PHEV是混合动力车辆的一个重要发展方向-(Micros

1混合动力车辆的一个重要发展方向混合动力车辆的一个重要发展方向混合动力车辆的一个重要发展方向混合动力车辆的一个重要发展方向－－－－PHEV清华大学电动车辆研究室朱家琏2006年12月10日一．混合动力车辆分类混合动力车辆分类混合动力车辆分类混合动力车辆分类按照推进系统能量流和功率流的配置结构关系，分为串联系统、并联系统、串并联系统按照两种不同的能量的搭配比例不同，混合动力车辆则有四种类型，图一用图形的方式，可表达出微混合、轻度混合、全混合、可外接电源充电混合Plug—In系统之间，电池、电机、内燃机搭配比例的差别。图一从图中可以看出，传统车辆完全不用电池提供动力，同时驱动车辆的两种动力源中，电机功率的比例为零，只有内燃机一种；对微混合动力车辆，动力中依靠电池的比例很小，驱动车辆的两种动力源中电机功率的比例也很小，而内燃机功率的比例很大；对轻度合动力车辆，动力中依靠电池的比例较大，与微混合系统相比，驱动车辆的两种动力源中电机功率的比例增大，内燃机功率的比例减小；对全混合动力车辆，动力中依靠电池的比例更大，与轻度混合系统相比，驱动车辆的两种动力源中电机功率的比例也更大，内燃机功率的比例更减小；纯电动车辆只依靠电池，电机功率比例占100%，内燃机功率比例为零；对Plug－In系统，电机功率比例与纯电动相同，内燃机功率比例与全混合系统相同，同时电池容量应保证必要的行驶里程。图中以纯电动车辆为分界，上部为并联混合系统，下部为串联混合系统。下面对它们各自的特点进一步给予说明：2㈠微混合系统（microhybrids），有时也叫“起－停混合”●微混合系统，其电机仅作为内燃机的起动机/发电机使用，对它管理的控制策略是，需要时（如遇到红灯车辆停止）使内燃机熄火，并当车辆再次行驶时，立即重新起动内燃机；以及制动时发电，实现制动能量回收；一般来说，当车辆行驶时，仅由内燃机驱动，电机不提供能使车辆行驶的附加力矩；也有一些结构在车辆加速时，电机辅助内燃机加速车辆。●微混合可实现5%－15%的节油效果。新的GMSilverado混合动力车属于微混合。㈡轻度混合系统（mildhybrids）●轻度混合系统，电机可给内燃机提供辅助的驱动力矩，但不能单独驱动车辆，这种系统同样具有制动能量回收、发动机熄火/重起动等功能，其电机、电池能力都比微混合大，作用也强,内燃机功率可以小一些。●Ricardo（一家国际汽车工程顾问公司）,将电机功率不超过发动机最大功率的10%，定义为轻度混合。●Honda的Insight和2003-2005CivicHybrids是典型的轻度混合汽车●节油可达20-25%㈢全混合系统（fullhybrids）●全混合车辆，电机和内燃机都可以独立或一起驱动车辆，因此在低速、软加速行驶（如交通堵塞，不断起步停车）、车辆起步行驶和倒车等情况下，车辆可以全电动行驶；硬加速时电机和内燃机一起驱动车辆，也有制动能量回收的能力；●全混合系统内燃机和电机的功率水平不同，典型的情况是电机功率大约为内燃机最大功率的40%左右。●ToyotaPrius、FordEscapeHybrid、MercuryMarinerHybrid、ToytaHighlander以及LexusRX400h等均为全混合动力汽车。●节油达50-56%，但实际节油效果随车辆行驶工况、开车操作细节而变化㈣可外接电源充电混合系统（plug－inhybrids）●结构与全混合系统类似，但全电动行驶里程比全混合系统长，全电动行驶时的车辆性能与全混合系统相同●具有接受外部公用电网对车载电池组充电的能力●内燃机功率水平与全混合系统类似●电机功率水平与纯电动车辆类似，但比全混合系统高●电池容量水平要保证足够的行驶里程（如30或80公里）二二二二．．．．PHEV如何工作如何工作如何工作如何工作PHEV是Plug-inHybridElectricVehicle的缩写，是指可以使用家用电源插座（例如220V电源）对混合动力系统中电池充电的汽车，这种混合动力汽车比全混合电力汽车有较长行驶距程（30、50或80km依设计而异），但需要时，仍然可以象通常的全混合动力汽车一样工作。例如有一辆可以单独靠电池行驶50km的PHEV，可利用电池行驶40km，到旅程终点后，利用电网电源对电池充电；如果旅程超过50km，则开始的50km可以用电池来行驶，超过50km后则可以常规的混合动力方式行驶，到了旅程终点则再一次利用电网电源对电池充电，见图一PHEV工作模式。3图二PHEV工作模式从图二可以看到PHEV中的电池组有两种工作模式：●电量消耗模式（charge-depletingmode）在这种模式下，车辆从电池组吸取能量，以纯电动模式行驶，此时电池SOC可以有波动，但其平均水平不断减少，即电量在不断消耗。●电量保持模式（charge-sustainingmode）在这种模式下电池组工作时，其SOC可以有波动，但其平均值保持在某一水平上，车辆在电池组支持发动机工作的情况下行驶，放电型式由相对SOC下限基线上，许多浅放电组成。PHEV及其电池组的基本工作策略也有两种选择：●全电动工作策略，车辆启动后先以全电动工作，车辆仅由电机驱动，电池组工作在电能消耗模式，当SOC下降到最小值时，切换到电量保持模式，同时起动发动机，此时车辆工作与全混合动力车辆类似，见图三。图三全电动工作策略4●发动机参与工作策略，此时车辆即使在起始的电量消耗模式阶段，发动机也用来补充电池组的能量，当SOC下降到最小值时，切换到电量保持模式，此时车辆工作与全混合动力车辆类似，见图四。图四发动机参与工作策略三三三三．．．．PHEV是混合动力车辆的一个重要发展方向是混合动力车辆的一个重要发展方向是混合动力车辆的一个重要发展方向是混合动力车辆的一个重要发展方向原油价格不断上涨，迫使人们寻求避免使用石油燃料的各种途径，近年来PHEV一词在媒体频频出现，它的发音为P－hev，并开始流行。PHEV的主要优点是：●具有EV的全部优点，一周中4-5天，可用全电动模式驾车上班，周末仍可以用内燃机为主的混合动力模式作长途旅游●具有接受外部公用电网对车载电池组充电的能力，可以在家里就对电池组充电；减少去加油站加油次数，可降至每月1－2次。●车辆使用成本低，用PHEV的全电动模式上下班，燃料费降至每英里2－4美分●基础设施中的公用电网已经存在，无须新建，并可利用晚间低谷电对电池充电，改善电厂发电机组效率●减少温室气体和各种有害排放物●降低对石化燃料的依赖由于这些优点，在美国，在一些民间组织（如Plug-InPartnersCampaign，见）和电力集团的推动下，布什今年（2006年）多次发表讲话，支持发展PHEV，2006年2月下旬布什把各有关方人士召集到JohnsonControls公司（一家电池制造商）说：“plug-in混合动力,据估计单独使用电力驱动可以行驶,55公里，因此可以得到居住在象Milwaukee,Wisconsin,这样的城市里，每天开车不会超过55公里的大量民众的支持；因此在55公里里程内只用电不用油，以后如果使用锂电池将可得到每加仑140公里的可能。现在出乎意外地，开始看到这项重要技术对我们国家安全与经济安全的影响“。布什接着说：“Plug-in混合动力是其能源策略的一个重要部分，美国政府将提供31005万美元来加速研究这项先进技术”。2006年4月世界地球日，布什在加州又发表讲话说“Plug-in混合动力和乙醇，对近期来说是重要的技术”，，，，“美国政府每年要花3100万美元来开发车用电池”；2006年11月12日布什在美国能源和农业部主办的“再生能源会议”上发表演说：“要保持美国在世界上的经济领先地位，必须改变美国人的能源消费习惯”，布什要美国人通过使用PulgIn混合动力与乙醇汽油来改变能源消费习惯，布什在会上力推PHEV、纤维乙醇，对于氢布什强调这是一个长期的项目。2006年5月4－5日在华盛顿D.C.美国能源部总部，第一次举行了为期两天的PHEV讨论会；会议由FreedomCAR和车辆技术办公室主办，有130多位来自公司、科研、院所的各方混合动力车辆及能源技术专家参加。会议的议题有：●讨论有关phev已知和未知的能源技术，确定当前有那些成熟的技术可以直接应用于PHEV●确定有那些·研究尚属空白，它们的相对重要性以及下一步研究和开发的优先次序●确定联邦政府、工业界和研究机构，在研究工作中的角色定位，应该解决的问题和研究范围●确定技术底线（baseline）并开发一批PHEV混合动力系统，以便研究、评估成本与PHEV效益之关系●开始在混合动力设计者、制造者、电力公司之间，就PHEV与电网属性相互满意这一目的的对话●识别和确定对顾客和制造商都有价值的、可广泛并可被PHEV技术采纳的建议●关注研究成果能尽快被市场接受的时机和机会四四四四．．．．PHEVPHEVPHEVPHEV当前状况当前状况当前状况当前状况当前总的状况是：尽管有许多很好的，对近期商业化开发的各种建议与方案，但目前PHEV整车仍处于原型研究阶段，对于电池技术，进展也很好，目前大多数电池已被证明安全性、功率性能、实验室寿命都很好，但尚需在实际现场应用试验中进行试验，为了使这些技术提升到实用阶段，尚需开发生产设备；一些原型车的试验正在进行之中，例如，具有先进电池的六辆DaimlerChrysler15座的商用ven原型PHEV，图五，其中一些在电力研究院（EPRI）、戴客、一些电力公司和南海岸空气质量管理区（SouthCoastAirQualityManagementDistrict－SCAQMD）合作之下，在洛杉矶、纽约等地进行试验，另一些则在德国经受试验，被试车辆都表现出有很好的性能，同时也表现出耐久性方面也具有潜力。被试车辆辆的主要性能参数：●纯电动设计行驶里程20英里●电机功率/扭矩：连续72kW，扭矩130－180Nm；尖峰91kW，扭矩275Nm●汽油机2.7升/柴油机2.3升●镍氢电池或锂电池，14kWh(Pruis为1.5kWh)，估计每kWh行驶2公里6图五对该车应注意到：●该车的电机连续功率和尖峰功率较小，主要是考虑在城区使用。如果高速行驶，功率应大于125kW。●纯电动行驶速度限制在50km/h以下，如果高速行驶电池会很快耗尽。●纯电动时，电池SOC限制在100－20％之间。●目前所设计的该PHEV，二氧化碳排放为157.5g/km。●使用镍氢电池时，电气设备附加重量为350kg，如采用锂离子电池，附加重量可减少到只有160kg。第二个例子是，加州萨克拉门多市政管理区（SMUD）2005年12月向EnergyCS提供了标准的2005MYPruis，要其改造为PHEV，2006年初SMUD收到改造过的PruisPHEV，见图六。主要的改造部分有以下几部分：●原先1.3kW镍氢电池组更换为ValenceTec.公司的8.5kWFePo4（阴极）锂电池组●可用能量从0.4kWh增加至6.5kWh●安装了输入电压110V，1.1kW的DeltaQ公司的充电器●安装了EnergyCS公司具有专利权的电池管理系统软件，对2,376个电池单体进行管理7通过这些改造，PruisPHEV的纯电动行驶里程可达60公里（44英里）；2006年6月9日至2006年9月7日，这辆改造过的PruisPHEV与标准的2005MYPruis进行了全城市街道、城市与公里组合及高速公路三种行驶工况下的燃油经济型对比试验，试验结果见图七。图六图七试验结果表明，全城市街道工况且行驶路程大于11公里（8英里）情况下（平均每次为12.2英里），燃油经济型最好，PHEV的mpg是HEV的2.4倍；其次是高速公路工况（平均每次为12.2英里）PHE的mpg是HEV的2.2倍；城市与公里组合工况（平均每次为14.8英里）PHEV是HEV的2倍，排第三；燃油经济型最差的情况发生在全城市街道工况且行驶路程小于11公里（8英里）情况下（平均每次为4.3英