張志強(qiáng)，龍麗紅，張曉莉

（東風(fēng)柳州汽車有限公司，廣西 柳州545005）

插電式混合動(dòng)力汽車（Plug-in Hybrid Electric Vehicle）既可以從電網(wǎng)給車載動(dòng)力電池充電實(shí)現(xiàn)純電行駛，亦可使用燃油來驅(qū)動(dòng)汽車。因此插電式混合動(dòng)力汽車兼具傳統(tǒng)燃油汽車和電動(dòng)汽車的優(yōu)點(diǎn)，故插電式混合動(dòng)力汽車被廣泛地認(rèn)為是較易推廣和需重點(diǎn)研發(fā)的新能源汽車類型。

在日本和歐美等國，從上個(gè)世紀(jì)九十年代起依次出現(xiàn)了混合動(dòng)力汽車及插電式混合動(dòng)力汽車，相關(guān)企業(yè)和研究院所亦開展了大量的研究和應(yīng)用[1]。雖然我國的插電式混合動(dòng)力汽車研究和應(yīng)用起步較晚，但隨著國家政策的導(dǎo)向和扶持，越來越多企業(yè)開展了插電式混合動(dòng)力汽車的研發(fā)，并且有望借此機(jī)遇實(shí)現(xiàn)我國汽車工業(yè)的騰飛。

為此本文首先對插電式混合動(dòng)力汽車技術(shù)及相關(guān)特點(diǎn)進(jìn)行總結(jié)和分析；然后綜合最高車速、最大爬坡度和百公里加速時(shí)間需求，對插電式混合動(dòng)力汽車的動(dòng)力性進(jìn)行選型和匹配分析；其次對插電式混合動(dòng)力汽車所需電池包進(jìn)行選型和匹配分析，以保證其能夠滿足純電續(xù)航里程、綜合工況油耗和電機(jī)功率需求；最后結(jié)合充電需求對車載充電系統(tǒng)進(jìn)行選型和匹配分析。

1 插電式混合動(dòng)力汽車分類匯總

一般可將插電式混合動(dòng)力汽車按照動(dòng)力系統(tǒng)類別的不同，分成以下三種類型：

（1）串聯(lián)插電式混合動(dòng)力汽車

串聯(lián)插電式混合動(dòng)力汽車，亦稱為增程式。其技術(shù)特點(diǎn)如下圖1所示，發(fā)動(dòng)機(jī)只用于給汽車發(fā)電，汽車的行駛是只靠電機(jī)驅(qū)動(dòng)汽車來實(shí)現(xiàn)。目前常見車型有寶馬i3增程式和廣汽傳祺GA5增程式。

圖1 串聯(lián)PHEV示意圖

（2）并聯(lián)插電式混合動(dòng)力汽車

并聯(lián)插電式混合動(dòng)力汽車結(jié)構(gòu)示意如圖2所示，該類型下發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)均可驅(qū)動(dòng)汽車，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)布局較為緊湊。常見的車型有比亞迪秦、寶馬530Le、奔馳S500eL、奧迪 Q7e-tron、奇瑞艾瑞澤PHEV、索納塔PHEV等等。

圖2 并聯(lián)PHEV示意圖

（3）混聯(lián)插電式混合動(dòng)力汽車

混聯(lián)插電式混合動(dòng)力汽車，又可稱為動(dòng)力分流式混合動(dòng)力汽車。如圖3所示，該汽車系統(tǒng)結(jié)構(gòu)由一臺發(fā)動(dòng)機(jī)、一臺發(fā)電機(jī)、一臺電動(dòng)機(jī)和動(dòng)力分流的行星齒輪等特殊系統(tǒng)構(gòu)成。這種類型汽車的結(jié)構(gòu)和控制最為復(fù)雜[2，3]。常見車型有豐田普銳斯和帝豪PHEV等等。

圖3 混聯(lián)PHEV示意圖

2 插電式混合動(dòng)力汽車選型和匹配分析

對于插電式混合動(dòng)力汽車而言，選型和匹配首要考慮和分析的是動(dòng)力性、電池包和車載充電系統(tǒng)。本節(jié)將分別針對這三個(gè)關(guān)鍵項(xiàng)進(jìn)行詳細(xì)選型和匹配分析。

2.1 插電式混合動(dòng)力汽車動(dòng)力性選型

由于插電式混合動(dòng)力汽車兼具電機(jī)、電池包和發(fā)動(dòng)機(jī)等部件，一般會(huì)比傳統(tǒng)燃油汽車更重。為了匹配出更為合適的動(dòng)力性，插電式混合動(dòng)力汽車動(dòng)力系統(tǒng)的選型必須綜合考慮以下三個(gè)動(dòng)力性參數(shù)：最高車速需求的功率、最大爬坡度需求的功率和百公里加速時(shí)間需求的功率。

（1）最高車速需求的功率

最高車速需求的功率計(jì)算如下[4]：

其中：m為汽車質(zhì)量；g為重力加速度；f為汽車滾動(dòng)阻力系數(shù)；vmax為最高車速；CD為風(fēng)阻系數(shù)；A為迎風(fēng)面積；ηT為傳動(dòng)系統(tǒng)效率。

（2）最大爬坡度需求的功率

最大爬坡度需求的功率計(jì)算如下：

其中：α為爬坡度；va為坡道車速。

（3）百公里加速時(shí)間需求的功率

百公里加速時(shí)間需求的功率計(jì)算如下：

其中：t為0-100 km/h加速時(shí)間；δ為汽車旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù)；va為最終加速后的車速。

對于插電式混合動(dòng)力汽車而言，為同時(shí)滿足最高車速、最大爬坡度和百公里加速時(shí)間等動(dòng)力性需求，整車功率之和Pmax至少需大于P1、P2和P3中的最大值。

串聯(lián)插電式混合動(dòng)力汽車由于只有電機(jī)作為動(dòng)力源，為此電機(jī)的功率需為Pmax.而并聯(lián)式和混聯(lián)式，電機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)同時(shí)作為動(dòng)力源，故電機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)的功率總和需滿足Pmax.

2.2 插電式混合動(dòng)力汽車電池包選型

插電式混合動(dòng)力汽車的電池包直接影響著純電續(xù)航里程、綜合工況油耗、電機(jī)功率需求。為此，插電式混合動(dòng)力汽車電池包的選型分別需要滿足以下三個(gè)方面的需求：

（1）純電續(xù)航里程對電池包的選型影響

為獲得我國針對插電式混合動(dòng)力汽車的財(cái)政補(bǔ)貼，目前汽車在純電狀態(tài)下的續(xù)航里程至少要為50 km.一般而言，插電式混合動(dòng)力汽車的純電續(xù)航里程與電池包的電量基本成正比關(guān)系。結(jié)合目前國內(nèi)外插電式混合動(dòng)力汽車的綜合技術(shù)水平，為滿足純電續(xù)航里程為50 km，則電池包電量一般至少為10 kWh.

（2）綜合工況油耗對電池包的選型影響

插電式混合動(dòng)力汽車的綜合工況油耗的測算公式如下[5]：

其中：De為按照GB/T 19753附錄B測得的純電動(dòng)續(xù)駛里程（km）；Dav為25 km，GB/T 19753規(guī)定假設(shè)儲(chǔ)能裝置兩次充電之間的平均行駛里程；C1為按照GB/T 19753條件A（儲(chǔ)能裝置處于充電終止的最高荷電狀態(tài)）下測得的燃油消耗率（L/100km）；只要在NEDC測試過程，電機(jī)和電池足以完成測試循環(huán)，發(fā)動(dòng)機(jī)不啟動(dòng)，則無油耗，即C1等于0；C2：按照GB/T 19753條件B（儲(chǔ)能裝置處于放電結(jié)束的最低荷電狀態(tài)）下測得的燃油消耗率（L/100 km）。

分析綜合而言，De純電續(xù)航里程越大，C計(jì)算公式的分母越大，C就越??；而電池的電量越大，純電續(xù)航里程越長，C越小。

換言之，要獲得較小的C，在改善整車發(fā)動(dòng)機(jī)油耗的基礎(chǔ)上，可以再增加純電續(xù)航里程和電池電量。

（3）電機(jī)功率對電池包的選型影響

電池包能夠發(fā)出的功率需要滿足電機(jī)功率需求，為此電池包功率需求如下所示：

其中：Pmotor為電機(jī)功率；ηmotor為電機(jī)效率；ηMCU為電機(jī)控制器效率。

綜合而言，插電式混合動(dòng)力汽車的電池包電量需同時(shí)滿足純電續(xù)航里程、綜合工況油耗、電機(jī)功率的需求。

2.3 插電式混合動(dòng)力汽車車載充電系統(tǒng)選型

早期的傳統(tǒng)混合動(dòng)力汽車由于電池包的電量較?。ㄒ话愕陀?.5 kWh），可以通過剎車時(shí)回收動(dòng)能來為電池包充電，或通過將發(fā)動(dòng)機(jī)多余的功率用于發(fā)電，從而為電池包充電。

對于插電式混合動(dòng)力汽車，電池包的電量一般至少大于10kWh，則必需一套車載充電系統(tǒng)（OBC-onboard charge），以便盡快給電池包充電。車載充電系統(tǒng)的功率POBC可按下式進(jìn)行選型：

POBC=Ebattery/t×DOD

其中：POBC為充電系統(tǒng)功率；Ebattery為電池包電量；t為充電需求時(shí)間；DOD為電池包放電深度（Depth of discharge）。

3 結(jié)束語

（1）插電式混合動(dòng)力汽車按照動(dòng)力系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)的不同，可分為串聯(lián)式、并聯(lián)式和混聯(lián)式。

（2）插電式混合動(dòng)力汽車動(dòng)力性的選型和匹配必需同時(shí)滿足最高車速、最大爬坡度和百公里加速時(shí)間等對整車的功率要求。不同結(jié)構(gòu)類型的插電式混合動(dòng)力汽車，其發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)動(dòng)力性匹配需求各具特點(diǎn)。

（3）插電式混合動(dòng)力汽車電池包及電量的選型和匹配需要滿足純電續(xù)航里程、綜合工況油耗和電機(jī)功率等需求。

（4）插電式混合動(dòng)力汽車的車載充電系統(tǒng)需結(jié)合充電時(shí)間需求來選型和匹配確定。