启飞汽车

摘要

    插电式混合动力汽车是由普通油电混合动力汽车派生出来的, 具有纯电动汽车节能环保的特点, 又具有普通油电混合动力汽车续驶里程长的特点, 并且可利用夜间用电低谷对动力电池进行充电, 是当前最有发展潜力的新能源汽车。概述了插电式混合动力汽车的技术特点, 对国内外插电式混合动力汽车的研发状况以及我国插电式混合动力汽车的技术前景进行了分析。

一、插电式混合动力汽车动力系统结构

    插电式混合动力汽车动力系统的结构和普通油电混合动力汽车相似, 包括发动机、电动机 (简称电机) /发电机和动力电池等。但是插电式混合动力汽车的电池容量一般都比较大, 并且可从外部电网对动力电池充电, 所以插电式混合动力汽车的纯电动续驶里程较长。同时, 插电式混合动力汽车可以像普通油电混合动力汽车一样工作。在动力电池电量充足时的短距离行驶中, 可以只工作于纯电动模式, 当动力电池荷电状态SOC下降到一定程度, 动力电池的能量不能满足需求时, 必需像普通油电混合动力汽车一样工作。

1.按照驱动系统结构分类

    与普通油电混合动力汽车相似, 按照驱动系统结构的不同, 也就是根据主要动力源功率分流与合成方式的不同, 可将插电式混合动力汽车分为串联式、并联式和混联式等3种类型。其结构特点是在普通油电混合动力汽车上加装动力电池, 实现外接充电。由此可知, 3种类型的普通油电混合动力汽车所具备的特点在相应类型的插电式混合动力汽车上同样存在, 所不同的是, 插电式混合动力汽车的动力电池和电机功率比普通油电混合动力汽车大许多, 而发动机功率比普通油电混合动力汽车小。

1.1串联式PHEV

    串联式PHEV的结构如图1所示。串联式PHEV具有如下特点:
    1)汽车由动力电池提供驱动力, 当动力电池的能量不足时, 发动机带动发电机发电, 发电机将电能输送给电动机, 电动机直接驱动汽车。
    2)类似于普通串联式油电混合动力汽车, 发电机与驱动桥之间通过电能来实现动力传递, 发动机与车轮之间没有机械连接, 发动机可一直工作在最佳工况点附近, 避免了发动机的怠速和低速运转工况, 提高了发动机的效率, 减少了废气排放。
 

 
图1 串联式PHEV结构

    增程式电动汽车 (EREV) 的工作原理与串联式PHEV非常类似, 但两者是有本质区别的。串联式PHEV是由普通油电混合动力汽车派生出来的, 具有普通油电混合动力汽车的大部分特点, 只是将功率型电池更换为比容量更大的能量型电池, 使动力电池有足够的能量, 保证汽车在纯电动模式下的行驶里程更长。增程式电动汽车是由纯电动汽车派生出来的, 由于汽车增加了增程器, 所以称为增程式电动汽车。所谓的增程器, 就是一台小型发动机, 用于发电, 以提高纯电动汽车的续驶里程, 避免频繁地停车充电。当动力电池的能量充足时, 汽车进入纯电动模式, 由电动机驱动汽车行驶;当动力电池所储存电量无法满足纯电动工况时, 增程器 (发动机) 起动, 通过发电机对动力电池充电, 在汽车依然由电动机驱动的前提下增加续驶里程。

1.2并联式PHEV

    并联式PHEV的结构如图2所示。其特点类似于并联式普通油电混合动力汽车。发动机和电动机相互独立, 既可以采用电动机单独驱动汽车, 实现纯电动行驶, 又可以采用发动机单独驱动汽车行驶, 在功率需求较大时可以由发动机和电动机联合驱动汽车行驶。发动机和变速器通过耦合器进行机械连接, 发动机所提供的动力和由动力电池-电动机所提供的动力在原驱动系统的某一处会合。
 

 
图2 并联式PHEV结构 

1.3混联式PHEV

    混联式PHEV的结构如图3所示。混联式PHEV综合了并联式PHEV和串联式PHEV的特点, 可使发动机、发电机等部件实现优化匹配。发动机发出的功率可分为两部分, 一部分通过机械方式传递到驱动桥, 另一部分驱动发电机发电, 发电机发出的电能输送给动力电池或电动机, 电动机产生的驱动力矩通过动力耦合装置传送给驱动桥。停车时, 利用外部充电设施对动力电池进行充电;汽车低速行驶时, 驱动系统主要以串联方式工作;汽车高速行驶时, 驱动系统主要以并联方式工作。
 

 
图3 混联式PHEV结构 

2.按照电动机驱动功率占整车功率的比例分类

    电动机驱动功率占整车功率的比例, 也叫混合度, 据此可将插电式混合动力汽车分成4种类型:
    1)微混合, 混合度在5%以内;
    2)轻混合, 混合度在20%左右;
    3)中混合, 混合度可达30%~40%;
    4)重混合, 也叫全混合, 混合度达40%以上。
随着混合度的增强, 所需电机功率和电池能量增大, 节能减排效果越好。

二、插电式混合动力汽车的工作模式

    按照PHEV动力电池电量的变化特点, 可将PHEV的工作模式分为电量消耗模式、电量保持模式和常规充电模式等3种。PHEV在运行过程中, 根据整车控制策略, 将电量消耗模式、电量保持模式和常规充电模式实现无缝衔接。
    1)电量消耗模式。可分为纯电动模式和混合动力模式。纯电动模式主要用于汽车低速或低负荷时, 由动力电池驱动汽车, 发动机处于关闭状态, 汽车的动力性相对较弱;混合动力模式主要用于汽车高速或负荷较高时, 电机和发动机同时处于工作状态, 动力电池为汽车行驶提供主要动力, 发动机则为汽车行驶提供动力电池输出不足的动力。纯电动和混合动力2种模式的选择, 取决于PHEV行驶时的动力需求。在电量消耗模式下, 汽车将最大限度地使用动力电池的能量。
    2)电量保持模式。为保证汽车和动力电池的安全性以及使用连续性, 当动力电池的电量消耗到一定程度时, 汽车将自动进入电量保持模式, 由发动机驱动汽车行驶, 动力电池的电量基本保持不变。
    3)常规充电模式。利用车载充电器通过外部充电设施给动力电池充电。

三、插电式混合动力汽车的研发状况

1.国外插电式混合动力汽车研发状况

    日本丰田的双ISG+行星轮系混合动力技术已非常成熟;日本本田的ISG+CVT混合动力技术日趋成熟。美国通用汽车公司已掌握成熟的BSG和并联混合动力技术;德国大众奥迪的ISG和并联混合动力技术趋于成型;德国宝马X系列采用ISG+AT混合动力模式。
    1)美国通用汽车公司的凯迪拉克CT6插电式混合动力汽车, 由一台2.0T SIDI涡轮增压4缸汽油发动机和2台高性能驱动电机组成。这2台高性能驱动电机与3组行星齿轮及5组离合器共同组成一台高性能多模式EVT变速箱, 提供4种主要动力分配模式以及3种驾驶模式选择。电池组为锂离子电池, 由192个电池模块组成, 总容量达18.4 k W·h。发动机的最大功率和最大转矩分别为203 k W (5 300 r/min) 和400 N·m (3 000~4 300 r/min) ;电机的最大功率和最大转矩分别为47 k W和186 N·m。系统综合最大输出功率和最大转矩分别为250 k W和586 N·m, 综合油耗为1.7 L/100 km, 0~100 km加速时间为5.4 s。纯电动模式下, 最高车速为125 km/h, 续驶里程为80 km。混合动力模式下, 最高车速为240 km/h, 续驶里程达到935 km。由于将双电机集成于变速箱内部, 无论是电池产生的能量, 还是发动机产生的能量, 都可通过变速器传递到车轮上, 从而保证了动力输出的一致性。日常使用中, 在220 V电压下, 有2种充电方式:充电桩充电和旅行充电, 充电时间不到5 h。
    2)日本丰田普锐斯PHV插电式混合动力汽车, 由一台热效率高达40%的1.8 L自然吸气4缸汽油发动机和2台电机组成。发动机采用阿特金森循环, 压缩比达到13.0, 采用ECVT电磁耦合无级变速箱。发动机的最大功率为72 k W (5 200 r/min) , 最大转矩为142 N·m (3 600 r/min) , 前后各一台电机的额定功率分别为53 k W和23 k W, 转矩分别为163 N·m和40 N·m, 系统综合输出功率达90 k W。0~100 km/h加速时间仅需11.1 s, 最高车速为162 km/h。由于采用了容量为8.8 k W·h的锂电池组, 且在车顶搭载了一块最大输出功率达180 W的太阳能电池板, 因此纯电动模式下的最高车速达135 km/h, 续驶里程达68.2 km。混合动力模式下的油耗为37.2 km/L, 综合油耗约为2.7 L/100 km, 在混合动力模式下的总续驶里程可达965 km。支持快充电和慢充电, 采用快充电, 可20 min充满80%电量。因为搭载了一块太阳能板, 此车型成为全世界首款支持太阳能充电的量产车型。太阳能电池板的发电量不仅可用于电气设备, 还可用于驱动电机, 使汽车能够边行驶边充电。
    3)瑞典沃尔沃S60L智能E驱插电式混合动力汽车, 由一台Drive-E 2.0L涡轮增压4缸汽油发动机和前后2台电机组成, 采用8速手电一体变速箱。发动机的最大功率为175 k W (5 500 r/min) , 最大转矩为350 N·m (1 500~4 800 r/min) ;前电机为C-ISG曲轴集成式起动发电一体化电机, 最大功率为33 k W, 最大转矩为150 N·m;后电机为ERAD集成式后轴驱动电机, 最大功率为50 k W, 最大转矩为200 N·m。动力电池为锂离子电池, 容量为11.2 k W·h。共有3种驾驶模式, 在pure (纯电动) 模式下, 续驶里程为53 km;在hybrid (混合动力) 模式下, 综合油耗为2.1 L/100 km, CO2排放量低至49 g/km, 续驶里程达1 000 km;在power (高性能运动) 模式下, 系统综合最大功率为225 k W, 最大转矩为550 N·m, 最高车速为230 km/h, 0~100 km/h加速时间仅为5.6 s。可采用公共充电设施对动力电池进行充电, 同时, 随车配备有便携式充电电缆, 适合普通220 V电源插座, 能做到随插随用。
    4)德国宝马i8插电式混合动力汽车, 由一台1.5 L BMW Twin Power Turbo涡轮增压3缸汽油发动机和一台电机组成, 搭载一台6挡手自一体变速箱。发动机的输出功率为170 k W (5 800 r/min) , 最大转矩为320 N·m (3 700 r/min) ;电机的输出功率为96 k W, 最大转矩为250 N·m;综合最大功率为266 k W, 综合最大转矩为570 N·m, 锂离子电池的容量为7.1 k W·h。CO2排放量为49 g/km, 在欧盟测试循环中, 平均油耗为2.1 L/100 km。同时使用2个动力源时, 综合油耗不到5 L/100 km。加上在市郊公路和高速公路上的长距离行驶, 油耗也不到7 L/100 km。即使全部是长途行驶, 油耗也不到8 L/100 km。总体来说, 在任何条件下, 插电式混合动力汽车的油耗都比同级别的传统燃油动力汽车降低了约50%。使用i WallboxPURE充电墙盒 (16 A) , 充电80%的时间为2 h, 若使用家用电源 (12 A) , 充电80%需要2.5 h左右。在SPORT模式下, 发动机会为电池进行持续充电。

2.我国插电式混合动力汽车研发状况

    我国自主研发的插电式混合动力汽车主要采用将电机安装在变速箱、发动机间的离合器后以及将电机装在变速器输出轴等2种技术线路, 经过多年的发展, 已形成竞争优势, 在国内市场有较高的占有率。
    1)广汽传祺GS4 2017款1.5 L PHEV智享版插电式混合动力汽车, 由一台1.5 L自然吸气4缸汽油发动机和一台永磁同步电机组成, 搭载一台电动车单速变速箱。电池为三元锂电池, 电池容量为12 k W·h。电机的最大输出功率和最大转矩分别为130 k W和300 N·m。发动机的最大功率和最大转矩分别为71 k W (5 500 r/min) 和120 N·m (1 200~5 000 r/min) 。综合工况油耗为1.8 L/100 km, 最高车速为180 km/h, 纯电动模式下的续驶里程为58 km。
    2)上汽荣威e RX5 1.5TGI尊贵旗舰版插电式混合动力汽车, 由一台1.5 L涡轮增压4缸汽油机发动机和一台永磁同步电机组成, 搭载一台2挡自动变速箱。电池为三元锂电池, 电池容量为12 k W·h, 采用快充方式, 电池充满电需3 h。电机的最大输出功率和最大转矩分别为56 k W和318 N·m。发动机的最大功率和最大转矩分别为124 k W (5 600 r/min) 和250 N·m (1 700~4 400 r/min) , 综合转矩为704 N·m, 综合油耗为1.6 L/100 km, 0~100 km/h加速时间为7.8 s, 最高车速为200 km/h, 纯电动模式下的续驶里程为60 km;混合驱动模式下, 续驶里程为650~800 km。
    3)比亚迪唐2017款2.0T唐100插电式混合动力汽车, 由一台2.0L涡轮增压4缸汽油发动机和2台永磁同步电机组成, 搭载一台6挡双离合变速箱。三元锂电池 (镍钴锰酸锂电池) 的容量为23 k W·h, 采用慢充方式, 充满电用时6.9 h。发动机的最大功率和最大转矩分别为151 k W (5 500~6 000 r/min) 和320 N·m (1 750~4 500 r/min) 。2台电机前后布置, 每台电机的最大功率和最大转矩分别为110 k W和250 N·m, 电机总的最大功率和最大转矩分别为220 k W和500 N·m。综合工况油耗为1.8 L/100 km, 最高车速为180 km/h, 0~100 km/h加速时间为4.9 s, 纯电动模式下的续驶里程为100 km。
    4)吉利帝豪PHEV 2017款1.5L E-CVT进取版插电式混合动力汽车, 由一台1.5L自然吸气4缸汽油发动机、一台永磁同步电机和一台发电机组成, 搭载一台E-CVT无级变速箱。发动机的最大功率为76 k W, 电机的最大功率和最大转矩分别为114 k W和339 N·m。采用三元锂电池组, 电池组容量为11 k W·h。使用交流式公共充电桩或家用壁挂式交流充电盒 (最大充电功率为3.3 k W) 给电池组充电时, 充满电需3.5 h。如果使用随车附赠的220 V应急充电线 (三相插头) 进行充电, 最大充电功率仅为1.8 k W, 充满电需6.7 h左右。综合工况油耗为1.5 L/100 km, 最高车速为175 km/h, 纯电动模式下的续驶里程为61 km。

四、插电式混合动力汽车应用情况

    2016年全球新能源汽车销量为773 600辆, 其中36%为插电式混合动力汽车。
    截至2016年年底, 全球超过200万辆的新能源汽车保有量中, 39%为插电式混合动力汽车。

1.国外插电式混合动力汽车应用情况

 

表1 2016年国外主要PHEV车型销量统计表
 
 

    1)2016年美国新能源汽车总销量为157 130辆, 其中PHEV销量为722 80辆, 在美国新能源汽车中的份额明显上升, 从38%上升到46%。原因是新款Volt, 福特Fusion销量的攀升以及许多进口PHEV产品的导入。2017年美国电动汽车总销量为199 822辆, 比2016年增长27%。其中PHEV销量占47%。
    2)2016年, 三菱欧蓝德PHEV的销量共计5 459辆, 在2016年日本电动汽车市场中的占比为24%, 这是该车型在日本市场表现最差的一年。其次是丰田普锐斯Plug-In, 销量为160辆, 占比为1%。2016年日本电动汽车销量下滑的主要原因是低廉的油价以及可选车型较少。
    3)2016年, 德国插电式混合动力电动汽车销量最多的是奥迪A3 e-Tron, 销量为1 615辆, 在2016年德国电动汽车市场中的占比为6%;其次是三菱欧蓝德PHEV, 销量为1 436辆, 占比为5%;第三是大众Golf GTE, 销量为1 315辆, 占比接近5%。

2.我国插电式混合动力汽车应用情况

    2016年, 我国插电式混合动力汽车产量和销量分别为9.9万辆和9.8万辆, 同比2015年分别增长15.7%和17.1%。其中, 插电式混合动力乘用车产量和销量分别为8.1万辆和7.9万辆, 同比2015年分别增长29.9%和30.9%。
    2016年我国插电式混合动力汽车销量分布如图4所示。从图4可以看出, 2016年, 插电式混合动力汽车销售市场主要集中在上海、广东两地, 占总销量的比例分别为37%和27%。而作为新能源汽车产销最大市场的北京市, 基本没有插电式混合动力车型销售, 主要原因是插电式混合动力车型在北京不仅不能享受地方补贴, 还无法参与新能源汽车单独摇号, 市场竞争力大大减弱, 消费者更多选择纯电动汽车。在政策力度相似的上海、广州、深圳, 可以长途出行的插电式混合动力汽车如比亚迪唐及比亚迪秦销售势头良好。
 

 
图4 2016年我国PHEV销量分布图

    2017年,我国插电式混合动力汽车产量和销量分别为12.8万辆和12.4万辆, 同比2016年分别增长28.5%和26.9%。
    2017年我国插电式混合动力汽车销量前10名如表2所示。从地域看, 上海插电式混合动力汽车的市场优势仍然较明显, 广州和深圳市场的表现一般, 非限购地区的插电式混合动力汽车有突破趋势。
 

表2 2017年度国内PHEV销量排行榜

五、我国插电式混合动力汽车技术发展前景

1)驱动电机及其控制技术

    2016年, 我国新能源汽车的驱动电机系统新产品不断涌现, 产品集成度和产品技术指标不断上升。在新能源乘用车驱动电机系统方面, 集成驱动电机/电机控制器/减速器的三合一电驱动总成、驱动电机与2挡变速器总成等已开始应用。在新能源商用车驱动电机系统方面, 集成了多个电机控制器、DCDC变换器、充电机、高压配电盒的电力电子集成控制器已成熟并不断小型化;集成电磁离合器的双电机串并联系统也开始应用。在技术指标方面, 我国新能源乘用车驱动电机功率密度已达到3.3~3.6 k W/kg, 最高转速提高至12 800 r/min以上;新能源商用车驱动电机转矩密度达到18 N·m/kg以上, 最高转速达到3 500 r/min以上;电机控制器功率密度和效率分别达到12 k W/L和98%以上。

2)锂离子电池技术

    2016年, 我国新能源汽车配套动力电池总量为28.14 GW·h, 同比2015年增长72%。其中, 磷酸铁锂电池为20.332 GW·h, 三元锂电池为6.447 GW·h, 锰酸锂电池为0.962 GW·h, 钛酸锂电池为0.413 GW·h。
2017年新能源汽车补贴政策, 将电池的系统能量密度列为一项重要考核指标。三元锂电池, 尤其是高镍三元锂电池成为动力电池发展方向。预计至2020年, 采用三元材料的动力电池需求量将上升至71.6 GW·h, 占比由目前的22%上升至70%以上。

3)充电基础设施

    根据中国电动汽车充电基础设施促进联盟 (充电联盟) 统计, 截止2016年底, 我国公共类充电桩建设、运营数量超过15万个, 相比于2015年末的4.9万个, 净增2倍以上, 我国充电基础设施公共类充电设施保有量全球第一。
    中国汽车工程学会于2016年10月26日发布的《节能与新能源汽车技术路线图》明确指出:2020年, 建成超过1.2万座充换电站, 超过500万个交直流充电桩, 在小规模城市群建设充电服务网站, 慢充功率提高至6.6 k W以上, 快充每充电15 min可行驶里程大于100 km, 实现无线充电、移动充电等新型充电技术试点运营, 探索清洁能源与电动汽车的融合, 实现电网与车辆双向充电技术 (V2G) ;2025年, 建成超过3.6万座充换电站, 超过2 000万个交直流充电桩, 建成覆盖全国的充电服务网络, 慢充功率提高至10 k W, 快充每充电10 min可行驶里程超过100 km, 实现无线充电、移动充电等新型充电技术大规模推广应用, 实现可再生能源与电动汽车融合的示范应用;2030年, 建成超过4.8万座充电站, 超过8 000万个交直流充电桩, 进一步完善优化全国充电服务网络, 将风能、太阳能等接入充电服务网络, 实现可再生能源与电动汽车融合的规模化应用。

六、结束语

    1)插电式混合动力汽车综合了普通油电混合动力汽车和纯电动汽车各自的优点。与普通油电混合动力汽车相比, 插电式混合动力汽车动力电池的容量更大, 可外接充电设施进行充电, 节油率比普通油电混合动力汽车高许多。日常出行时, 插电式混合动力可当作纯电动汽车使用。与纯电动汽车相比, 插电式混合动力汽车动力电池的容量小很多。如果没有合适的充电条件, 插电式混合动力汽车可当作传统燃油汽车使用, 行驶里程不受限制。
    2)研发高效可靠的电机, 提高电池的能量密度及安全性能是当前插电式混合动力汽车的研发重点。提高电池的能量密度是汽车生产商和动力电池制造商共同努力的方向。
    3)与传统燃油汽车相比, 插电式混合动力汽车的造价仍然很高。必须尽快使动力电池、驱动电机和插电式混合动力专用发动机产业化,使插电式混合动力汽车产业的规模达到一定程度, 从而使成本大幅度降低。
    4)制约我国插电式混合动力汽车产业发展的瓶颈是产业链较为分散, 基础设施还不健全, 市场认可度相对较低。实现插电式混合动力汽车产业化和商业化, 需要我国政府大力扶助, 国内的汽车企业应加强自主创新, 提高研发速度, 缩小与国外先进汽车企业的差距。
    5)目前,插电式混合动力汽车的售后服务体系尚未成熟, 维修成本较高, 必须采取比传统燃油汽车更加优惠的保修政策, 消除顾客对插电式混合动力汽车技术的忧虑, 提高客户购买插电式混合动力汽车的信心。
    6)从传统燃油汽车向纯电动汽车的转变是大势所趋, 在过渡阶段, 插电式混合动力汽车起着举足轻重的作用, 在未来近二三十年内, 插电式混合动力汽车将是最适合推广应用的新能源汽车。随着插电式混合动力汽车所面临的技术问题得到解决, 插电式混合动力汽车必将成为主流车型, 最终顺利过渡到纯电动汽车。
 
作者：邱先文  来源：小型内燃机与车辆技术
 

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