2.3　插电式混合动力汽车构型方案与特点

插电式混合动力汽车可以从外部电网对动力电池进行充电，具有较长的纯电动里程，同时，插电式混合动力汽车也可以在混合动力模式下工作。当以纯电动驱动模式运行时，能够大大降低燃油消耗和有害气体及温室气体的排放。插电式混合动力汽车克服了纯电动汽车续驶里程不够长的难题。同时，提供同样行驶里程所用电能的成本要低于汽油，所以插电式混合动力汽车具有很好的经济性。因此，插电式混合动力汽车成为各汽车制造厂商竞相开发的重点。

2.3.1　构型方案及特点

插电式混合动力汽车的动力系统结构和普通混合动力汽车相似，包括发动机、电动机/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会比较大，并且可以从外部电网对动力电池进行充电。因其电池容量较大，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也可以像常规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，但是当动力电池荷电状态SOC下降到一定程度或电机功率不能满足需求功率时，需要像普通混合动力汽车一样工作。插电式混合动力汽车可分为牵引力组合式、转矩组合式和转速组合式，其结构原理分别如图2-33 （a）～图2-33 （c）所示，与普通油电混合动力汽车最大的区别，就是动力电池能够从外部电网获取电能。

与2.2节介绍的普通油电混合动力汽车相似，根据主要动力源功率分流与合成方式不同，插电式混合动力汽车也分为三种基本类型，即串联式、并联式和混联式。其结构特点就是在传统混合动力汽车上加装或改装可外接充电的动力电池。因此，不同类型的普通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依然存在，不同的是插电式混合动力汽车的动力电池和电机功率相比普通混合动力汽车要大许多，而发动机功率一般相比普通混合动力汽车要小。

串联式插电混合动力汽车的特点：首先，由动力电池的电能提供驱动力，当动力电池中的电量消耗到一定程度，发动机带动发电机发电，电能直接由发电机输送给电动机，发动机不直接驱动汽车，而由电动机产生的动力驱动汽车。

其次，发电机与驱动桥之间通过电能实现动力传递。由于发动机与车轮之间无机械连接，可以使发动机一直工作在最佳工况点附近，类似于普通串联式油电混合动力汽车。它避免了发动机的怠速和低速运转的工况，从而提高了发动机的效率，减少了废气排放。其结构原理如图2-34所示。

并联式插电混合动力汽车的特点类似于并联式普通油电混合动力汽车，可以采用发动机和电动机单独驱动或者两者联合驱动汽车，发动机和后面的变速器有机械连接，由动力电池-电动机所提供的动力在原驱动系统的某一处和发动机动力会合。发动机和电机系统是相互独立的，不仅可以实现纯电动行驶，还可实现发动机单独驱动行驶。在功率需求比较大时可以由发动机和电动机联合驱动行驶，其结构原理如图2-35所示。

混联式插电混合动力汽车的特点是在结构上综合了并联式和串联式混合动力汽车的特点，发动机发出的一部分功率可以通过机械方式传递到驱动桥，另一部分则驱动发电机发电，发电机发出的电能输送给电动机或动力电池，电动机产生的驱动力矩通过动力耦合装置传送给驱动桥。混联构型充分发挥了串联式和并联式的优点，能够使发动机、发电机、电动机等部件实现更好的优化匹配。停车时，通过车载电源对动力电池外接充电，低速行驶时，驱动系统主要以串联方式工作，高速行驶时则以并联方式工作。其缺点是结构复杂，可靠性较差。其结构原理如图2-36所示。

2.3.2　插电式混合动力汽车控制策略

近些年，国内外学者对插电式混合动力汽车的控制策略进行了大量研究，并针对不同的动力系统构型提出了多种能量管理策略。基本分为以下几种：基于逻辑门限值的能量管理策略；智能控制能量管理策略；瞬时最优能量管理策略；全局最优能量管理策略。

图2-37为插电式混合动力汽车控制策略图。从动力电池电量的角度看，插电式混合动力汽车的运行模式可以分为电量消耗模式（Charge-Depleting Mode，CD模式）和电量维持模式（Charge-Sustaining Mode，CS模式）两种；从驱动功率源的角度看，插电式混合动力汽车可以分为工作在纯电动驱动模式、电机为主的驱动模式和发动机为主的驱动模式三种。

①纯电动驱动模式　在纯电动驱动模式下，驱动车辆的动力全部来自电驱动系统，即消耗动力电池内部的电能来驱动汽车行驶，直到电池荷电状态下降到设定的阈值，CD阶段结束。为了实现纯电动驱动模式，电驱动系统至少能够满足循环工况的最大转矩需求，否则汽车的动力性将无法满足需求。因此，在设计时必须选择大功率的驱动电机和大容量的动力电池，然而，这样一来就会导致电机与电池的尺寸增加，电驱动系统的成本升高。纯电动驱动模式的优点是它不涉及动力源的切换，在这一模式下汽车像纯电动汽车一样运行，车辆行驶平顺性好，而且在CD阶段能够实现零排放、零污染。

②电机为主的驱动模式　该模式与纯电动驱动模式相似，不同之处在于当驾驶员需求功率较大时，发动机也参与驱动，而不是由电机单独驱动。车辆行驶时，如果需求转矩较小，且在驱动电机的驱动能力范围内，那么电机单独驱动就能够满足驾驶需求；如果需求转矩上升到一定值，超过了驱动电机的驱动能力范围，电机单独驱动已不能满足驾驶需求，此时就会启动发动机进行助力，补偿超出电机驱动能力的那部分需求转矩。由于发动机输出的补偿转矩较小，整体输出能量较小，因此即使发动机不能工作在高效区，整车燃油消耗仍然相对较小。但是此时发动机的排放性能较差，如果选择这种驱动模式，需要着重对其排放进行处理。

③发动机为主的驱动模式　在发动机为主驱动模式下，发动机作为主动力源，电机是辅助动力源驱动车辆。车辆行驶过程中，可能先由电机单独驱动，也有可能在整个CD阶段都是由电机来驱动。但是如果需求转矩超过了电机驱动能力范围，或者发动机能够工作在高效区，则启动发动机。发动机启动后，驱动电机则作为辅助动力源工作，补偿超过发动机高效区的那部分需求转矩，尽量使发动机工作在高效区内。由于发动机参与工作的机会较多，燃油消耗量较多，而动力电池电量消耗较小。

三种驱动模式各有利弊。纯电动驱动模式在CD阶段能够实现零排放、零污染，但是与另外两种模式相比，动力性相对较差。另外，如果电池与驱动电机选择不当，甚至会出现电驱动系统输出能力不能满足循环工况需求的问题。而且这种模式下电池SOC消耗最快，纯电动续驶里程最短。电机为主的驱动模式下电池电量消耗较慢，纯电动续驶里程较长，而且发动机可以输出补偿力矩，不存在动力系统输出能力不满足循环工况需求的问题。但是由于发动机在低效率区工作产生的排放问题，需要特别注意。发动机为主的驱动模式下，电池电量消耗最慢，同样不存在动力系统输出能力不满足循环工况需求的问题，但是发动机工作机会多、时间长，使整车燃油消耗量较大，废气排放较多。

2.3.3　小结

当前，市场上的在售的混合动力汽车中，大部分是插电式混合动力汽车。这一车型由于能够从外界电网获取电能来作为驱动汽车行驶的能量，在结构上更接近于纯电动汽车，其燃油经济性和排放性更好。现在普遍认为，混合动力汽车是从传统汽车向纯电动汽车过渡的中间形式，而插电式混合动力汽车无疑是最接近于纯电动汽车的混合方式。