插电式混合动力=纯电动+强混≠纯电动+传统车

第一电动网 杨伟斌

2014年前三季度,新能源汽车的产销近4万辆,发展势头喜人。然而,“套牌论”和“煤电论”又一次将新能源汽车推上了风口浪尖。有人认为新能源汽车只是把“污染换了个位置”,也有专家学者认为“上海热销的插电式混动汽车,95%以上的车主都在以传统汽油车的模式运行插电混动车,不能给予财政补贴”,由此可见人们对新能源汽车尤其是插电式混合动力汽车(Plug-in hybrid electronic vehicle,PHEV)的认知存在较大的差异。作为一名从事新能源汽车的研发人员,笔者从多个方面对PHEV进行分析和评价,使大家认识PHEV。

1)PHEV争论

近期针对热销的比亚迪秦,高校教授、协会领导和行业团体均表述了各自观点,具体如表1所示。针对各方观点,从PHEV定义、工作模式、标杆车型和发展趋势等方面对PHEV进行分析。

表1 PHEV争论汇总

质疑方

支持方

行业观点

(电动汽车百人会)

95%以上的车主都在以传统汽油车的模式运行插电混动车,建议取消插电混动的特定补贴

一些对插电混动持质疑态度的人,其实就是对汽车业和消费者不满,但我们要按规律办事

PHEV代表车型比亚迪秦90%的时间都是在用电,用油的时间只有10%

2)PHEV定义及特点

顾名思义,PHEV就是带有外接电源充电装置的混合动力汽车,由于需要外接充电、电池为能量型或混合型,与强混的功率型电池不同;由于需要纯电动行驶,电机输出功率需求较大且动力系统结构必须具备纯电工况,整车冷却和润滑系统在纯电动工况时能适时工作。

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图1 PHEV定义

PHEV包括CD(能量消耗) 和CS(能量维持阶段)。CD阶段除再生制动外SOC(荷电状态值)持续降低,发动机和电机工作与参数匹配相关,当电机功率匹配较大时,该阶段通常为纯电动工况;但当电机相对较小且处于急加速和爬坡工况,或者动力系统冷却和润滑需要发动机开启时,发动机在CD阶段仍然需要工作;CD阶段纯电动续驶里程差别较大,例如4.4kWh的丰田Prius仅为26km、16kWh的沃蓝达为64km、13kWh的比亚迪秦为70km;新国标要求乘(商)用车60(40)km/h匀速行驶纯电动续驶里程大于50km、才能获得免购置税等政策优惠。CS阶段主要是维持SOC平衡、与强混控制相同,但为了防止“背电回家”、SOC控制目标不应太高(例如30%、强混目标点通常为50%左右),SOC目标点同时要考虑到电池充放电效率。

表2 PHEV与强度混合动力比较

比较方面

性能比较

发动机

峰值功率相当,例如秦发动机功率达到113kW、功率较大。PHEV和强混的发动机功率downsize不应过大,应结合整车和性能参数合理匹配, Prius发动机一至三代参数演变可以支撑此观点。

电机

功率相同或增加,主要考虑纯电动阶段的功率需求。秦的电机功率为110kWprius插电和强混动力系统相同。

电池

充放电能力不低于强混,例如秦的电池容量为13kWh,尽管是能量(混合)型电池、目前该类电池的充放电峰值功率大于120kW

PHEV与强度混合动力比较如表2所示,在参数配置方面、PHEV具备纯电和强混的特点,因此从参数匹配总结出:PHEV=纯电动+强混。与强混相比,PHEV电功率比相同或增加,尽管在质量上稍有增加、但在CS阶段其节油率应不低于强混,即节油率应大于30%以上。

3)PHEV工作模式

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图2 PHEV结构

图2是两种典型的PHEV动力系统结构,比亚迪秦与图2左图相同。笔者研究团队制定了图2结构的工作模式,如图3所示,根据蓄电池SOC和驾驶员需求扭矩(根据踏板开度和车速解析获得),即可确定出PHEV的工作模式,纵轴SOC和横轴需求扭矩之间白色带宽是为了防止工作模式的频繁跳变。图3中SOC1和SOC2在30%左右,SOC3和SOC4在10%左右;SOC大于SOC1以及处于SOC2和SOC3之间的工作模式是最常用的工作模式,可使电池SOC基本维持在30%左右;设置SOC3和SOC4的目的是为了考虑“Auto”和“HEV”模式下,低速纯电动和需求扭矩大(爬陡坡和急加速)等特殊工况的动力需求;但当SOC低于10%时电池不能放电,一方面由于此时电池放电效率低,另外由于电池SOC误差较大(可达8%)、此时电池已经处于无电状态。

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图3 PHEV工作模式

由工作模式可以看出,SOC较大且需求扭矩较小时、PHEV工作于纯电动工况;其余工况与强混相同,主要通过E-M(行车发电)和E+M(电机助力)调节作用,在满足驾驶员需求扭矩的同时、使发动机工作在高效区;只有在三处标注黄色区域PHEV才工作于纯发动机工况,而且此时发动机的工作效率较高,有别于传统汽车“大马拉小车”的工况。

因此从工作模式可以总结出:插电式混动=纯电动+强混,即使在不充电状态下(SOC维持在30%左右),PHEV工作于强混而并非传统汽车模式。

4)PHEV标杆分析

搜集了国内外主流乘用车和客车PHEV的技术参数,如表3所示,可以看出各主要厂商PHEV在CS模式的节油率均大于30%,PHEV客车节油率高达40%以上,即表明不充电状态下节油率仍然较高。

PHEV大巴在CS阶段节油效果非常明显,各主要厂商在满足新国标匀速行驶50km的条件下,尽量减小电池容量、减少整车成本,以传统车价格销售给公交用户、用国家补贴的25万元消化电池和电机增价。正是这一创新的控制和商业模式,2014年仅双模混联PHEV客车销量有望突破万台、产值上百亿元。

与PHEV大巴类同,在充电设施并不完善情况下,PHEV轿车应效仿大巴的控制和商业模式,加速PHEV轿车的市场化推广。

表3 典型PHEV技术参数

车型

乘用车

客车

厂商

比亚迪秦

丰田

普锐斯

本田雅阁

通用沃蓝达

福特蒙迪欧

12米大巴

车重

1670

1435

1723

1715

1808

12000

传动形式

+6DCT

行星排动力输入分流

双电机双模混联

行星排动力输出分流

行星排动力输入分流

双电机双模混联

0~100km/h (s)

5.9

10.2

7.7

8.7

8.6

21

最高车速 (km/h)

185

170

183

160

167

90

CS油耗(L/100km

5.9

4.7

5.11

6.36

5.47

22

CS阶段

节油率

30~45%

>40%


5)PHEV发展趋势

厂家

国外

国内

大众

宝马

保时捷

沃尔沃

比亚迪

广汽

车型

高尔夫GTE

大众XL1

奥迪A3 e-tron

宝马530Le

宝马i8

保时捷Cayenne

保时捷Panamera

保时捷918

沃尔沃S60L

比亚迪商

比亚迪唐

广汽GA5

在2014年11月举办的广州车展上,共展出国内外12种PHEV车型,既有高端的保时捷品牌,也有易于推向市场的高尔夫GTE和比亚迪品牌,足以表明各大厂商对于PHEV的市场信心。

同时,中国PHEV的市场潜力得到了各大国际厂商的高度关注,沃尔沃将于2015年上半年在成都工厂量产沃尔沃S60L插电式混动车并投放市场;大众2018年底前将向中国市场引入8款插电式混动车型,最早的两款车型将于2015年在中国生产。

近期国际电池供应商已将电芯批量售价调整为220~230美元/kWh,但由于国内电池包集成技术和电池管理系统技术仍处于起步发展阶段,电池集成后的价格仍然较高;同时由于均衡控制和热管理等难点技术尚未解决,仅依靠增加电池容量提高续驶里程并非最佳方法,而PHEV在里程方面有优势。科技部万钢部长在泰达论坛上提出,2020年后可能会取消财政补贴,在无补贴条件下PHEV有价格优势。纯电动难点在于电池、电机、充电机和电动附件等零部件,除此以外、PHEV在整车集成与控制方面要求较高,而自主品牌在能量管理、动力系统解耦、发动机和自动变速箱等方面积累较少,应给予大力支持攻关。技术障碍永远绕不过、必须跨越,比亚迪从逆向分析到正向开发的成功,特斯拉辉煌与菲斯科破产的强烈反差,足以说明自主掌握核心技术的重要性。

在鼓励发展PHEV的同时应该做好检测、监管和认证工作,清华大学教授、中国电动汽车奠基人和资深专家陈全世先生提醒到“插电式混动汽车很容易在技术上造假,即车企只要在传统的汽油车后轴安装一个假电动机就能改装成插电混动”。应从“坡起”、“EV”、“Eco”、“Sport”、“Auto”和“HEV”等模式对PHEV进行综合评价,遏制骗补、给PHEV创造良好的发展氛围。

6)总结

以上从PHEV定义、工作模式和标杆车型等方面对PHEV进行分析和评价可知,PHEV的结构和控制策略决定了其在不充电状态下仍是一辆强度混合动力汽车,与传统汽车相比、此时节油率仍高达30~40%以上,良好的节油率应该获得相应的牌照优惠和补贴;财政补贴取消后,PHEV是最具生命力的新能源车型之一;自主品牌应坚持自主开发,突破PHEV整车集成控制和关键零部件等方面的技术障碍。

作者杨伟斌是北汽福田新能源系统开发部部长、博士、高级工程师

来源:第一电动网

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