插电式混合动力汽车的承诺、问题和发展
Fritz R. Kalhammer, Haresh Kamath, Mark Duvall, Mark Alexander, and Bryan Jungers
摘要：
插电式混合动力汽车（PHEV）现在被认为是减少汽车对石油依赖，空气污染和二氧化碳排放的贡献的最有希望的途径之一。然而，若干问题仍然可能成为接受插电式混合动力汽车的障碍，从而对其最终前景造成不确定性。本文通过研究PHEV面临的主要技术、成本和基础设施问题来解决其不确定性，并表明这些问题正在取得进展。本文的结论是，这一进步，加上石油燃料的成本上升，有希望使PHEV在不久的将来与传统的内燃机汽车和混合动力汽车充分竞争。此外，现有和计划的发电系统将足以为大量的PHEV提供非高峰电力和能量，至少在美国并且可能还在其他工业化国家。本文基于由美国电力研究所（EPRI）承担和支持的一系列项目，与工业和政府合作伙伴合作，对PHEV进行建模、测试和评估PHEV电池、设计和构建原型PHEV，评估基础设施需求，分析与未来电力系统提供的用于对PHEV电池充电的电力相关的二氧化碳排放。
关键字：插电式混合动力汽车，锂电池，电池成本，电池寿命，电池充电设施，能量回收
1、介绍：
插电式混合动力汽车（PHEV）现在被认为是减少汽车对石油依赖，空气污染和二氧化碳排放贡献的最有希望的途径之一。预期减少的第一次量化是在电力研究所与美国汽车制造商、政府机构、国家实验室和加利福尼亚大学戴维斯分校合作启动和协调的合作项目中进行的。这个开创性的建模和设计研究[1]建立的特点和比较“油井到车轮”的能源使用，二氧化碳排放和传统内燃机、全混合动力汽车的成本，插入式混合动力电动汽车模拟驾驶周期。从该研究的结果得出的图1显示的结果，与常规和混合动力车辆版本相比，插入式混合动力汽车具有低得多的系统级燃料消耗和污染物排放，并且导致更少的二氧化碳释放到大气层。
图1：车辆排放和燃料消耗比较
这些有利的承诺产生了推进插电式混合动力汽车（PHEV）的技术发展，设计和制造原型插电式混合动力汽车的重要举措，并展示了这些车辆技术的可行性，驾驶员的可接受性和车辆本身的优势。突出的例子是Daimler Sprinter公司早期的插电式混合动力货车样车，在德国曼海姆的戴姆勒KEN（高级产品工程）中心、EPRI和南加州空气质量管理区的合作项目中设计和制造。这是来自主要汽车制造商的世界上第一辆插电式混合动力汽车，同样重要的是，这第一辆插电式混合动力汽车使用了为汽车推进设计的锂离子电池。图2总结了目前正在针对商业应用进行优化的戴姆勒Sprinter插电式混合动力货车的关键特性和运行状况。
图2：戴姆勒Sprinter 插电式混合动力货车
在过去几年中，一些较小的公司已经生产了插电式混合动力汽车，其中许多通过将市售的丰田普锐斯混合动力汽车转换成插电式操作，并且经常使用由数千个用于电子产品的锂离子电池组成的电池组。这些定制转换和他们的电池是相当昂贵的，但其在公共道路上显示的良好的操作，证明了PHEV的基本实用性和汽油节省潜力。
在这些进步和公司内部重新评估的推动下，一些主要汽车制造商在近几年开始PHEV发展计划。最雄心勃勃的这些似乎是在通用汽车公司：土星Vue混合动力汽车转化为PHEV操作，地面行动的设计和开发雪佛兰Volt的范围，扩展成各种类型的插电式混合动力汽车。
丰田和福特也已经开发和测试插电式混合动力汽车的样车，并宣布他们的发布会计划，其他汽车制造商，包括大众和沃尔沃在不久的将来将开始现场测试小型车队的插电式混合动力汽车的样车。表1总结了主要汽车制造商发布的插电式混合动力汽车的特性和使用日期
表格1：主要汽车制造商宣布的PHEV
|
公司 |
汽车品牌 |
电池 |
续驶里程（km） |
道路评价 |
计划商业发布会 |
||
|
类型 |
功率（kW） |
容量（kWh） |
|||||
|
福特 |
翼虎 |
锂离子 |
gt;80 |
10 |
48 |
2009-11 |
？ |
|
通用 |
迈锐宝/沃蓝达 |
锂离子 |
gt;100 |
16 |
64 |
2010-11 |
2010/2011 |
|
特斯拉 |
土星VUE |
锂离子 |
60 |
5 |
16 |
2010-11 |
2010/2011 |
|
丰田 |
普锐斯 |
镍氢；锂离子 |
50 |
（3） |
13 |
2009-11 |
？ |
|
大众 |
高尔夫 |
锂离子 |
gt;60 |
12 |
40-50 |
2010-12 |
？ |
通用汽车是第一个公布商业化日期的主要制造商。然而，即使是通用汽车仍然将其生产计划和商业化计划与锂离子电池的可用性联系起来，使锂离子电池符合严格的汽车要求，具有高性能，非常长的使用寿命，高水平的安全性和可接受的成本。其他主要汽车制造商也认为电池是一个关键问题，并对PHEV的商业可行性感到担忧。以下将讨论这些问题和其他一些问题，目的是减少PHEV前景的不确定性。
2、问题和进展
2.1、电池技术
PHEV的前景在很大程度上取决于电池的可用性，需要满足对于高性能，长周期和电池寿命以及非常高水平的安全性等苛刻的技术要求，所有这些都增加了PHEV与常规车辆竞争的成本。下面相对于由PHEV应用提出的技术要求的电池的进展进行回顾；预期第一成本和生命周期成本在后续章节中讨论。
2.1.1、性能
PHEV电池需要具有相当大的存储容量以使得能够通过电力输出足够量的汽车动力，并且当与为了高效率选择的通常较小的内燃机发动机的功率输出相结合时，它们需要提供足够的峰值功率用于提高PHEV的性能。
尚未有报告给出具有不同电量范围的PHEV所需的电池功率能力和存储容量的详细分析。然而，可以使用大约1500kg重量的中型汽车的初步要求[2]来估计表2中所示的电池特定性能参数；该表还列出了由美国先进电池联盟发布的PHEV电池的初步电池性能目标。
表2：PHEV电池性能要求
|
插电式混合动力汽车（电动里程） |
电池 |
比功率 （kW/kg） |
比能量 （kWh/kg） |
||
|
预期重量 (kg) |
峰值（脉冲） 功率(kW) |
存储容量1 (kWh) |
|||
|
PHEV(10) |
100 |
50 |
4-4.5 |
500 |
40-45 |
|
PHEV(20) |
120 |
50 |
7-9 |
ge;400 |
60-75 |
|
PHEV(40) |
150 |
65 |
14-18 |
ge;400 |
95-120 |
|
USABC PHEV(10) PHEV(40) |
60 120 |
45 38 |
3.42 11.62 |
750 ~320 |
le;703 le;1203 |
将针对汽车应用（表3）开发的锂离子电池与表2中的电池特定功率和能量要求进行比较，可以看出，围绕几种不同化学品设计的锂离子电池满足各种PHEV应用的性能要求。大功率镍金属氢化物电池（表3中的最后一行）可以满足重量限制和存储容量要求，但仅适用于电压范围非常小的PHEV，见表2。（为更高比能量设计的NiMH电池不满足PHEV的比功率要求。）
表3：PHEV应用的候选电池技术
|
开发者 |
化学品 |
功率（kW） |
容量（kWh） |
重量（kg） |
比功率（kW/kg） |
比能量（kWh/kg） |
|
|
负极 |
正极 |
||||||
|
JCS |
锂/碳 |
LiNCA |
87 |
15 |
160 |
540 |
94 |
|
LEJ |
锂/碳 |
LiMS |
60 |
7.6 |
65 |
917 |
117 |
|
A123 |
锂/碳 |
LiFP |
gt;100 |
14 |
~100 |
ge;7007 |
ge;100 |
|
ANL |
钛酸锂 |
LiMS |
100 |
6.7 |
100 |
1000 |
67 |
|
Various |
金属氢化物 |
氧化镍 |
~50 |
~5 |
~100 |
~500 |
~50 |
2.1.2、锂离子电池寿命
PHEV对电池寿命的要求非常严格：至少10年，优选15年的使用寿命，循环寿命至少2500次，优选超过3000
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