插电式混合动力车

插电式混合动力电动汽车（PHEV）是一种混合动力电动汽车，其电池可以通过将其插入外部电源以及其车载发动机和发电机来进行充电。 大多数PHEV都是乘用车，但也有PHEV版本的商用车和货车，公用卡车，公共汽车，火车，摩托车，踏板车和军用车辆。

与全电动汽车类似，插电式混合动力汽车将汽车尾气排放物排放到为电网供电的发电机。 这些发电机可以是可再生的，或者可以具有比内燃机低的排放。 从电网给电池充电的成本低于使用车载发动机，有助于降低运营成本。

2010年，中国和美国向公众开放量产的插电式混合动力车。到2016年底，有30多个系列生产的高速公路合法插电式混合动力车用于零售。 插电式混合动力汽车主要在美国，加拿大，西欧，日本和中国销售。 最畅销的车型是雪佛兰Volt系列，三菱欧蓝德P-HEV和丰田普锐斯PHV。

截至2016年12月，全球插电式混合动力汽车库存总计近80万辆，2016年底世界道路上超过200万辆轻型插电式电动汽车。截至2015年12月，美国排名世界最大的插电式混合动力汽车市场，库存193,770辆，其次是中国86,580辆，荷兰78,160辆，日本55,470辆，英国28,250辆。

术语
插电式混合动力车的全电动范围由PHEV- [英里]或PHEV [公里] km指定，其中数字表示车辆仅靠电池供电的距离。 例如，PHEV-20可以在不使用其内燃机的情况下行驶20英里（32公里），因此它也可以被指定为PHEV32km。
对于这些电池供电的汽车，它们会经历使用不同电流的充电过程。 这些电流称为交流电（AC），用于板载充电器，直流电（DC）用于外部充电。
有时用于插电式混合动力车的其他流行术语是“并网混合动力车”，“燃气可选混合动力电动车”（GO-HEV）或简称“气体可选混合动力车”。 通用将其雪佛兰Volt系列插电式混合动力称为“增程式电动汽车”。

技术

动力系统
PHEV基于与传统混合动力车相同的三种基本动力总成结构; 串联混合动力仅由电动机驱动，并联混合动力由其发动机和同时运行的电动机推动，并且串并联混合动力在任一模式下运行。 虽然普通混合动力汽车仅从其发动机为其电池充电，但插电式混合动力车可以从外部电源获得大量的电池充电所需的能量。

充电系统
电池充电器可以在车辆上或车辆外部。 车载充电器的过程最好解释为交流电转换为直流电，导致电池充电。 车载充电器的重量和尺寸以及通用交流电源插座的容量有限。 专用的车外充电器可以像用户可以承受的那样大而强大，但需要返回充电器; 多个车辆可以共享高速充电器。

使用电动机的逆变器允许电动机绕组充当变压器线圈，并且现有的大功率逆变器作为AC-DC充电器。由于这些部件已经在汽车上使用，并且设计用于处理任何实际的动力能力，因此它们可用于制造非常强大的车载充电器形式，而没有显着的额外重量或尺寸。 AC Propulsion使用这种充电方法，称为“还原充电”。

运作方式
插电式混合动力车在充电耗尽和充电维持模式下工作。 这两种模式的组合称为混合模式或混合模式。这些车辆可以设计为在全电动模式下驱动扩展范围，无论是低速还是全速。 这些模式管理车辆的电池放电策略，它们的使用直接影响所需电池的大小和类型：

通过电量消耗模式，充满电的PHEV可以独占运行（或者根据车辆，几乎只有在硬加速期间除外）电力运行，直到电池的充电状态耗尽到预定水平，此时车辆的内部燃烧发动机或燃料电池将被使用。 这段时间是车辆的全电动范围。 这是电池电动车辆可以操作的唯一模式，因此它们的范围有限。

混合模式描述了使用多种模式的组合的旅行。 例如，汽车可以在低速电量消耗模式下开始行程，然后进入高速公路并以混合模式操作。 驾驶员可能会离开高速公路并在没有内燃机的情况下行驶，直到全电动范围耗尽。 车辆可以恢复到充电维持模式，直到达到最终目的地。 这与电荷消耗跳闸形成对比，后者将在PHEV的全电动范围内驱动。

电力存储
最佳电池尺寸取决于目标是降低燃料消耗，运行成本还是排放，但最近的一项研究得出结论：“PHEV电池容量的最佳选择主要取决于车辆在两次充电之间的距离。我们的研究结果表明，对于城市驾驶条件和每10英里或更短的频繁充电，具有大约7英里的AER（所有电动范围）的低容量PHEV将是减少汽油消耗，成本和温室气体的有力选择。对于频率较低的充电，每20-100英里，PHEV释放较少的温室气体，但混合动力汽车更具成本效益。“

PHEV通常需要比传统混合动力车更深的电池充电和放电循环。 因为完整周期的数量会影响电池寿命，所以这可能比传统的HEV更少，而传统的HEV并没有完全耗尽电池。 然而，一些作者认为PHEV很快将成为汽车行业的标准。 需要解决设计问题以及针对电池寿命，容量，散热，重量，成本和安全性的权衡。 先进的电池技术正在开发中，通过质量和体积提供更高的能量密度，并且预计电池寿命预期会增加。

2007年初一些锂离子电池的阴极由锂钴金属氧化物制成。 这种材料很昂贵，如果过充电，用它制成的电池可以释放氧气。 如果钴被磷酸铁替代，则电池在任何电荷下都不会燃烧或释放氧气。 在2007年初的汽油和电力价格上，经过6到10年的运营达到了收支平衡点。 插电式混合动力车的投资回收期可能更长，因为它们的电池更大，更昂贵。

镍氢和锂离子电池可以回收利用; 例如，丰田公司制定了一项回收计划，根据该计划，经销商每回收一次电池将获得200美元的信贷。 然而，插电式混合动力车通常使用比传统混合动力车更大的电池组，因此需要更多资源。 太平洋天然气和电力公司（PG＆amp; E）建议公用事业公司可以购买废旧电池用于备用和负载均衡。 他们指出，虽然这些废旧电池可能不再可用于车辆，但它们的剩余容量仍具有重要价值。 最近，通用汽车（GM）表示已经“有兴趣将回收伏特电池用作蓄电系统的公用事业公司接洽，这是一个可以降低Volt和其他插电式车辆成本的二级市场” 。

超级电容器（或“超级电容器”）用于某些插电式混合动力车，例如AFS Trinity的概念原型，以高功率密度存储快速可用的能量，以便将电池保持在安全的电阻加热限制内并延长电池寿命。 CSIRO的UltraBattery将超级电容器和铅酸电池组合在一个单元中，创造出比插电式混合动力电动汽车（PHEV）中使用的现有技术更长，成本更低且功能更强大的混合动力汽车电池。

生产车辆的转换
有几家公司正在将化石燃料非混合动力汽车转换为插电式混合动力汽车：

将现有生产混合动力车的售后市场转换为插电式混合动力车通常涉及增加车辆电池组的容量并增加车载AC-DC充电器。 理想情况下，车辆的动力总成软件将被重新编程，以充分利用电池组的额外储能容量和功率输出。

许多早期的插电式混合动力电动汽车转换基于丰田普锐斯。 一些系统涉及更换车辆的原装NiMH电池组及其电子控制单元。 其他人将额外的电池添加回原装电池组。

与非插件混合动力车的比较

燃油效率和石油排量
插电式混合动力车具有比传统混合动力车更高效的潜力，因为PHEV内燃机的使用更加有限，可以使发动机的使用更接近其最大效率。 虽然普锐斯可能将燃料转化为动能平均效率约为30％（远低于发动机38％的峰值效率），但PHEV-70的发动机很可能在其最高效率附近运行，因为当内燃机被迫运行到远低于其峰值效率时，电池可以满足适度的功率需求。 实现的效率取决于发电，倒置，电池充电/放电，电机控制器和电机本身的损失，车辆的使用方式（其工作周期）以及通过连接到电网进行充电的机会。

每使用一千瓦时的电池容量，每年将取代多达50美制加仑（190升; 42加仑）的石油燃料（汽油或柴油燃料）。 此外，电力是多源的，因此，它提供了最大程度的能源恢复能力。

PHEV的实际燃油经济性取决于其动力总成操作模式，其全电动范围以及两次充电之间的驾驶量。 如果不使用汽油，则每加仑汽油当量英里数（MPG-e）仅取决于电力系统的效率。 美国市场上第一款批量生产的PHEV，2011款雪佛兰Volt，EPA评级为35英里（56公里）的全电动范围，另外还有一个仅限汽油扩展范围344英里（554公里）的EPA全电动模式下城市/高速公路燃料经济性为93 MPG-e，仅汽油模式为37 mpg-US（6.4 L / 100 km; 44 mpg-imp），用于整体燃气 – 电动燃油经济性综合评级60 mpg-US（3.9 L / 100 km; 72 mpg-imp）当量（MPG-e）。 美国环保署还在Volt的燃油经济性标签中列出了一个表格，显示了五种不同情况下的燃油经济性和用电量：30,45,60和75英里（121公里）在完全充电和永不充电的情况下驾驶。 根据该表，燃油经济性达到168 mpg-US（1.40 L / 100 km; 202 mpg-imp）当量（MPG-e），在完全充电之间驱动45英里（72 km）。

对于从2013年开始在美国强制要求的更全面的燃油经济性和环境标签，美国国家公路交通安全管理局（NHTSA）和环境保护局（EPA）为插电式混合动力车发布了两个单独的燃油经济性标签，因为它们的设计复杂性，因为PHEVS可以在两种或三种操作模式下运行：全电动，混合和仅汽油。 一个标签用于串联混合动力或扩展范围的电动车（如雪佛兰Volt），具有全电动和仅汽油模式; 混合模式或串并联混合动力的第二个标签，包括汽油和插电式电动操作的组合; 与传统的混合动力汽车一样，仅限汽油。

汽车工程师协会（SAE）于1999年开发了他们的推荐做法，用于测试和报告混合动力汽车的燃油经济性，并包括用于解决PHEV的语言。 SAE委员会目前正在审查测试和报告插电式混凝土燃料经济性的程序。 多伦多大气基金测试了10辆经过改装的插电式混合动力汽车，这些混合动力汽车在2008年的六个月内平均每百公里达到5.8升或每加仑40.6英里，这被认为低于该技术的潜力。

在使用普通驾驶员的现实世界测试中，一些普锐斯PHEV转换可能无法比HEV实现更好的燃油经济性。 例如，一个插入式普锐斯车队，每个都有30英里（48公里）的全电动范围，在17,000英里（27,000公里）内平均只有51英里/加仑（4.6升/ 100公里; 61英里/加仑）。 ）在西雅图进行测试，并在Google的RechargeIT计划中使用相同类型的转换电池模型进行测试。 此外，额外的电池组成本为10,000美元至11,000美元。

运营成本
2014年，来自拉马尔大学，爱荷华州立大学和橡树岭国家实验室的研究人员发表的一项研究将各种电动范围（10,20,30和40英里）的插电式混合动力电动汽车（PHEV）的运行成本与传统电动汽车相比较考虑到不同的充电基础设施部署水平和汽油价格，不同投资回收期的汽油车和混合动力汽车（HEV）。 该研究的结论是：

与传统汽油车和HEV相比，PHEV分别节省了约60％或40％的能源成本。 然而，对于每日车辆行驶里程较大的驾驶员（DVMT），混合动力车辆甚至可能是比40英里（64公里）范围内的插电式混合动力车更好的选择，尤其是在缺乏公共充电基础设施的情况下。
除非为大电池PHEV提供补贴，否则基于PHEV运营成本的增量节省，大型电池插电式混合动力车的增加电池成本很难证明是合理的。
当汽油价格从每加仑4美元增加到每加仑5美元时，受益于更大电池的司机数量显着增加。 如果汽油价格为3美元，即使电池成本为200美元/千瓦时，10英里（16公里）范围内的插电式混合动力车也是成本最低的选择。
虽然快速充电器可以减少充电时间，但与2级充电器相比，它们对PHEV的能源成本节省很少。

电池成本
插电式混合动力车的缺点包括更大的电池组的额外成本，重量和尺寸。 根据国家研究委员会2010年的一项研究，锂离子电池组的成本约为1,700美元/ kW•h可用能源，考虑到PHEV-10需要约2.0 kW•h和PHEV-40大约8 kW•h，PHEV-10电池组的估计制造商成本约为3,000美元，而PHEV-40的电池组则高达14,000美元。 根据同一项研究，尽管预计到2020年成本将下降35％，但预计市场渗透率将会放缓，因此除非电池技术取得根本性突破，否则预计PHEV在2030年之前不会对石油消耗或碳排放产生重大影响。发生。

根据2010年NRC的研究，虽然电力驱动的一英里比用汽油驱动的更便宜，但终身燃料节省不足以抵消插件的高前期成本，并且需要几十年才能达到收支平衡点。 此外，在美国实现快速插入式市场渗透可能需要数千亿美元的政府补贴和激励措施。

美国能源效率经济委员会2013年的一项研究报告称，电池成本从2007年的每千瓦时1,300美元降至2012年的每千瓦时500美元。美国能源部为其赞助电池研究设定了成本目标2015年每千瓦时300美元，到2022年每千瓦时125美元。通过电池技术的进步和更高的产量来降低成本将使插电式电动车与传统内燃机车辆相比更具竞争力。

哈佛大学贝尔弗中心于2011年发表的一项研究发现，插电式电动汽车在汽车寿命期内节省的汽油成本并未抵消其较高的购买价格。 这一发现是根据2010年购买时的终身净现值和美国市场的运营成本进行比较，并假设没有政府补贴。 根据研究估计，PHEV-40比传统内燃机贵5,377美元，而电池电动车（BEV）则高出4,819美元。 该研究还考察了未来10到20年间这种平衡将如何变化，假设电池成本将下降而汽油价格上涨。 根据所考虑的未来情景，研究发现BEV将比传统汽车便宜得多（1,155美元至7,181美元便宜），而PHEV在几乎所有比较场景中都比BEV更贵，而且仅比传统汽车便宜在电池成本非常低和汽油价格高的情况下。 BEV更容易制造并且不使用液体燃料，而PHEV具有更复杂的动力系统并且仍然具有汽油动力发动机。

排放转移到电厂
随着PHEV的采用，预计某些地区的污染会增加，但大多数地区将会减少。 ACEEE的一项研究预测，鉴于目前向电网供电的大多数燃煤电厂的排放水平，在严重依赖煤炭的地区广泛使用PHEV会导致当地净二氧化硫和汞排放量增加。 虽然洁净煤技术可以创造发电厂，从煤炭供应电网电力而不会排放大量此类污染物，但应用这些技术的成本较高可能会增加煤炭发电的价格。 对污染的净影响取决于电网的燃料来源（例如化石或可再生资源）以及发电厂本身的污染情况。 识别，调节和升级单点污染源（例如发电厂）或完全更换工厂也可能更实用。 从人类健康的角度来看，将污染从大城市区域转移出去可能被认为是一个重要的优势。

根据美国国家科学院2009年的一项研究，“电动汽车和电网相关（插电式）混合动力汽车的非气候损害比其他许多技术要高一些。” 插电式混合动力车的效率也受到电力传输的整体效率的影响。 美国的输配电损失估计在1995年为7。2％，2007年为6.5％。通过对空气污染排放的生命周期分析，天然气汽车目前是最低排放国。

电费账单的分层费率结构
为插电式车辆充电所需的额外电力消耗可能会使没有非高峰关税的地区的许多家庭进入价格较高的等级并抵消经济利益。 通过关注车辆何时充电，例如通过使用计时器将充电限制在非高峰时段，在这种关税下的客户可以看到显着的节省。 因此，对效益的准确比较要求每个家庭评估其当前的电力使用等级和关税，其与汽油的成本和电动模式车辆操作的实际观察到的运营成本进行权衡。

温室气体排放
PHEV对温室气体排放的影响是复杂的。 在全电动模式下运行的插电式混合动力车辆不会从车载电源发出有害的尾气污染物。 清洁空气的好处通常是当地的，因为根据用于给电池充电的电力来源，空气污染物排放转移到发电厂的位置。 同样，PHEV不会从车载电源发出温室气体，但从井轮评估的角度来看，效益的程度也取决于用于发电的燃料和技术。 从全生命周期分析的角度来看，用于给电池充电的电力必须来自零排放源，如可再生能源（如风力发电，太阳能或水力发电）或PEV核电几乎没有或零井到轮发射。 另一方面，当PEV从燃煤电厂充电时，它们通常产生的温室气体排放量略高于内燃机车辆。 在插电式混合动力电动车辆的情况下，当在内燃机的辅助下以混合模式操作时，由于其较高的燃料经济性，尾气管和温室排放物与传统汽车相比较低。

生命周期能源和排放评估

阿贡
2009年，阿贡国家实验室的研究人员调整了他们的GREET模型，针对几种情况对插电式混合动力电动汽车的能源使用和温室气体（GHG）排放进行了全面的车轮（WTW）分析，考虑到船上的不同情况用于给车辆电池充电的燃料和不同的发电源。 选择了三个美国地区进行分析，分别是加利福尼亚州，纽约州和伊利诺伊州，因为这些地区包括主要的大都市区，其能源生产组合存在显着差异。 还报告了美国发电混合物和可再生电力的全周期分析结果，以分别检查平均和清洁混合物的情况。2009年的研究显示，不同燃料生产技术和电网发电组合中的石油使用和温室气体排放广泛分布。 下表总结了主要结果：

Argonne研究发现，与普通混合动力电动汽车相比，PHEV减少了石油能源的使用。 随着全电力范围的增加，实现了更多的石油节能和更多的温室气体减排，除非用于充电的电力主要是煤炭或燃油发电。 正如预期的那样，随着全电动范围的增加，来自可再生能源的电力实现了所有PHEV的石油能源使用和温室气体排放量的最大减少。 该研究还得出结论，如果发电主要由化石资源主导，那么采用生物质燃料（生物质-E85和氢）的插电式汽车可能无法实现温室气体排放优于普通混合动力汽车。

橡树岭
橡树岭国家实验室的研究人员在2008年进行的一项研究分析了2020年和2030年在几种情景下插电式混合动力车相对于混合动力汽车的油耗和温室气体（GHG）排放量。该研究考虑了美国13个电源的混合动力源。在车辆充电期间使用的区域，通常是煤，天然气和核能的组合，以及较小程度的可再生能源。 2010年在阿贡国家实验室进行的一项研究得出了类似的结论，得出的结论是，PHEV将减少石油消耗，但每个地区可能会产生截然不同的温室气体排放，这取决于用于为插电式混合动力车充电的能量组合。

环保局
2014年10月，美国环境保护署发布了2014年版年度报告“轻型汽车技术，二氧化碳排放和燃料经济趋势”。 该报告首次分析了替代燃料汽车的影响，重点是插电式电动汽车，因为随着市场份额接近1％，PEV开始对美国整体新车燃料产生可衡量的影响经济和二氧化碳排放。

美国环保署的报告包括对2014年市场上可用的12辆全电动乘用车和10辆插电式混合动力车的分析。为了准确估算排放量，该分析考虑了这些PHEV之间的操作差异，如可以在不使用汽油的情况下以全电动模式运行的雪佛兰Volt，以及像丰田普锐斯PHV这样的混合模式运行的雪佛兰Volt，它使用蓄电池中的能量和来自汽油箱的能量来推进车辆，但这可以在混合模式下提供实质性的全电动驾驶。 此外，由于插电式混合动力车的全电动系列取决于电池组的尺寸，因此分析引入了效用因子，作为平均使用电力驱动的英里百分比的投影（电动只有和混合模式）由普通司机。 下表显示了以每加仑汽油当量英里数（mpg-e）表示的整体EV /混合动力燃料经济性以及美国市场上可获得的10个MY2014插电式混合动力车的效用因子。 该研究使用效用因子（因为在纯EV模式下没有尾气排放）和EPA对这些车辆在现实世界城市和公路运行中基于EPA 5循环标签方法产生的CO2尾气排放的最佳估计，使用加权55％的城市/ 45％的高速公路驾驶。 结果如下表所示。

此外，EPA还计算了与PHEV充电所需的电力生产和分配相关的上游二氧化碳排放量。 由于美国的电力生产因地区而异，EPA考虑了三个情景/范围，其中低端范围对应于加利福尼亚动力装置排放因子，该范围的中间部分由全国平均动力装置排放因子表示，并且该范围的上限对应于落基山脉的发电厂排放因子。 美国环保署估计，该国不同地区的电力温室气体排放因子从加利福尼亚的346克二氧化碳/千瓦时到洛矶山的986克二氧化碳/千瓦时，全国平均值为648克二氧化碳/千瓦时。 下表显示了美国市场上可用的10个MY MY PHEV的尾气管排放以及组合式尾气管和上游排放。

国家经济研究局
大多数排放分析使用不同地区的平均排放率，而不是一天中不同时间的边际发电量。 前一种方法没有考虑互联电力市场中的发电组合以及全天的负荷情况变化。 2014年11月发布的由国家经济研究局（NBER）附属的三位经济学家进行的分析，开发出一种估算电力需求边际排放的方法，该方法根据美国各地的地点和时间而变化。 该研究使用了2007年至2009年的排放和消耗数据，并使用了雪佛兰Volt的规格（全电动范围为35英里（56公里））。 分析发现，与美国西部相比，中西部上游的边际排放率是其三倍以上，而在地区内，一天中几个小时的比率是其他地区的两倍多。 将边际分析结果应用于插电式电动汽车，NBER的研究人员发现，充电电动汽车的排放量因地区和时段而异。 在一些地区，例如美国西部和德克萨斯州，驾驶PEV的每英里二氧化碳排放量低于驾驶混合动力汽车的二氧化碳排放量。 然而，在其他地区，例如Upper Midwest，在午夜至凌晨4点的建议时段充电意味着PEV每英里产生的排放量高于目前在路上的普通汽车。 结果显示电力负荷管理与环境目标之间的基本张力，因为电力生产成本最低的时间往往是排放量最大的时间。 出现这种情况的原因是排放率较高的燃煤机组最常用于满足基准和非高峰用电需求; 而排放率相对较低的天然气装置通常会上线以满足高峰需求。这种燃料转换模式解释了为什么夜间排放率往往较高，而在早晚高峰需求期间则较低。