燃油增程式電動汽車動力系統技術探究

陳金柯，徐志，黃倫倫，嚴鵬

（江蘇大學京江學院，上海 212013）

1 增程式電動汽車介紹

增程式電動汽車是一種純電動驅動行駛的插電式串聯混合動力汽車，增程式電動汽車和燃油汽車、純電動汽車以及強混合動力車等類型的汽車相比都具有一定的優勢，相較于燃油汽車其增程器的發動機能夠將狀態控制在最優，從而擁有較小的排放量；與純電動汽車相比其不需要那么大的電池容量，在成本方面有明顯的優勢，且不會出現因缺電人拋錨的問題。相較于強混合動力汽車，其電機和發動機之間不存在機械耦合，從而有效防止了頻繁的工作模式切換，而且擁有與更加靈活的電池沖放策略，從而能夠使電池具有更長的使用壽命。

增程式電動汽車的動力系統主要包括動力電池系統、動力驅動系統，以及增程器和整車控制系統等四部分組成，這四部份的主要功能如下：

（1）動力電池系統。能夠為電機驅動系統提供動力，同時也提供了增程器發動機啟動所需要的反拖電流。

（2）驅動系統。為車輛提供動力輸出，并且能夠通過電機控制器來接收來自整車控制器的命令，從而實現汽車行駛的控制。

（3）增程器。增程器由小排量發動機以及與之相連的發電機兩部分組成，通過將發電機的交流電整流成與動力電池電壓相匹配的直流電給動力電池充電。

（4）整車控制系統。具有增程器的控制、各動力部件的協調控制等功能，能夠實現對于整車的控制。

和傳統的串聯式混合動力汽車相比，增程式電動汽車并不是依靠較大的發動機來提供所有電源，而是采取較小的電池來提高能效，其采用的是插電式充電模塊，能夠實現電池的外部充電，配備的較小功率的發電機的目的是達到里程拓展的要求。正因為如此，增程式電動汽車在電池的容量上小于純電動汽車，而要比傳統的混合動力汽車的要大。增程式電動車中動力部件相較于傳統的混合動力汽車有所增加，動力結構也有所改變，這使其動力耦合有所減少，有效的降低了能量的損耗，但是由于需要進行頻繁的電力轉換，導致了其能量的利用效率較低，因此需要通過動力部件的合理選型，實現動力性能不受影響的情況下達到經濟性能的最優化。

2 增程式電動汽車動力部件選型

2.1 驅動電機選型

增程式電動汽車的驅動電機選型要根據其工作環境的要求來進行，其工作環境中面臨著頻繁變化的工況環境，沖擊和振動也比較大，因此為了適應這些要求，其驅動電機應具有尺寸小、重量輕以及調速范圍廣等特點，并且在還需要其在寬轉速和轉矩范圍內控制簡單，此外成本問題以及維護等也需要進行考慮。當前應用于電動汽車的驅動汽車包括直流電機、交流感應電機、永磁電機和開關磁阻電機等幾種，表1中對這些電機性能進行了展示：

表1 不同驅動電機的性能對比

通過對這幾類驅動電機的性能進行對比，以及增程式電動汽車對驅動電機的要求進行分析，可以發現永磁同步電機具有效率及比功率高、調速范圍寬且精度高、運行平穩、可靠性好等優點，比較適合作為增程式電動汽車的驅動電機。

2.2 動力電池的選型

從目前的技術發展情況來看，電池技術是限制電動汽車發展的關鍵技術。隨機技術的不斷發展，新材料不斷涌現，陽極材料、陰極材料、隔膜和電解液等作為電池主要部件，它們的新工藝和新材料正在不斷研發，隨著這些新材料應用到電池之中，電池的性能也在不斷的提升之中，這為電動汽車的發展提供了新的機遇。從當前來看，鋰電池磷酸鐵鋰、鈷酸鋰、錳酸鋰及其復合材料已經成為了當前動力電力正極材料的主要選擇。在這些電池之中，磷酸鐵鋰電池在比容量上比鈷酸鋰和錳酸鋰電池更高，而且其壽命周期也比較長，成本也比較低。在負極材料方面，碳和石墨材料是比較常見的選擇，而諸如鈦酸鋰和鋰單質作為負極材料也得到了一些應用。總的來說，目前磷酸鐵鋰和碳材料組成的電池單體增程式電動汽車電池比較適合的選擇。隨著技術的不斷發展還會有新的電池應用到電動汽車之中，諸如三元復合材料和固溶體材料組成的新型電池、金屬鋰材料組成的空氣鋰電池技術不斷發展和完善，其優異的性能將會極大的提升動力電池的性能，這也是未來電動汽車電池未來的主要發展方向。

2.3 增程器選型

2.3.1 增城發電機選擇

在增程式電動汽車之中，增程器知識在電動電池電量不足時才會啟動的整車的輔助動力源，表2中是目前使用的幾種主要的發動機類型。在表2中“0”表示基準線；“+”表示好；“-”表示差。

表2 發動機特性比較

結合上表可以看出，柴油機具有較高的效率，但是其十分的笨重，尺寸較大，而且NHV性能比較差；兩沖程的汽油機的燃油利用效率比較低；轉子發動機雖然在單體成本上較低，性能比較優異，但是目前尚未實現大規模的應用；和上述三種發動機相比，四沖程汽油機具有平臺通用化、技術成熟且制造成本低等方面的優點，因此從目前來看其是增程式電動汽車最為適宜的發動機選擇。

2.3.2 發電機選擇

在增程式電動汽車之中，發動機輸出的機械能被發電機轉化成電能，利用此電能給驅動電機提供能量，通過這樣的方式來驅動車輛行駛。因此增程式電動汽車之中，發電機的選型原則和驅動電機差不多，永磁同步電機還是最適宜的選擇。

3 增程式電動汽車未來的發展

在電動汽車發展初期就已經提出了車載充電增程的概念，但是受到當時技術條件的限制這一概念并沒有得到充分的應用，由于需要進行多次的電力轉換，燃油的利用效率不高，這是影響其應用的重要原因。隨著技術的發展，通過插電式和車載充電相結合和能源轉換效率的提升，給增程式電動汽車的發展帶來了新的動力。從目前的能源和環保形勢上看，隨著技術的提高，成本不斷降低，更加環保高效的電動汽車替代傳統燃油汽車成為的首要代步工具已經成為必然的趨勢，但目前的技術水平，在電池容量和充放電時間等方面的不足讓純電動汽車還不足以取代燃油汽車，這樣的背景下應用純電驅動的增程式電動汽車就有了較大的應用空間，而在未來的發展過程中，便攜式和模塊化的增程設備將在電動汽車的發展中得到重要的應用。

為了進一步提高增程式電動汽車的安全性和效率，需要對動力部件進行更為深入的研究，對車載充電造成的不利影響進行有效的限制，充分發掘充電控制的用途和效益，從而進一步推動電動汽車的發展和應用。以下三方面是增程式電動汽車發展需要重點關注和研究的方向：

（1）能源轉換效率的提升方面。目前增程式電動汽車在純電工況下的經濟性比較出色，強于其它混合動力汽車，但是在充電工況下卻仍存在許多不足，電流耦合的電動汽車的經濟性能較機械耦合還存在較大的差距，仍存在比較大的提升的空間。

（2）模塊化。可拆卸式的增程單元是未來的發展方向，模塊化和增程單元通信的通用化有著比較密切的聯系，涉及到環境自適應性和動力操控穩定性等問題。安全、高效并且具有良好通用性能的增程模塊研究的價值很高。

（3）和微網、智能電網以及車路協同等新技術相結合是增程式電動汽車未來研究和發展的重要方向。