2.3　插電式混合動力汽車構型方案與特點

插電式混合動力汽車可以從外部電網對動力電池進行充電，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。當以純電動驅動模式運行時，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續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濟性。因此，插電式混合動力汽車成為各汽車制造廠商競相開發的重點。

2.3.1　構型方案及特點

插電式混合動力汽車的動力系統結構和普通混合動力汽車相似，包括發動機、電動機/發電機和動力電池等。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對動力電池進行充電。因其電池容量較大，所以插電式混合動力汽車的純電動續駛里程較長，同時，插電式混合動力汽車也可以像常規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，但是當動力電池荷電狀態SOC下降到一定程度或電機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、轉矩組合式和轉速組合式，其結構原理分別如圖2-33 （a）～圖2-33 （c）所示，與普通油電混合動力汽車最大的區別，就是動力電池能夠從外部電網獲取電能。

與2.2節介紹的普通油電混合動力汽車相似，根據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，即串聯式、并聯式和混聯式。其結構特點就是在傳統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功率相比普通混合動力汽車要大許多，而發動機功率一般相比普通混合動力汽車要小。

串聯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動力，當動力電池中的電量消耗到一定程度，發動機帶動發電機發電，電能直接由發電機輸送給電動機，發動機不直接驅動汽車，而由電動機產生的動力驅動汽車。

其次，發電機與驅動橋之間通過電能實現動力傳遞。由于發動機與車輪之間無機械連接，可以使發動機一直工作在最佳工況點附近，類似于普通串聯式油電混合動力汽車。它避免了發動機的怠速和低速運轉的工況，從而提高了發動機的效率，減少了廢氣排放。其結構原理如圖2-34所示。

并聯式插電混合動力汽車的特點類似于并聯式普通油電混合動力汽車，可以采用發動機和電動機單獨驅動或者兩者聯合驅動汽車，發動機和后面的變速器有機械連接，由動力電池-電動機所提供的動力在原驅動系統的某一處和發動機動力會合。發動機和電機系統是相互獨立的，不僅可以實現純電動行駛，還可實現發動機單獨驅動行駛。在功率需求比較大時可以由發動機和電動機聯合驅動行駛，其結構原理如圖2-35所示。

混聯式插電混合動力汽車的特點是在結構上綜合了并聯式和串聯式混合動力汽車的特點，發動機發出的一部分功率可以通過機械方式傳遞到驅動橋，另一部分則驅動發電機發電，發電機發出的電能輸送給電動機或動力電池，電動機產生的驅動力矩通過動力耦合裝置傳送給驅動橋。混聯構型充分發揮了串聯式和并聯式的優點，能夠使發動機、發電機、電動機等部件實現更好的優化匹配。停車時，通過車載電源對動力電池外接充電，低速行駛時，驅動系統主要以串聯方式工作，高速行駛時則以并聯方式工作。其缺點是結構復雜，可靠性較差。其結構原理如圖2-36所示。

2.3.2　插電式混合動力汽車控制策略

近些年，國內外學者對插電式混合動力汽車的控制策略進行了大量研究，并針對不同的動力系統構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；瞬時最優能量管理策略；全局最優能量管理策略。

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動模式、電機為主的驅動模式和發動機為主的驅動模式三種。

①純電動驅動模式　在純電動驅動模式下，驅動車輛的動力全部來自電驅動系統，即消耗動力電池內部的電能來驅動汽車行駛，直到電池荷電狀態下降到設定的閾值，CD階段結束。為了實現純電動驅動模式，電驅動系統至少能夠滿足循環工況的最大轉矩需求，否則汽車的動力性將無法滿足需求。因此，在設計時必須選擇大功率的驅動電機和大容量的動力電池，然而，這樣一來就會導致電機與電池的尺寸增加，電驅動系統的成本升高。純電動驅動模式的優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階段能夠實現零排放、零污染。

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

③發動機為主的驅動模式　在發動機為主驅動模式下，發動機作為主動力源，電機是輔助動力源驅動車輛。車輛行駛過程中，可能先由電機單獨驅動，也有可能在整個CD階段都是由電機來驅動。但是如果需求轉矩超過了電機驅動能力范圍，或者發動機能夠工作在高效區，則啟動發動機。發動機啟動后，驅動電機則作為輔助動力源工作，補償超過發動機高效區的那部分需求轉矩，盡量使發動機工作在高效區內。由于發動機參與工作的機會較多，燃油消耗量較多，而動力電池電量消耗較小。

三種驅動模式各有利弊。純電動驅動模式在CD階段能夠實現零排放、零污染，但是與另外兩種模式相比，動力性相對較差。另外，如果電池與驅動電機選擇不當，甚至會出現電驅動系統輸出能力不能滿足循環工況需求的問題。而且這種模式下電池SOC消耗最快，純電動續駛里程最短。電機為主的驅動模式下電池電量消耗較慢，純電動續駛里程較長，而且發動機可以輸出補償力矩，不存在動力系統輸出能力不滿足循環工況需求的問題。但是由于發動機在低效率區工作產生的排放問題，需要特別注意。發動機為主的驅動模式下，電池電量消耗最慢，同樣不存在動力系統輸出能力不滿足循環工況需求的問題，但是發動機工作機會多、時間長，使整車燃油消耗量較大，廢氣排放較多。

2.3.3　小結

當前，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獲取電能來作為驅動汽車行駛的能量，在結構上更接近于純電動汽車，其燃油經濟性和排放性更好。現在普遍認為，混合動力汽車是從傳統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。