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插电式混合动力汽车技术成本分析
安德鲁辛普森国家可再生能源实验室
摘要
插电式混合动力汽车（PHEVs）已经成为一个很有前途的技术，使用电取代石油的消费。然而，有一个非常广泛的混合动力汽车的设计与成本和效益。特别是电池成本，燃料成本，车辆性能属性和驾驶习惯大大影响PHEVs的相对价值。本文提出了一种成本（车辆购置成本和能源成本）和收益减少（对比石油消费PHEVs）相对于混合动力汽车和传统汽车。详细的仿真模型是用来预测石油的成本削减和插电式混合动力汽车设计基线相比中型轿车。两个动力总成技术方案被认为是探索短期和PHEVs长期前景。分析认为，石油减少超过45％，每台车辆可以达到20英里（32公里），或储存更多的能量配备PHEVs。然而，这些车辆长期增量成本预计将超过8,000美元，比近期成本高得多。一个简单的经济分析表明，高石油价格和低成本的电池需要PHEVs做出引人注目的业务案例。然而，大大减少油气消耗的潜力为政府加快混合动力汽车技术的部署提供强大的理由。
关键词 ：插电式混合动力；混合动力汽车；二次电池的电池；模型仿真；能源安全。
1 插电式混合动力汽车简介
插入式混合动力汽车最近成为一个不错的选择，它使用电力去取代石油消费的相当一部分。插电的混合动力汽车是一种能够充电的混合动力电动汽车，其电能源（戊肝）从外界获得，如电力公司电网（电力储存）。车辆可以当时正处在一个电荷消耗（CD）的模式，降低了系统的状态充电（SOC）的，从而使用电力，以取代液体燃料，否则燃料将被消耗。这些液体燃料是典型的石油（汽油或柴油），尽管PHEVs也可以使用，如生物燃料或氢气。PHEV的电池通常比混合电动汽车有更大的储存能力，从而增加石油节约的潜力。
1.1插电式混合动力汽车术语
插电式混合动力汽车的特点是“PHEVx”符号，其中“X”通常是指汽车的全电动行驶距离（AER）-定义为满电的PHEV在发动机需要工作之前行驶的英里。美国加州空气资源委员会（CARB）使用标准的城市测功机驱动表（UDDS）来衡量PHEVs的AER和提供车辆之间的公平比较。按照这个定义，一个PHEV20可以完全依靠电力行驶20英里（32公里）在发动机工作之前。然而，这个纯电定义没有考虑PHEVs可能在发动机工作后继续工作在CD模式。因此，笔者使用了一个PHEVx更恰当的定义，是石油的节约量。按照这个定义，一个PHEV20包含足够的可用储能电池代替20英里（32公里的石油消费）在一个标准的测试周期。请注意，这个定义并不意味着车辆运行以来，全电能力将最终取决于元件的额定功率和控制策略，以及实际使用中的驾驶循环。
1.2插电式混合动力汽车的前景
PHEVs可能取代传统动力汽车的前景来自以下的几个因素。首先，PHEVs可能与驾驶者的驾驶习惯相配特别是每天的距离分布。基于过去十年的原型，PHEVs通常在PHEV10-60范围内。图1基于1995年国家个人交通调查显示了美国汽车每日里程分布。很明显，大部分汽车的每日里程很短，50%小于30英里（48公里）。图一也显示了1995年的效用因素曲线数据。对于一个确定的距离D，效用因素是车辆每日行驶里程的一个部分。对于30英里（48公里）的距离，效用因素大约是40%。这意味着纯电PHEV30能够替代传统汽车石油消耗的40%（假设车辆每天充满电）。同样，纯电PHEV60可以取代约60％。这种低每日里程的特点就是为什么PHEVs有潜力取代了很大一部分汽车的石油消耗。
然而，为了PHEVs取代石油消耗，他们必须深入市场，推断这些节约石油的水平。第二个因素是令人鼓舞的，PHEVs在在HEV市场上的成功。全球混合动力汽车目前每年生产几十万辆。正因为如此，电机和大功率蓄电池随着主要性能的提高和成本，技术已经基本实现。虽然HEV组件没有为PHEV的应用提供优化，但确实提供了一个平台，从这HEV部件供应商可以开发出PHEV动力元件产品。
最后，PHEV结合了HEV和BEV的特点，使之非常畅销。混合动力汽车实现了高的燃油经济性，但他们仍然是为石油燃料设计的PHEVs，然而，真正的燃料使用灵活的车辆，可以使用石油或电能。BEV不需要任何石油，但是行驶距离受到电池技术的限制，充电时间过长。PHEV有一个更小的电池，减少了电池充电时间和成本，而汽车上的发动机提供驱动范围相当于传统和混合动力汽车。这种结合建立了一个属性组合需求强劲的PHEVs，证明了最近推出的插电式混合动力汽车能够进入市场，实现有石油资源消耗的减少。一些竞争技术提供了这种潜在的合并率和快速的石油消费时间的减少。但是，混合动力汽车技术并非没有困难。储能系统的成本，体积和寿命这些车辆能够成功必须克服的主要障碍。在HEV提高的成本之外，增加电池的容量也是一个挑战。此外，合并后的深/浅循环在PHEV的电池比HEV和BEV更加的特殊。PHEV的电池可能需要个更长的寿命，进一步的增加了成本。鉴于混合电动汽车在市场上取得成功，有关PHEVs的问题就是，“当增加成本时怎么减少石油的消耗？“这些因素将严重影响购买PHEVs的成本。本文介绍了评估这项成本效益权衡研究的结果。
2 PHEV石油消耗和成本的模型
每辆PHEV石油消耗的减少来自以下两个因素：
1、石油在CD模式，如前面讨论的涉及PHEVx以增加电池容量为基础的汽车。
2、燃油效率的改善（CS）的模式由于杂交，其中涉及DOH或添加车用动力电池的容量。HEV，没有CD模式，只能通过这第二个因素，实现节约。
2.1建模方法和研究范围
混合动力汽车的成本效益模型包括若干子模型。首先，一个计算元件尺寸的性能模型必须满足表1中列出的性能。第二，大规模平衡计算车辆的性能质量模型以组件大小为基础决定于性能模型。第三，能源使用模型模拟了汽车在各个驾驶循环的汽油和电力消费。车辆的性能和能源使用模型整合到车辆的质量，因此，模型能够捕捉到大量的元件尺寸。第四，成本模型估计零售车辆的价格以组件尺寸为基础。最后，以一个有意义的方式报告车辆的能源消耗和运营成本。模型用一个Excel表格来呈现。
能源使用的模型是一个详细的动态车辆模型，它使用一个反向计算方法。也作为功率流模型由于模型组件特征损失/效率作为设备功率的函数,而不是作为函数的转矩/速度或电流/电压更详细的模型。这种反向计算，功率流方法提供快速估计车辆能耗，对以上表格进行迭代。一个解决方案能在几秒钟之内得到，这意味着可以非常迅速和彻底的设计空间。数百名项的混合动力汽车的设计方案，也因此被纳入研究。
该模型进行的常规车辆（CVS）和HEV（包括PHEVs）模拟，以便可以同时进行比较。模型的性能和能源消耗在丰田凯美瑞轿车和本田Civic混合动力汽车上进行验证。在这两种情况下，观察到在车辆的性能和能源利用的估计中，误差不到5％。
两个动力总成技术方案被纳入研究。短期方案（2005-2010年）代表目前使用的车辆生产动力总成技术，而长期方案（2015-2020年），预期带来长久的研发时间和大批量的生产水平。长期方案不包括先进的发动机技术，因为作者想要去除改善电力驱动和储能技术对PHEV相对成本效益的影响。
2.2汽车平台性能和成本假设
所有车辆包括在研究有同样的性能，使用车辆有相同基准的限制平台。基准是一个中型轿车（类似于丰田凯美瑞或雪佛兰Malibu），有关参数列于表1。大多数参数由2003年美国最畅销中型轿车销售加权平均数据计算出。有些参数，如滚动阻力，配套荷载，通过加速度，爬坡能力，是工程估计出来的。基准制造商的建议零售价（MSRP）为23.392美元，使用的动力系统成本模型，去估计基本价格（即车辆无动力总成）。一个121千瓦的动力总成的费用估计在6002美元，导致预计基本的滑翔机成本17390美元。
2.3动力系统结构
这两个东西可以区分PHEV和HEV，CD操作模式和充电插头。因此，插电式混合动力汽车可以使用典型的混合动力汽车使用的任何架构（平行，串联，或电分裂）。在这项研究中，一个并行体系结构被认为能够将发动机从动力系统分离。这两个平行的布局提供了更大的灵活性体系结构与能力去承担declutch于动力系统（图3）发动机。这个平行的布局与本田的综合电机辅助（IMA）并行系统相比，在发动机开关控制方面听力更多的灵活性，这里的发动机和电动机一直保持连接状态。为了在发动机开/关控制上创造更多的灵活性，也有人认为，所有配件（包括空调）将应该从电池获得供电。
2.4组件尺寸
该电池是第一个组件由模型来确定尺寸的，两个关键的投入是PHEVx名称和电池电源的能源（P/E）的比例。可以通过对汽车等效单位距离的电能消耗来估计电池的能量消耗，然后计算目标PHEVx的行驶距离。电能消耗使用PAMVEC模型来计算。总的电池能量计算基于SOC设计窗口。最后，额定电池能量计算是将总的电池能量乘以输入P/E效率然后减去２０％损耗来得到结果。
2.5组件效率，成本
正如2.1节中所讨论的,插电式混合动力汽车能源利用模式是反向计算,功率流模型,模拟组件损失/效率作为输出功率的函数。发动机和电动机效率建模使用多项式表达式为组件输入功率输出功率的函数。该发动机曲线图基于一个4缸，1.9升，95kW的汽油发动机。使用这个发动机老进行一个３阶多项式的拟合数据模拟。电动机曲线是基于一个50kW永磁电机和一个9阶多项式拟合仿真数据。两种的电池使用效率如图５所示。
电池效率使用归一化函数和输入功率来建模。这种关系是源自于一个使用名义的开路电压值和内部阻抗的等效电路模型。镍氢和锂离子电池的质量模拟使用一个来自Delucchi的电池设计功能，如图６所示。电池包装的附加质量和热管理也是基于此。
电池模块的具体成本（美元/千瓦时）变化的函数比例（图6）。长期锂离子成本曲线是基于美国电力研究协会的估计。在与电池厂家与有关专家交谈之后，估计镍氢模块的短期成本时美国电力研究协会估计的长期成本的两倍。电池包装盒热管理的成本也基于此列出。
3结果
PHEV2，5，10，20，30，40，50，和60被纳入研究。一个HEV0被建立成作为去除充电器的PHEV2。P / E比率分别选择不同DOH定义为电机的功率比电机总功率加发动机），覆盖范围约10％-55％。注意，小排量发动机对应的约32％DOH，而DOH高于该车辆上电的能力。
仔细查看图8，我们看到插电式混合动力汽车在相对成本效益上有一个重复的趋势并有不同的DOH。对于HEV0s，最佳DOH（32％）在小排量发动机。对于PHEVs，最佳DOH较高（35％），以配合最低电池全电式上UDDS周期（所需功率的能力在HWFET周期最大功率的要求较低）。这种全电动能力避发动机怠速的损失，否则将导致因发动开启而受5分钟的最小转速限制。对于短期和长期场景最优的PHEVs和HEV总结在表3和表4。
必须强调，这些最佳DOH是高度依赖于汽车平台/性能的本质属性和驾驶模式。应反复分析其他基线车辆（如运动型多用途车），看看这种插电式混合动力汽车的设计有哪些不同。此外，PHEVs应该在标准测试周期下模拟真实的驾驶状况，以确定石油消耗和纯电操作下的不同之处。这样进一步的分析应当能够为市场提供更好的PHEV。
3.1 PHEV经济学
PHEV的成本效益分析还包括一个对购置成本的汽车生命周期的简单比较。这个比较包括汽车的零售价和成本的年度能源（燃料和电力）的消耗量，但不能对可能的维护成本的差异进行解释。图9列出近期和长期方案的经济比较。为了计算每年的石油和电能消耗，所有车辆均假定为每年行驶15000英里（24,100公里），这与美国环保局的假设是一致的。零售汽油的短期成本是每加仑3美元（约合0.79元每升），而对更高的石油价格是5美元每加仑（约合1.32美元每升），这是预期的设想。根据2005年美国平均零售价格和历史趋势，零售业发电的成本保持在恒定的0.09美元每千瓦时。没有对未来的现金贬值进行测算。
在短期情况下，大约10年后，HEV实现了比CV较低的购置成本。然而，PHEVs在15年的汽车生命周期中不会实现较低的购置成本，无论是相对于HEV还是CV。长期的方案提供了一个重要的对比，HEV在大约4年后的使用成本比CV低，而PHEVs在12年后能提供比HEV更低的使用成本。
从这些比较中可以得出一些结论。很显然，这些回报成本的分析对汽油和汽车销售的成本很敏感，它们受电池成本的影响很大。同样清楚的是，如果汽油价格一直保持在目前的水准，PHEV的经济学将不会被推广，电池成本不能得到改善。然而，至少从简单的经济消费角度进行比较，插电式混合动力汽车在更高的汽油价格和更低的电池成本的环境下的推广将会是一个成功的商业案例。
尽管PHEV的经济学存在着不确定性，还有其他因素可能证明增加的混合动力汽车的成本。例子包括税收优惠，减少石油的使用，空气污染，温室气体的排放量，国家能源安全，减少维护，在家充电的便利，从高扭矩发电机得到提高的
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