內容提要：本文介紹了插電式混合動力汽車的發(fā)展背景、工作模式、動力系統(tǒng)結構。闡敘了PHEV對動力電池的性能要求，提出了當前PHEV研究所面臨的問題。

    關鍵詞：PHEV  工作模式  動力系統(tǒng)結構  動力電池

    現(xiàn)在全球都面臨著環(huán)境污染，石油資源枯竭的威脅，而內燃機汽車(ICEV)是造成這種危機的重要原因之一，內燃機汽車不僅消耗石油資源，而且還排放出CO2 、NOx 和CO等有害物質。然而內燃機汽車的保有量一直在持續(xù)增長，目前已經達到8.2億輛。節(jié)約石油能源、減排溫室氣體和保護大氣環(huán)境是傳統(tǒng)汽車工業(yè)面臨的三大挑戰(zhàn)。應對挑戰(zhàn)，世界各大汽車公司和有關研究機構都在積極開展節(jié)能和新能源汽車的研究，其中重點的研究內容就是電動汽車。

    汽車發(fā)展趨勢的傳統(tǒng)觀點認為，內燃機汽車最終會被燃料電池汽車替代。純電動汽車、清潔柴油和替代燃料的研究進展, 使汽車的發(fā)展趨勢變得多樣化。但是由于電池的性能和價格的制約,BEV一直沒有實現(xiàn)商業(yè)化;由于燃料電池的性能、壽命和成本的影響,FCV的商業(yè)化還有很長的路要走;在現(xiàn)階段,利用電網充電的插電式混合動力汽車（PHEV）技術可能成為一種成本低、容易實現(xiàn),可以長期使用的過渡性電動汽車的解決方案。

    1 PHEV特點與結構

    1.1 PHEV的發(fā)展背景

    插電式混合動力汽車單獨依靠電池就能行使較長的距離，需要的時候仍可以像通常的混合動力汽車一樣工作。如一輛完全靠電池行駛的PHEV可行駛60km，超過60km后可以轉入混合動力模式。到了目的地，再插入外接電源對電池充電。

    PHEV具有很多優(yōu)勢：首先PHEV有純電動汽車的全部優(yōu)點，可利用晚間低谷電對電池充電，改善電廠的機組效率，節(jié)約能源；減少溫室氣體和各種有害物的排放；降低對石油燃料的依賴，減少石油進口，增加國家能源的安全；如果是在城市內行駛，距離較短，就可以不使用汽油；可以利用外部公網對車載電池組充電，而用電比石油價錢便宜，可降低車輛的使用成本。由于PHEV有這些優(yōu)點，使PHEV成為了混合動力汽車研究的重要發(fā)展方向。

    1.2 PHEV的工作模式

    根據車上電池荷電狀態(tài)的變化特點，可以將PHEV的工作模式分為電量消耗、電量保持和常規(guī)充電模式，其中電量消耗又分為純電動和混合動力兩種子模式。

    PHEV優(yōu)先應用電量消耗模式。在電量消耗模式中，PHEV根據整車的功率需求，具體選擇純電動和混合動力兩種子模式。

    在“電量消耗-純電動”子模式中，發(fā)動機是關閉的，電池是唯一的能量源,電池的荷電狀態(tài)降低,整車一般只達到部分動力性指標。該模式適合于起動、低速和低負荷時應用。

    在“電量消耗-混合動力”子模式中，發(fā)動機和電機同時工作，電池提供整車功率需求的主要部分，電池的荷電狀態(tài)也在降低，發(fā)動機用來補充電池輸出功率不足的部分，直至電池的荷電狀態(tài)達到最小允許值。該模式適合高速，尤其是要求全面達到動力性指標時采用。

    在電量保持模式下，PHEV的工作方式與傳統(tǒng)HEV工作模式類似，電池的荷電狀態(tài)基本維持不變。

    “電量消耗-純電動”、“電量消耗-混合動力”和“電量保持”模式之間能夠根據整車管理策略進行無縫切換,切換的主要根據是整車功率需求和電池的荷電狀態(tài)。常規(guī)充電模式就是用電網給PHEV電池充電。

    1.3 動力系統(tǒng)結構

    PHEV 是可以使用電網(包括家用電源插座)對動力電池充電的混合動力汽車，是在全混合ICEHEV的基礎上開發(fā)出來的，可以認為是ICEHEV的一種；可以純電動長距離行駛，在需要時也可以工作在全混合模式下。BEV采用專用充電設備補充電能, PHEV自身安裝車載充電器，可以直接用電網充電。根據ICEHEV 動力系統(tǒng)中各子系統(tǒng)的不同配置，ICEHEV有微混合、輕度混合、全混合和可外接充電之分。與BEV相比,PHEV增加了內燃機；與ICEHEV相比，PHEV可以外接電網充電；在相同車型條件下， PHEV的電池比ICEHEV的電池功率大，內燃機功率比ICEHEV的小?？傊?PHEV 在設計目標上是要綜合BEV與ICEHEV的優(yōu)點。

    2 PHEV的電池

    2.1 鉛酸電池

    鉛酸電池是電動汽車成熟的蓄電池，它原材料來源豐富、價格適中、制造工藝簡單，在二次化學電源中起著非常重要的作用，比功率也能滿足電動汽車的動力性要求。特別是閥控電池的出現(xiàn)使傳統(tǒng)的蓄電池得到了進一步的利用。但它有兩大缺點：一是比能量低,質量和體積太大，而且一次充電續(xù)航里程較短；二是充電速度慢，使用壽命短，使用成本比較高。鉛酸電池廢電池酸液中含有大量的鉛，隨意排放會造成嚴重污染。因此，隨著動力電池技術的發(fā)展和保護環(huán)境的需要，鉛酸電池將被其他電池所替代。

    2.2 鎳氫電池

    鎳氫電池主要優(yōu)點是能量密度、功率密度均高于鉛酸電池和鎳鎘電池，循環(huán)使用壽命在實際電動汽車用電池中最高;其快速充電和深度放電性能好，充電效率高;無重金屬污染,全密封,免維護。缺點是成本高，有“記憶效應”，自放電損耗大;對環(huán)境溫度敏感,電池組熱管理要求高。由于熱管理要求高,能量密度相對不高,導致體積大、質量重，在PHEV上安裝困難。所以現(xiàn)有PHEV車上暫不采用鎳氫電池。

    2.3 鋰電池

    鋰電池主要優(yōu)點是體積小、質量能和質量功率高、電壓高、安全性高、環(huán)保性好。鋰電池的能量密度大約是鎳鎘電池的1.5～3倍。單元電池的平均電壓為3.6V，相當于 3個鎳鎘或鎳氫電池串接起來的電壓值，這樣能減少電池組合體的數(shù)量，從而因單元電池電壓差所造成的電池故障的概率可減少許多，大大延長了電池組合體的壽命。鋰離子電池是所有可充電電池中綜合性能最優(yōu)的一種電池。與其他電池相比，鋰離子電池應用于電動汽車和PHEV，在容量、功率方面均具有較大的優(yōu)勢。當前,鋰離子電池存在的主要問題是：快充放電性能差、價格高和過充放電保護等。在過充或過放的狀態(tài)下，鋰電池可能會發(fā)生火災或爆炸。必須使用電池管理系統(tǒng)，從而增大了電池的成本和體積。

    2.4 超級電容

    超級電容器是一種電容量可達數(shù)千法拉的電容器。盡管超級電容器能量密度是蓄電池的5%或更少，但是這種能量的儲存方式可以應用在蓄電池不足之處與短時高峰值電流之中。相比電池來說，超級電容器有以下優(yōu)勢：電容量大,目前單體超級電容器的最大電容量可達5000F;充放電壽命很長，可達50萬次，或9萬小時；可以提供很高的放電電流；可以數(shù)十秒到數(shù)分鐘內快速充電，而蓄電池在如此短的時間內充滿電將是極危險的或是幾乎不可能；可以在很寬的溫度范圍內正常工作；超級電容器用的材料是安全無毒的，而鉛酸蓄電池、鎳鎘蓄電池均具有毒性；而且，超級電容器可以任意并聯(lián)使用來增加電容量，采取均壓措施后，還可以串聯(lián)使用。

    2.5 各種動力電池性能對比

    PHEV要求電池既具有純電動模式的高能量密度，又具有混合動力模式的高功率密度，同時壽命還需滿足汽車要求，要求安全性好、成本低。鉛酸電池由于重量重，能量密度低而無法滿足要求;鎳氫電池如果能降低重量、減少體積,能夠滿足混和動力電動汽車對電池的需求，但是依然無法滿足PHEV的要求；超級電容由于能量密度低、體積大、重量重而無法滿足PHEV的要求；鋰離子電池,特別是磷酸鐵鋰電池的出現(xiàn)，在降低價格的同時大大提高了電池的安全性，綜合比較鋰離子電池是將來PHEV用電池的主要發(fā)展方向。

    3 當前PHEV研究存在的問題

    3.1 PHEV對電池性能的要求

    要保證 PHEV有必要的動力性能指標和純電動行駛里程，又不增加太多的車輛重量，因此電池必須要有足夠高的能量密度和功率密度。PHEV經常要采用純電動模式行駛，因此與HEV不同，電池要能在SOC 100%～20%深放電工作時，仍保證有很長的循環(huán)壽命。PHEV上采用的電池，以純電動模式行駛，當電池SOC已降到較低時，應仍能大電流放電；當電池 SOC高時，應能接受大功率充電，以回收制動能量。

    3.2 PHEV對充電設施的要求

    根據美國聯(lián)邦政府能源部的研究報告，美國的電網晚上低谷電可以滿足1.48億輛PHEV的充電需求，占美國現(xiàn)有車輛2.2億車輛的67%，但是從供電方來看，要保證在晚上最佳充電時間充電，需要有電網與車輛之間的通訊連接，以便控制充電時間和分配必要的功率。對中國電網的低谷電力使用情況，各個不同供電區(qū)域能支持多少輛PHEV充電等問題尚需進一步研究。

    大多數(shù)中國城市居民都居住在沒有在獨立汽車庫的樓房里，需進一步研究如何解決充電方案。中國各機關的公務車、公交車、特種車、都有專門用的停車地點或停車庫，可以安裝充電設備。

    4 結束語

    插電式混合動力汽車作為新能源汽車研究領域的熱點,受到了各汽車企業(yè)、電池企業(yè)和電力公司的廣泛關注。PHEV的發(fā)展既可能改變世界新能源汽車的發(fā)展步驟,也可能推動電動汽車動力電池新一輪的高速發(fā)展。