2.3　插電式混合動力汽車構(gòu)型方案與特點

插電式混合動力汽車可以從外部電網(wǎng)對動力電池進(jìn)行充電，具有較長的純電動里程，同時，插電式混合動力汽車也可以在混合動力模式下工作。當(dāng)以純電動驅(qū)動模式運行時，能夠大大降低燃油消耗和有害氣體及溫室氣體的排放。插電式混合動力汽車克服了純電動汽車?yán)m(xù)駛里程不夠長的難題。同時，提供同樣行駛里程所用電能的成本要低于汽油，所以插電式混合動力汽車具有很好的經(jīng)濟(jì)性。因此，插電式混合動力汽車成為各汽車制造廠商競相開發(fā)的重點。

2.3.1　構(gòu)型方案及特點

插電式混合動力汽車的動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和普通混合動力汽車相似，包括發(fā)動機(jī)、電動機(jī)/發(fā)電機(jī)和動力電池等。但是插電式混合動力汽車的電池容量一般都會比較大，并且可以從外部電網(wǎng)對動力電池進(jìn)行充電。因其電池容量較大，所以插電式混合動力汽車的純電動續(xù)駛里程較長，同時，插電式混合動力汽車也可以像常規(guī)混合動力汽車一樣工作。在動力電池電量充足時的短距離行駛中，可以只工作于純電動模式，但是當(dāng)動力電池荷電狀態(tài)SOC下降到一定程度或電機(jī)功率不能滿足需求功率時，需要像普通混合動力汽車一樣工作。插電式混合動力汽車可分為牽引力組合式、轉(zhuǎn)矩組合式和轉(zhuǎn)速組合式，其結(jié)構(gòu)原理分別如圖2-33 （a）～圖2-33 （c）所示，與普通油電混合動力汽車最大的區(qū)別，就是動力電池能夠從外部電網(wǎng)獲取電能。

與2.2節(jié)介紹的普通油電混合動力汽車相似，根據(jù)主要動力源功率分流與合成方式不同，插電式混合動力汽車也分為三種基本類型，即串聯(lián)式、并聯(lián)式和混聯(lián)式。其結(jié)構(gòu)特點就是在傳統(tǒng)混合動力汽車上加裝或改裝可外接充電的動力電池。因此，不同類型的普通混合動力汽車所具備的特點在相應(yīng)類型的插電式混合動力汽車上依然存在，不同的是插電式混合動力汽車的動力電池和電機(jī)功率相比普通混合動力汽車要大許多，而發(fā)動機(jī)功率一般相比普通混合動力汽車要小。

串聯(lián)式插電混合動力汽車的特點：首先，由動力電池的電能提供驅(qū)動力，當(dāng)動力電池中的電量消耗到一定程度，發(fā)動機(jī)帶動發(fā)電機(jī)發(fā)電，電能直接由發(fā)電機(jī)輸送給電動機(jī)，發(fā)動機(jī)不直接驅(qū)動汽車，而由電動機(jī)產(chǎn)生的動力驅(qū)動汽車。

其次，發(fā)電機(jī)與驅(qū)動橋之間通過電能實現(xiàn)動力傳遞。由于發(fā)動機(jī)與車輪之間無機(jī)械連接，可以使發(fā)動機(jī)一直工作在最佳工況點附近，類似于普通串聯(lián)式油電混合動力汽車。它避免了發(fā)動機(jī)的怠速和低速運轉(zhuǎn)的工況，從而提高了發(fā)動機(jī)的效率，減少了廢氣排放。其結(jié)構(gòu)原理如圖2-34所示。

并聯(lián)式插電混合動力汽車的特點類似于并聯(lián)式普通油電混合動力汽車，可以采用發(fā)動機(jī)和電動機(jī)單獨驅(qū)動或者兩者聯(lián)合驅(qū)動汽車，發(fā)動機(jī)和后面的變速器有機(jī)械連接，由動力電池-電動機(jī)所提供的動力在原驅(qū)動系統(tǒng)的某一處和發(fā)動機(jī)動力會合。發(fā)動機(jī)和電機(jī)系統(tǒng)是相互獨立的，不僅可以實現(xiàn)純電動行駛，還可實現(xiàn)發(fā)動機(jī)單獨驅(qū)動行駛。在功率需求比較大時可以由發(fā)動機(jī)和電動機(jī)聯(lián)合驅(qū)動行駛，其結(jié)構(gòu)原理如圖2-35所示。

混聯(lián)式插電混合動力汽車的特點是在結(jié)構(gòu)上綜合了并聯(lián)式和串聯(lián)式混合動力汽車的特點，發(fā)動機(jī)發(fā)出的一部分功率可以通過機(jī)械方式傳遞到驅(qū)動橋，另一部分則驅(qū)動發(fā)電機(jī)發(fā)電，發(fā)電機(jī)發(fā)出的電能輸送給電動機(jī)或動力電池，電動機(jī)產(chǎn)生的驅(qū)動力矩通過動力耦合裝置傳送給驅(qū)動橋。混聯(lián)構(gòu)型充分發(fā)揮了串聯(lián)式和并聯(lián)式的優(yōu)點，能夠使發(fā)動機(jī)、發(fā)電機(jī)、電動機(jī)等部件實現(xiàn)更好的優(yōu)化匹配。停車時，通過車載電源對動力電池外接充電，低速行駛時，驅(qū)動系統(tǒng)主要以串聯(lián)方式工作，高速行駛時則以并聯(lián)方式工作。其缺點是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，可靠性較差。其結(jié)構(gòu)原理如圖2-36所示。

2.3.2　插電式混合動力汽車控制策略

近些年，國內(nèi)外學(xué)者對插電式混合動力汽車的控制策略進(jìn)行了大量研究，并針對不同的動力系統(tǒng)構(gòu)型提出了多種能量管理策略。基本分為以下幾種：基于邏輯門限值的能量管理策略；智能控制能量管理策略；瞬時最優(yōu)能量管理策略；全局最優(yōu)能量管理策略。

圖2-37為插電式混合動力汽車控制策略圖。從動力電池電量的角度看，插電式混合動力汽車的運行模式可以分為電量消耗模式（Charge-Depleting Mode，CD模式）和電量維持模式（Charge-Sustaining Mode，CS模式）兩種；從驅(qū)動功率源的角度看，插電式混合動力汽車可以分為工作在純電動驅(qū)動模式、電機(jī)為主的驅(qū)動模式和發(fā)動機(jī)為主的驅(qū)動模式三種。

①純電動驅(qū)動模式　在純電動驅(qū)動模式下，驅(qū)動車輛的動力全部來自電驅(qū)動系統(tǒng)，即消耗動力電池內(nèi)部的電能來驅(qū)動汽車行駛，直到電池荷電狀態(tài)下降到設(shè)定的閾值，CD階段結(jié)束。為了實現(xiàn)純電動驅(qū)動模式，電驅(qū)動系統(tǒng)至少能夠滿足循環(huán)工況的最大轉(zhuǎn)矩需求，否則汽車的動力性將無法滿足需求。因此，在設(shè)計時必須選擇大功率的驅(qū)動電機(jī)和大容量的動力電池，然而，這樣一來就會導(dǎo)致電機(jī)與電池的尺寸增加，電驅(qū)動系統(tǒng)的成本升高。純電動驅(qū)動模式的優(yōu)點是它不涉及動力源的切換，在這一模式下汽車像純電動汽車一樣運行，車輛行駛平順性好，而且在CD階段能夠?qū)崿F(xiàn)零排放、零污染。

②電機(jī)為主的驅(qū)動模式　該模式與純電動驅(qū)動模式相似，不同之處在于當(dāng)駕駛員需求功率較大時，發(fā)動機(jī)也參與驅(qū)動，而不是由電機(jī)單獨驅(qū)動。車輛行駛時，如果需求轉(zhuǎn)矩較小，且在驅(qū)動電機(jī)的驅(qū)動能力范圍內(nèi)，那么電機(jī)單獨驅(qū)動就能夠滿足駕駛需求；如果需求轉(zhuǎn)矩上升到一定值，超過了驅(qū)動電機(jī)的驅(qū)動能力范圍，電機(jī)單獨驅(qū)動已不能滿足駕駛需求，此時就會啟動發(fā)動機(jī)進(jìn)行助力，補(bǔ)償超出電機(jī)驅(qū)動能力的那部分需求轉(zhuǎn)矩。由于發(fā)動機(jī)輸出的補(bǔ)償轉(zhuǎn)矩較小，整體輸出能量較小，因此即使發(fā)動機(jī)不能工作在高效區(qū)，整車燃油消耗仍然相對較小。但是此時發(fā)動機(jī)的排放性能較差，如果選擇這種驅(qū)動模式，需要著重對其排放進(jìn)行處理。

③發(fā)動機(jī)為主的驅(qū)動模式　在發(fā)動機(jī)為主驅(qū)動模式下，發(fā)動機(jī)作為主動力源，電機(jī)是輔助動力源驅(qū)動車輛。車輛行駛過程中，可能先由電機(jī)單獨驅(qū)動，也有可能在整個CD階段都是由電機(jī)來驅(qū)動。但是如果需求轉(zhuǎn)矩超過了電機(jī)驅(qū)動能力范圍，或者發(fā)動機(jī)能夠工作在高效區(qū)，則啟動發(fā)動機(jī)。發(fā)動機(jī)啟動后，驅(qū)動電機(jī)則作為輔助動力源工作，補(bǔ)償超過發(fā)動機(jī)高效區(qū)的那部分需求轉(zhuǎn)矩，盡量使發(fā)動機(jī)工作在高效區(qū)內(nèi)。由于發(fā)動機(jī)參與工作的機(jī)會較多，燃油消耗量較多，而動力電池電量消耗較小。

三種驅(qū)動模式各有利弊。純電動驅(qū)動模式在CD階段能夠?qū)崿F(xiàn)零排放、零污染，但是與另外兩種模式相比，動力性相對較差。另外，如果電池與驅(qū)動電機(jī)選擇不當(dāng)，甚至?xí)霈F(xiàn)電驅(qū)動系統(tǒng)輸出能力不能滿足循環(huán)工況需求的問題。而且這種模式下電池SOC消耗最快，純電動續(xù)駛里程最短。電機(jī)為主的驅(qū)動模式下電池電量消耗較慢，純電動續(xù)駛里程較長，而且發(fā)動機(jī)可以輸出補(bǔ)償力矩，不存在動力系統(tǒng)輸出能力不滿足循環(huán)工況需求的問題。但是由于發(fā)動機(jī)在低效率區(qū)工作產(chǎn)生的排放問題，需要特別注意。發(fā)動機(jī)為主的驅(qū)動模式下，電池電量消耗最慢，同樣不存在動力系統(tǒng)輸出能力不滿足循環(huán)工況需求的問題，但是發(fā)動機(jī)工作機(jī)會多、時間長，使整車燃油消耗量較大，廢氣排放較多。

2.3.3　小結(jié)

當(dāng)前，市場上的在售的混合動力汽車中，大部分是插電式混合動力汽車。這一車型由于能夠從外界電網(wǎng)獲取電能來作為驅(qū)動汽車行駛的能量，在結(jié)構(gòu)上更接近于純電動汽車，其燃油經(jīng)濟(jì)性和排放性更好。現(xiàn)在普遍認(rèn)為，混合動力汽車是從傳統(tǒng)汽車向純電動汽車過渡的中間形式，而插電式混合動力汽車無疑是最接近于純電動汽車的混合方式。