命等因素，应尽量选取高密度、小型轻量化、高效率、高可靠性、高耐久性、强适应性的电机。就目前现有技术而言，永磁同步电机是个较好的选择。

    3.4 充电基础设施的建设

    充电基础设施建设是保证PHEV能源供给的技术条件，它包括电网和充电站两大部分。电网和充电站的建设都需要巨大的资金投入，要涉及到政府、电力、城建和市政等多个部门，是一项规模庞大的系统工程。为满足不同运行模式需求，可建立小型和大型两种充电站。

    小型充电站是国外可充电汽车使用最广泛的充电设施，对小型充电站的要求应是高效、节能、低造价、安全、可靠和维修性良好等，多分布于街头、超市、大楼和停车场等地方，小型充电站的构架和设备选购必须根据运营模式和系统要求综合平衡，统一筹划。

    大型充电站类似现有加油站，一般要有多套大型和小型充电机、监控和计费设备，多种规格的备用电池等组成，能开展对各类充电汽车的快速充电、慢速充电、快换电池和电池维护等业务。大型充电站目前只处于示范运行阶段，各项技术及配套方案都有待进一步设计优化。

    4 结束语

    鉴于PHEV的诸多优点和技术上的可行性，不难看出PHEV是一种最有发展前景的混合动力电动汽车驱动模式，也是向最终的清洁能源汽车（BEV和FCEV）过渡的最佳方案之一。