增程式電動汽車的概念設計及前瞻性應用分析

林弟

摘 要：人民出行旅行的需求日益增長，汽車工業隨著快速發展，促進經濟快速增長，但也發生石油資源的過度消耗，環境污染和溫室效應等問題，這使得我國所面臨的能源安全問題也越發嚴重，新能源汽車的發展與應用是解決能源供需矛盾和環境保護的重要途徑，而增程式電動汽車可解決“里程焦慮”等諸多優點也正在被越來越多的人所接受。

關鍵詞：新能源汽車;混合式動力汽車;增程式電動汽車

1 引言

新能源汽車成為全球各國發展的戰略方向，汽車產業形勢發生著深刻的變化。而我國的汽車產業也進入轉型升級的關鍵期，新一代科技產業革命浪潮洶涌而來，形成了電動化、智能化、網聯化、共享化的大變革。工業和信息化部發布的《新能源汽車產業發展規劃（2021-2035年）》征求意見稿，首次將增程式電動汽車列為“三縱”。在這樣的變革下，增程式電動汽車是發展的必然，時代的所需。

2 新能源電動汽車的概述

2.1 新能源汽車的定義

新能源汽車是指采用新型的動力驅動裝置，完全或主要依靠新型的能源驅動和駕駛車輛。

2.2 增程式電動汽車的定義

什么是增程式電動汽車？增程式電動汽車可攜帶與純電動更少的電池單元，可以避免深度放電，保護電池。增程式電動汽車內部配有小型的發動機，與驅動輪之間沒有任何的機械連接，只有發動機或者動力電池作為電動機的電源。美國汽車工程師學會（society of Automotive Engineers）將增程式電動汽車定義為兩個或多個能獨立或同時提供能量的儲能裝置。當機械內部功率足夠時，發動機停止運行，由動力電池提供能量驅動電機工作，當動力電池的電量達到閾值時，整車將啟動發動機發電，給驅動電機的提供電源，同時也給動力電池充電。

3 增程式電動汽車的方案設計

3.1 增程式電動汽車的工作原理

增程式電動汽車屬于串聯式混合動力汽車。目前市場上混合動力汽車一般采用石油和電能兩種能源，分別用發動機和電機將化石能源和電能轉換為機械能，再以某種耦合裝置將兩者動力耦合輸出，用于驅動汽車行駛?；旌蟿恿ζ嚫鶕恿υ粗g采用的不同耦合方式，可以分為串聯式、并聯式和混聯式。其中，串聯式混合動力汽車的動力系統通過發動機將化石能源轉化為機械能，再由發電機將機械能轉換為電能提供給電池或驅動電機，驅動電機與車輪端相連，為車輛行駛提供動力。由于發動機不受輪端的約束，直接與驅動軸分離，能夠使發動機持續在高效區運轉。

當汽車里電池電量足夠的時候，在一定里程范圍內，車輛的驅動能量主要依靠動力電池，實現零油消耗、零排放污染，即車輛處于純電的模式。當超過一定的里程后，動力電池的剩余電量低于閾值時，發動機啟動發電，將機械能轉化為電機和動力電池能夠使用電能，增加車輛的行駛里程數。電動汽車的電池和推進系統是精確設置過的，因此當蓄電池提供足夠的動力時，車輛不需要引擎來產生額外的動力。當電池驅動車輛時，還可以確保車輛能夠平穩的行駛和提速，以達到汽車行駛的極限速度，提高爬坡等一些性能。當由發動機提供所需要動力時，電動汽車可以滿足基本得駕駛要求。

3.2 增程式電動汽車的設計方案

增程式電動汽車只有電機提供車輪旋轉的動力。在純電的模式下增加了由發動機和發電機組成的電能輔助系統（APU），該系統不與驅動輪直接連接，通過電力電池驅動電機運轉，采用簡單的一級減速器就能驅動車輛。在這種結構中，電動車輛傳動結構被簡化，沒有離合器結構，雙向驅動電動機，實現傳動輪與車體之間的能量傳遞，以充分利用驅動電機的四象限工作能力，實現制動能量回收。

3.3 增程式電動汽車的特點

增程電動汽車主要由電池驅動，具有低噪音，零排放減小污染，讓能源得到更加充分的綜合利用，行駛成本低的特點。增程式電動車是在純電的模式上，增加一套能夠發動發電的裝置，提升行駛里程，解決純電動汽車的“里程焦慮”，綜合了純電動汽車和混合動力汽車的優點，呈現巨大的市場空間。

純電動汽車發展緩慢，最重要的一個原因是車載動力蓄電池的技術發展比預期的效果差，動力蓄電池的成本下降也比預期的低。而增程式電動汽車的蓄電池載電量小，成本不高，能夠彌補純電動汽車動力蓄電池成本下降太慢的問題。

增程式電動汽車比插入式混合動力汽車跑的更遠，能力更強，而且還不影響整車性能，對動力電池的性能匹配的技術要求較低。

4 增程式電動汽車的能量分配策略

增程式電動汽車的能量分配的策略有電量維持模式和混合控制模式兩種策略。

4.1 耗盡維持策略

動力電池提供初始車輛運行的能量，即損耗（Charge-Depleting、CD）階段;當動力電池的能量（SOC）減少到一定極限，整車將控制發動機和發電機啟動工作，給動力電池充電，使得能量（SOC）高于最低允許的閾值，即維護（charge-Sustaining，CS）階段，電池維持的策略如圖3所示。

增程式電動汽車工作在CD階段時，沒有任何廢氣排放，相當于一款純電動車，適合于日常城市通勤狀態。增程式電動車工作在CS階段時，增程式電動車相當于一款常規混合動力車輛，適合于高速長途狀態。在CS階段，APU需要維持電池 SOC 在一定的允許值范圍，電能消耗幾乎不變，為實現降低油耗，減少排放的目的，耗盡維持策略通常以CS階段最小燃油消耗作為目標函數進行優化。

4.2 混合式策略

基本思路為增程器在整個運行階段中都可能啟動為動力電池進行充電?；旌鲜讲呗韵?，電能及燃油同時消耗，因此通常以最小燃油消耗和電能消耗作為目標函數進行優化，策略示意圖如圖4所示。

4.3 能量分配策略的選擇

電量維持策略在城市日常通勤時接近于純電動車，高速長途時接近燃油車，受到業界人士的普遍認同。

5 增程式電動汽車的工作模式

根據增程器的工作狀態，將增程式電動汽車分為純電模式、增程模式、能量補給模式三種駕駛模式。

5.1 純電模式

當動力電池的剩余電量（SOC）的值較高時，采用純電模式，發動機和發電機組成的增程器不工作，驅動的動力主要依靠動力電池，這種模式下和純電動汽車的工作狀態差不多。

5.2 增程模式

當動力電池的剩余電量（SOC）的值等低于某一閾值后，整車控制增程器啟動工作，發動機產生的能量轉化為發電機的電能給動力電池充電，補充能量，為車輛的行駛和使用提供不間斷的動力;當動力電池的剩余電量（SOC）的值高于某一閾值后，整車的增程器停止工作，由動力電池直接驅動電動機。按此往復循環工作，從而增加車輛的行駛里程，保證車輛繼續運行。

5.3 能量補給模式

當車輛在停車的狀態時，可以利用車載充電器與車輛外部的充電樁或者是家用電源連接，通過外接充電的方式給車輛的動力電池充電。當車輛的充電條件不允許時，可以給車輛以加油的方式快速補充能量。

6 增程式電動汽車的前瞻性應用分析

國家發展和改革委員會根據驅動動力系統發布22號令對汽車行業的投資管理規定，汽車整車可分為燃油車輛和純電車輛。規定里所指的燃油車是直接由發動機直接驅動車輛的運動，包括傳統的燃油汽車、混合動力汽車，插電式混合動力汽車;純電車輛是指電機驅動車輛的運動，包含純電動汽車（包括增程式電動汽車），燃料電池車等。雖然在國家財政部發布的新能源汽車補貼標準中增程式電動汽車還包含在插電式混動車型中，還未發生改變，但第22號令將其劃歸為純電動的規劃得到落實，增程型電動車技術難度相遇較低，在市場上它將比插電式混合動力汽車發展的快。

增程型電動汽車兼有純電動汽車和插電式混合動力汽車二者的優點，融合了純電動車節能和混動車長續航的優點，從前瞻性應用分析，增程式電動汽車將是消費者接受度最高的車型。

*國家重點研發計劃資助：“高效一體化油冷增程器總成開發及整車集成應用”（2018YFB0106000）。

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