內(nèi)容提要：本文淺談了一種新型的混合動力汽車—PHEV，從它的特點、動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、關(guān)鍵技術(shù)三方面進行了系統(tǒng)的闡述，指出PHEV將是傳統(tǒng)汽車向純電動汽車過渡的最佳方案之一。

    關(guān)鍵詞：Plug-in  PHEV  混合動力

    能源和環(huán)境是實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的必要條件。隨著社會的發(fā)展進步，傳統(tǒng)汽車（主要以汽油和柴油為燃料）保有量逐年增加，使得能源、溫室氣體、空氣質(zhì)量等三方面主要問題陷入了惡性循環(huán)。面臨能源枯竭和大氣污染的雙重威脅，清潔能源汽車的發(fā)展勢在必行，由于在技術(shù)、經(jīng)濟和環(huán)境等方面的優(yōu)勢，HEV被認為是目前最切實可行的清潔汽車方案。但是傳統(tǒng)混合動力電動汽車由于存在價格高、效率低、仍然消耗較多汽油/柴油，遠景并不樂觀。因此急需開發(fā)出一種既能發(fā)揮現(xiàn)有混合動力汽車技術(shù)的最大優(yōu)勢，又能緩解能源和環(huán)境壓力的全新清潔能源車型。

    1 PHEV的特點

    PHEV是一種可外接充電的新型混合動力汽車，兼有混合動力汽車（不可外接充電）和純電動汽車的基本功能特征。這種PHEV具有以下特點：

    （1）具有純電動汽車低噪音、零排放及高能量效率等全部優(yōu)點。

    （2）可以大大降低HEV的有害氣體、溫室氣體的排放，提高混合動力汽車的燃油經(jīng)濟性和動力性能。

    （3）具有純電動狀態(tài)下行駛較長距離的功能，但需要時仍然可以以全混合模式工作，其最大的特點是將混合動力驅(qū)動系統(tǒng)和純電動驅(qū)動系統(tǒng)相結(jié)合，里程短時采用純電動模式，里程長時采用以內(nèi)燃機為主的混合動力模式。

    （4）可利用外部公用電網(wǎng)（主要是晚間低谷電力）對車載動力電池進行均衡充電，可改善電廠發(fā)電機組效率、消峰填谷緩解供電壓力。

    （5）通過純電動行駛，可大大降低對石油的依賴，從圖1可以看出PHEV對緩解石油危機，減少和消除對石油的依賴具有舉足輕重的作用。

    2 典型PHEV整車動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析

    PHEV動力系統(tǒng)主要可分為串聯(lián)式、并聯(lián)式和混聯(lián)式三種結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)主要特點與傳統(tǒng)HEV類似，不再贅述。所不同的是PHEV所用發(fā)動機功率比HEV的小，電機和電池功率比HEV的大，動力電池可通過自帶的車載充電機經(jīng)電網(wǎng)進行充電。

    2.1 串聯(lián)式結(jié)構(gòu)

    法國雷諾Kancoo采用串聯(lián)式油電混合方式，嚴格說，該車型是一款典型的續(xù)駛里程延長型電動汽車，其動力電池可進行外接充電。動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理如圖2所示。

    在條件允許的條件下，可通過切斷發(fā)動機的動力實現(xiàn)純電動行駛；在要求迅速加速和爬坡時，以混合動力模式工作；當電池組不起作用或不能使用時，發(fā)動機可單獨驅(qū)動電機帶動汽車運行；在停車狀態(tài)下可對動力電池進行充電。

    該車型配備鎳鎘動力電池，電池容量達到100A·h，電池總電壓為132V；采用小排量0.5L發(fā)動機；發(fā)電機功率為5.5kW；驅(qū)動電機峰值功率為29kW。純電動等速續(xù)駛里程達80km，最高車速110km/h，0～50km/h加速時間為8.5s。

    國內(nèi)，中通-清源動力聯(lián)合成功開發(fā)出一款串聯(lián)式PHEV大客車，在保證動力性能的前提下，節(jié)油環(huán)保效果明顯；純電動模式下續(xù)駛里程可達40km。

    2.2 并聯(lián)式結(jié)構(gòu)

    EPRI/Daimler Chrysler Sprinter Vans(2003&2005) PHEV示范原理樣車的動力系統(tǒng)采用并聯(lián)式結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)原理如圖3所示。

    發(fā)動機和電機是兩個相對獨立的系統(tǒng)，即可實現(xiàn)純電動行駛，又可實現(xiàn)內(nèi)燃機驅(qū)動行駛，在功率需求較大時還可以實現(xiàn)全混合動力行駛，在停車狀態(tài)下可進行外接充電。

    原理樣車主要部件的性能參數(shù)：發(fā)動機采用2.7Ｌ汽油機或2.3Ｌ柴油機；電機的額定功率為72kW，峰值功率為91kW；蓄電池采用容量為14kW·h的鎳氫電池或鋰離子電池，其純電動續(xù)駛里程為32km，混合續(xù)駛里程為600km。

    國家863專項，天津清源正在開發(fā)一款新型Plug-in混合動力轎車，其動力系統(tǒng)亦采用并聯(lián)式結(jié)構(gòu)，通過初步計算機仿真，在滿足功能實現(xiàn)的前提下，各方面性能均能達到或超過863所規(guī)定的設(shè)計目標。

    2.3 混聯(lián)式結(jié)構(gòu)

    混聯(lián)式PHEV最為典型的是由Prius改裝而成的Hymotion Prius，其結(jié)構(gòu)原理如圖4所示。

    該改裝車型不僅能實現(xiàn)純電動行駛，而且可以通過功率分配機構(gòu)保證發(fā)動機功率和電機功率的合理分配，以最優(yōu)化比例實現(xiàn)高效驅(qū)動。

    車輛改裝后，保留原車電池，并聯(lián)新增鋰離子動力電池包，新電池管理系統(tǒng)替代原車管理系統(tǒng)參與整車CAN總線控制，原車電池管理系統(tǒng)只和新電池管理系統(tǒng)通訊。在加速過程，電池管理系統(tǒng)發(fā)送比實際SOC高的數(shù)值，兩個電池系統(tǒng)同時輸出功率，新增電池系統(tǒng)不參與制動能量回收，但在停車狀態(tài)下，通過車載充電器可對其進行外接充電。

    通過加裝鋰離子動力電池，城市工況55km/h以下可實現(xiàn)純電動行駛，純電動續(xù)駛里程可達50km。試驗結(jié)果表明，全城市工況下，改裝后的Hymotion Prius的燃油經(jīng)濟性是傳統(tǒng)Prius的2.4倍。

    另外值得注意的是，改裝的Hymtion Prius并沒有對動力系統(tǒng)主要部件（發(fā)動機、電機、動力電池）的參數(shù)進行重新設(shè)計匹配，除了增裝一鋰離子動力電池外，其他主要部件都沿用傳統(tǒng)的Prius，在這樣的條件下，依舊表現(xiàn)出良好的燃油經(jīng)濟性和動力性。豐田公司已宣布于2010年推出全新Prius版Plug-in混合動力轎車，相信其各方面的性能將會有一個質(zhì)的飛躍。

    3 關(guān)鍵技術(shù)和挑戰(zhàn)

    PHEV的關(guān)鍵技術(shù)包括整車動力系統(tǒng)匹配與控制策略、動力電池、電機和充電基礎(chǔ)設(shè)施。

    3.1 整車動力系統(tǒng)匹配與控制策略

    在混合動力系統(tǒng)技術(shù)的基礎(chǔ)上，PHEV的整車開發(fā)技術(shù)主要包括動力系統(tǒng)參數(shù)匹配和整車控制策略兩個部分。

    在進行參數(shù)匹配時，為保證純電動功能下的動力性能和足夠的行駛里程，需要大功率電機和高能量電池；為保證混合模式下的車輛動力性能，需要大功率電池，而發(fā)動機的功率可適當減小。在進行整車控制策略設(shè)計時，要考慮低SOC下如何保護電池、何時進入混合模式、如何實現(xiàn)全局燃料經(jīng)濟性最優(yōu)等問題。

    3.2 PHEV用動力電池

    動力電池是各種電動車輛的主要能量載體和動力來源，也是PHEV整車成本的主要組成部分。動力電池自身技術(shù)的提高和成組應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展成為電動車輛市場化和商業(yè)化的關(guān)鍵因素之一。

    PHEV用動力電池應(yīng)有足夠大的比能量和比功率，在整車質(zhì)量允許的前提下，盡可能地實現(xiàn)整車動力性指標和純電動續(xù)駛里程；另外，動力電池在足夠壽命的前提下，低SOC時應(yīng)有大功率輸出，高SOC時仍有高的輸入功率，以回收制動能量。考慮以上因素，鑒于鉛酸蓄電池過于笨重（比容量低）、衰減快、技術(shù)改進已到盡頭；鎳氫電池記憶性、比容量一般、單體電壓低等缺陷，而鋰離子動力蓄電池具有更高的能量密度，因此鋰離子動力電池是PHEV的最佳選擇。

    3.3 驅(qū)動電機

    PHEV對電機也有較高的要求，為滿足在純電動模式下啟動及純電動續(xù)駛里程、加速和高速行駛的要求，PHEV需要較大輸出功率、低速時高扭矩和調(diào)速范圍寬的電機；另外考慮到整車布置和使用壽命等因素，應(yīng)盡量選取高密度、小型輕量化、高效率、高可靠性、高耐久性、強適應(yīng)性的電機。就目前現(xiàn)有技術(shù)而言，永磁同步電機是個較好的選擇。

    3.4 充電基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)

    充電基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)是保證PHEV能源供給的技術(shù)條件，它包括電網(wǎng)和充電站兩大部分。電網(wǎng)和充電站的建設(shè)都需要巨大的資金投入，要涉及到政府、電力、城建和市政等多個部門，是一項規(guī)模龐大的系統(tǒng)工程。為滿足不同運行模式需求，可建立小型和大型兩種充電站。

    小型充電站是國外可充電汽車使用最廣泛的充電設(shè)施，對小型充電站的要求應(yīng)是高效、節(jié)能、低造價、安全、可靠和維修性良好等，多分布于街頭、超市、大樓和停車場等地方，小型充電站的構(gòu)架和設(shè)備選購必須根據(jù)運營模式和系統(tǒng)要求綜合平衡，統(tǒng)一籌劃。

    大型充電站類似現(xiàn)有加油站，一般要有多套大型和小型充電機、監(jiān)控和計費設(shè)備，多種規(guī)格的備用電池等組成，能開展對各類充電汽車的快速充電、慢速充電、快換電池和電池維護等業(yè)務(wù)。大型充電站目前只處于示范運行階段，各項技術(shù)及配套方案都有待進一步設(shè)計優(yōu)化。

    4 結(jié)束語

    鑒于PHEV的諸多優(yōu)點和技術(shù)上的可行性，不難看出PHEV是一種最有發(fā)展前景的混合動力電動汽車驅(qū)動模式，也是向最終的清潔能源汽車（BEV和FCEV）過渡的最佳方案之一。