淺析PHEV與非PHEV的技術異同

劉曉鳴

摘 要：混合動力車型可分為非插電式（非PHEV）和插電式（PHEV）。本文將探討兩者之間在技術上的區別與聯系。

關鍵詞：插電式混合動力;雙功率分流;雙電機

1、前言

豐田作為混合動力車型以非插電式（非PHEV）為主，中國品牌的混合動力車型以插電式（PHEV）為主。有觀點認為，前者“油電混合”與后者“插電混合”是兩種不同的技術路線。本文將探討兩者之間在技術上的區別與聯系。

2、雙功率分流的工作原理分析

豐田的混合動力系統（如圖1），將內燃機的曲軸輸出功率通過動力分割器（PSD）分成兩股功率流，一股為用于直接驅動車輛的機械功率流，另一股為間接驅動車輛的機械功率流，另一股功率流先通過一號電機轉換為電能，再通過二號電機轉換為機械功率流驅動車輪，直接的機械功率流和間接的功率流合成為車輪的驅動功率，動力電池的電池容量基本只能起到電力緩存器的作用，其純電續航里程僅有2-4公里，一號電機與二號電機之間通過電力變換器進行電力傳遞。

PHEV以比亞迪的第三代雙模技術為例。雙模系統（DM系統）將內燃機的曲軸輸出功率通過皮帶輪和雙離合變速器分成兩股功率流（如圖2），與豐田的方案類似的，BSG電機相當于上述一號電機，P3電機相當于上述二號電機，兩股功率流最后合成為車輪的驅動功率，動力電池的電池容量足以提供80公里的純電續航里程。

由此可見，豐田混合動力系統與DM系統均可將內燃機的輸出功率進行功率分流，最后合成為總的驅動功率。

兩者的運行原理好像差不多，但實際上由于兩者在內燃機、電機和電池容量的參數選擇上的不同造成了兩者在油耗和動力上存在明顯差異。豐田的內燃機為阿特金森循環類型，最大功率為73kW，電機的最大功率為53kW，由于電機的能量全部來自于內燃機的轉換，因此電機功率明顯小于內燃機功率，平均油耗為4.5L/100km，加速至時速100km需要11.6秒[3]。比亞迪的內燃機為奧拓循環類型，最大輸出功率為113kW，P3電機的最大輸出功率為110kW，BSG電機（BSG電機通過皮帶與內燃機的曲軸連接）的最大發電功率僅為25kW，平均油耗為6.3L/100km[4]，加速至時速100km需要5.9秒。由此可見，論油耗率而言前者占優，論加速性能而言后者占優。

為了便于分析，假設在理想狀態下（不考慮能量傳遞損失），雙功率分流的原理是將內燃機的輸出功率通過動力分割器分成兩股功率流（如圖3），一股功率流為用于直接驅動車輪的機械功率流，另一股功率流經過兩個電機的轉換變為間接驅動車輪的機械功率流，最終這兩股功率流合為車輪上的驅動功率，內燃機的輸出功率等于車輪上的驅動功率，一號電機的發電功率等于二號電機的輸出功率，此時處于驅動功率的平衡狀態。當一號電機的發電功率大于二號電機的輸出功率時可將富余的電力充入動力電池中，當一號電機的發電功率小于二號電機的需求功率時可將動力電池的電力向二號電機補償。

PHEV相比非PHEV具有容量較大的動力電池，能夠輸出較高功率的電力，容許將二號電機的輸出功率設計為相對一號電機的發電功率更大。對于PHEV車型，驅動功率不再等于內燃機的輸出功率，而是等于內燃機的輸出功率與動力電池的輸出之和（如圖4），這是PHEV的加速性能更優的主因。然而當大容量動力電池處于低電量狀態下，為了防止電池過度放電，二號電機的輸出功率需要被限制，同時提高內燃機直接驅動車輪的機械功率占驅動功率的比例，以維持原需求功率，此時一號電機的發電功率等于二號電機的實際輸出功率，相當于達到了上述驅動功率的平衡狀態，可見PHEV有可能如非PHEV那樣不依賴于外部充電條件。反之，當大容量動力電池處于高電量狀態下，控制系統降低內燃機直接驅動車輪的機械功率占比，并指令二號電機負擔更大比例的驅動負荷，在滿足原需求功率的情況下降低內燃機的輸出功率，內燃機可維持在較低的轉速下運行，實現降低油耗和提高行駛靜謐性。PHEV車型還可以通過外接電源充電獲得比自身發電機充電更高效的補電方式，攤平部分燃油使用成本并提高車輛的加速性能，這是非PHEV無法實現的特點。總之，在不外接充電的條件下，非PHEV憑借阿特金斯循環發動機獲得更佳的燃油經濟性，PHEV憑借奧托循環發動機和可外接充電的動力電池獲得更快的加速性能。

3、結語

豐田卡羅拉車型具有非PHEV版本（雙擎）和PHEV版本（雙擎E+），后者的電池容量僅比前者大許多，能夠支持55km的純電續航里程，但是動力參數和結構沒有變化，說明制造商并沒有針對PHEV版本選用更大功率的驅動電機，但至少證明了非PHEV與PHEV在技術上有共通之處，兩者并非屬于完全不同的技術路線。而要實現雙功率分流的混合動力方案，也并非必然依賴于以行星齒輪為特征的動力分割器，豐田的混合動力系統的專利池并沒有將雙功率分流方案完全封死，雙功率分流方案依然存在多種組合方案的可能性。

參考文獻

[1]Chaoying X，Zhiming D U，Cong Z .A Single-Degree-of-Freedom Energy Optimization Strategy for Power-Split Hybrid Electric Vehicles[J].Energies，2017，10（7）：896

[2]皆電.電池研究院：比亞迪第三代DM技術如何節油？[EB/OL]https：//chejiahao.autohome.com.cn/info/2733294

[3]涂欽瀚.又一位重磅選手 測試豐田雷凌雙擎E+[EB/OL]https：//www.autohome.com.cn/drive/201904/934189-3.html？pvareaid=3311702

[4]俊杰.用數據來驗證實力 比亞迪秦ProDM深度測試[EB/OL].http：//www.xchuxing.com/article-48163-1.html