淺析乘用車增程技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢

鄧湘 范鵬 畢帥 廖顯敏 張星宇

摘? 要：目前，新能源汽車主要以純電動、混合動力、燃料電池等多種技術(shù)路線并行發(fā)展，在產(chǎn)業(yè)加速變革和支持政策持續(xù)調(diào)整完善過程中，各種技術(shù)路線發(fā)展的比較優(yōu)勢也在不斷變化。企業(yè)為迎合市場需求，正積極謀劃研究符合未來變革趨勢的技術(shù)路線及發(fā)展方向，亟需在多種路線競相發(fā)展中選擇符合企業(yè)自身實際的技術(shù)路線。本文通過分析新能源汽車技術(shù)路線關(guān)系，概述了當(dāng)前新能源汽車發(fā)展趨勢及主流技術(shù)路徑，著重闡述了增程式電動汽車的市場需求、技術(shù)構(gòu)型、優(yōu)劣勢對比分析，同時對于未來增程核心技術(shù)的發(fā)展方向進(jìn)行了判斷與分析，并提出了觀點及建議。

關(guān)鍵詞：新能源汽車；技術(shù)路徑；增程式電動汽車；增程器

中圖分類號：U461? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? 文章編號：1005-2550（2024）02-0056-08

Analysis of Technology Status and Development Tendency for Range Extended Electric Passenger Vehicle

DENG Xiang， FAN Peng， BI Shuai， LIAO Xian-min， ZHANG Xing-yu

（VOYAH Automobile Technology Co.， Ltd.， Wuhan 430056， China）

Abstract： At present， a variety of routes of new energy vehicles （BEV， HEV， FCEV） are developing in parallel， the comparative advantages of the development of various technical routes are also changing in the process of accelerating industrial change and the continuous adjustment of policies. In order to meet the market demand， enterprises are actively planning the technical route and development direction that meet the future change trend， and it is urgent to choose the technical route that meets the actual situation of enterprises in the competitive development of various routes. By analyzing relationship among the technology routes， this paper summarizes the current development trend and mainstream technology path of new energy vehicles， focuses on the market demand， technical configuration， advantages comparative analysis of range extended electric vehicle （REEV）， evaluates and analyzes the development direction of range-extender technology， and puts forward views and suggestions.

Key Words： New Energy Vehicle; Technology Path; Range Extended Electric Vehicle; Range Extender

引? ? 言

當(dāng)前，在國家政策支持和市場需求驅(qū)動下，中國汽車先進(jìn)動力系統(tǒng)技術(shù)取得了顯著的進(jìn)步和突破，特別是在純電動、混合動力和氫能動力等方面，涌現(xiàn)出了一批具有國際競爭力的技術(shù)和產(chǎn)品，市場化漸趨成熟。且國內(nèi)廠家對各動力的技術(shù)路徑也均有布局和規(guī)劃。展現(xiàn)出了中國汽車產(chǎn)業(yè)的創(chuàng)新能力和活力。

REEV（Range Extended Electric Vehicle）即增程式電動汽車，作為插電式混動技術(shù)中重要分支，成為了新能源汽車的發(fā)展亮點，其增長速度在新能源汽車細(xì)分類型中表現(xiàn)突出，近兩年來銷量增長明顯，市場占有率也逐年攀升。這說明技術(shù)路線只是決定產(chǎn)品銷量因素之一，如果產(chǎn)品整體競爭力強(qiáng)、價值體驗感佳，即使小眾市場也能帶來令人驚喜增量，甚至技術(shù)和產(chǎn)品也可以反過來引導(dǎo)消費需求。

另外隨著購置補(bǔ)貼退坡以及后補(bǔ)貼政策體系的重新構(gòu)建，增程式電動汽車憑借其無里程焦慮、電池用量少、不依賴充電基礎(chǔ)設(shè)施、綜合油耗低等優(yōu)點，并在電池技術(shù)尚未實質(zhì)突破、充電便利性仍需改善、節(jié)能減排要求趨嚴(yán)的背景下，增程式電動汽車仍會在一段時間內(nèi)快速增長并成為行業(yè)及企業(yè)關(guān)注的熱點。

1? ? 增程式乘用電動汽車現(xiàn)狀

1.1? ?增程式電動汽車技術(shù)路徑概述

當(dāng)前新能源汽車按其動力形式主要分為純電動、插電混動以及燃料電池三種技術(shù)路徑。而插電混動構(gòu)型主要包含串聯(lián)式、并聯(lián)式、混聯(lián)式三種。

而當(dāng)前市場較為流行的增程式構(gòu)型與串聯(lián)式混合動力高度關(guān)聯(lián)。其最大特點為：發(fā)動機(jī)不直接介入驅(qū)動，而是在電池電量不足或功率不足時帶動發(fā)電機(jī)發(fā)電并將電能輸入至電動機(jī)驅(qū)動車輛，多余電能輸入至電池包存儲起來。

因此增程構(gòu)型主要凸顯輔助補(bǔ)能的作用，可以理解為在PHEV（Plug-in Hybrid Electric Vehicle）混合動力基礎(chǔ)上的演變，并衍生為特有的技術(shù)構(gòu)型及細(xì)分市場。

而且對于不同企業(yè)技術(shù)路線不盡相同，這與車企本身的產(chǎn)品定位和技術(shù)稟賦有關(guān)。比如擅長純電動技術(shù)的企業(yè)，比較容易延伸到增程式路線，因為技術(shù)相關(guān)性高、平臺架構(gòu)變化不大。而對于擁有豐富傳統(tǒng)資源的車企，往往升級為混動更加契合，技術(shù)改動也相對比較少。

如圖1所示為插電式混合動力PHEV與增程式電動REEV的主要構(gòu)型及差異。其中PHEV著重發(fā)動機(jī)與電機(jī)系統(tǒng)的串并聯(lián)混合匹配，以實現(xiàn)多種駕駛模式，達(dá)到動力性與經(jīng)濟(jì)性的最佳兼顧。而REEV則以相對簡化的串聯(lián)構(gòu)型，將發(fā)動機(jī)與整車機(jī)械解耦，使整車控制更加傾向于純電屬性。另外從電流的傳遞角度來看，在整車大功率輸出時，P1發(fā)電機(jī)與動力電池可以并聯(lián)輸出給驅(qū)動電機(jī)以實現(xiàn)增程補(bǔ)能，因此也可看作是電-電的混聯(lián)構(gòu)型。

進(jìn)一步的通過對使用場景、布置構(gòu)型、結(jié)構(gòu)原理、成本及性能對比可以看出增程式電動汽車有如下明顯優(yōu)勢（如表1）：

a.消除焦慮：長途行駛可以消除客戶續(xù)航以及充電不便焦慮，且在市區(qū)通勤時基本可以由純電模式覆蓋。

b.動力解耦：由于發(fā)動機(jī)不參與整車驅(qū)動，可實現(xiàn)二者之間的機(jī)械、功率、車速、排放解耦。且對整車布置較為靈活，冗余度高。

c.駕乘體驗較好：增程式汽車更傾向于純電車屬性，動力性能、NVH性能較混動更優(yōu)。

d.策略適應(yīng)性好：僅通過對增程器的功率跟隨或定點發(fā)電的標(biāo)定策略，及可實現(xiàn)整車的動力性、經(jīng)濟(jì)性、NVH性能匹配，且相對PHEV的控制策略更為簡捷。

然而增程式電動汽車也有一定的技術(shù)弊端，比如油電間的二次能量轉(zhuǎn)換導(dǎo)致效能相對降低且能耗偏高（尤其在高速虧電模式），又比如增程器集成度較低，對整車四驅(qū)的布置空間要求更高。

綜上，當(dāng)前對于新能源汽車的技術(shù)路線多元化是必然趨勢，并且未來很長一段時間內(nèi)BEV、PHEV、REEV等技術(shù)將長期并存。

1.2? ?乘用車REV市場現(xiàn)狀分析

根據(jù)汽車工業(yè)協(xié)會2023年發(fā)布的《中國增程式電動汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展報告》，提出了新能源汽車發(fā)展和增程式技術(shù)路線的優(yōu)勢逐漸顯現(xiàn)，越來越多的車企開始布局增程式產(chǎn)品（如圖2）。同時也預(yù)測2020-2025年增程電動汽車年復(fù)合增速達(dá)64.7%，到2025年銷量增至約50萬輛。

同時SCI機(jī)構(gòu)預(yù)測增程車型未來5-6年的市場占比呈持續(xù)上漲態(tài)勢，預(yù)計2028年滲透率達(dá)18%。且在NEV市場中，預(yù)計2026年增程車型滲透率最高可達(dá)24.6%（如圖3）。

基于乘聯(lián)會新能源汽車市場銷售數(shù)據(jù)，增程車型增長率明顯高于純電動汽車，符合機(jī)構(gòu)預(yù)測。截止2023年7月份增程占新能源汽車滲透率增長至29.6%，高于SCI預(yù)測20.4%（如圖4）：

對于增程新車型市場呈快速增長態(tài)勢，主流增程車型銷量逐步攀升，理想L系列車型月銷量穩(wěn)居1萬以上；深藍(lán)SL03/S7銷量逐步提升，峰值月銷量超過8千且持續(xù)增長；嵐圖新FREE、哪吒S和零跑C01銷量穩(wěn)健，持續(xù)月銷量也在3000臺左右（如圖5）：

2? ? 乘用車增程技術(shù)現(xiàn)狀

2.1? ?主流增程構(gòu)型對比

當(dāng)前增程技術(shù)主要解決續(xù)航里程短，充電不便等問題，且主流的增程方案為：

a.發(fā)動機(jī)與P1發(fā)電機(jī)直聯(lián)。

b.基于混合動力專用變速箱（Dedicated Hybrid Transmission，DHT）構(gòu)型，發(fā)動機(jī)與P1發(fā)電機(jī)單級速比耦合，取消發(fā)動機(jī)與主減速器間的離合器。

通過兩種主流增程構(gòu)型對比（如表2），可以看出二者在各OEM均有應(yīng)用。主要差異表現(xiàn)為直聯(lián)式增程器由于集成度略差，更多應(yīng)用在后驅(qū)車型中，而帶速比的DHT增程構(gòu)型則融合了P3前電機(jī)，更容易實現(xiàn)四驅(qū)功能，甚至可以通過增加離合器功能來進(jìn)一步實現(xiàn)發(fā)動機(jī)的直驅(qū)功能。

2.2? ?增程器匹配概述

增程器系統(tǒng)的匹配是增程式電動汽車技術(shù)的關(guān)鍵，主要基于整車VTS（Vehicle Technical Specification）指標(biāo)對整車動力、控制、通訊、診斷、熱管理等系統(tǒng)進(jìn)行匹配。

其中對于動力系統(tǒng)匹配，通過對整車不同工況及負(fù)載條件下的受力分析，可以計算出整車最大需求功率及扭矩，并據(jù)此選型匹配驅(qū)動電機(jī)峰值功率及峰值扭矩。基于動力系統(tǒng)傳動比及輪胎滾動半徑，計算出驅(qū)動電機(jī)最高轉(zhuǎn)速。

根據(jù)上述整車需求最大功率及驅(qū)動電機(jī)峰值功率來選型匹配增程器額定功率及峰值功率。

因此增程器輸出額定功率P可表示為：

式（1）中：m為整車質(zhì)量，f為滾動阻力系數(shù)，CD為風(fēng)阻系數(shù)，A為迎風(fēng)面積，Vmax為整車最高車速，ηT為電機(jī)到驅(qū)動輪的傳動效率，ηe為電機(jī)效率。同時根據(jù)各工況需求，確定增程器的功率響應(yīng)時間及動力電池的類型匹配。

除動力性之外，增程器匹配也需要考慮如下原則：

a.高效區(qū)匹配：控制發(fā)動機(jī)工作在最佳點火角以及高效區(qū)間，同時發(fā)電機(jī)與發(fā)動機(jī)高效區(qū)盡量重合。

b.功率跟隨匹配：發(fā)電機(jī)輸出功率需與整車驅(qū)動需求功率跟隨。且在增程模式下，動力電池主要起到能量回收、功率增補(bǔ)（加速及爬坡）以及能量緩沖（削峰填谷）的作用。

c. NVH匹配：優(yōu)化發(fā)動機(jī)與發(fā)電機(jī)工作點，盡量降低發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速及扭矩以滿足NVH性能。

2.3? ?增程器技術(shù)特征及核心指標(biāo)

根據(jù)增程式電動汽車的工作原理，增程器具有如下技術(shù)特征：1.發(fā)動機(jī)不直接驅(qū)動，而是驅(qū)動發(fā)電機(jī)產(chǎn)生電能供給車輛使用；2.增程器啟停頻繁，運行區(qū)域相對自由可控；3.增程器動力需求較低，僅需滿足整車驅(qū)動功率需求并維持SOC平衡；4.整車采用純電驅(qū)動，因此增程器的噪聲更加凸顯。

基于以上特征，當(dāng)前行業(yè)對于增程器技術(shù)的共識為：開發(fā)高效率、集成化、小型化、低成本、無感化的增程器系統(tǒng)，以匹配整車對于強(qiáng)動力、低能耗、長續(xù)航、靜謐性等需求（如圖5）：

其中對于高效增程專用發(fā)動機(jī)（Dedicated Hybrid Engine，DHE）的研發(fā)，各企業(yè)主流機(jī)型熱效率普遍在40%以上，采用的技術(shù)也不盡相同，如350bar高壓直噴，低壓EGR，超低摩擦技術(shù)，水冷中冷，高效分區(qū)熱管理技術(shù)，附件電動化等。其中東風(fēng)汽車的馬赫動力C15TDE高效發(fā)動機(jī)更以45.18%的熱效率拔得頭籌。

對于高效發(fā)電機(jī)及控制器的研發(fā)，更是以小型化、高效化進(jìn)一步集成匹配，并與發(fā)動機(jī)進(jìn)一步高效耦合，從而實現(xiàn)效率、重量、NVH、成本的進(jìn)一步優(yōu)化。

綜上，增程器的本質(zhì)屬性是補(bǔ)能發(fā)電，其核心指標(biāo)就是油電轉(zhuǎn)化率。當(dāng)前行業(yè)主流指標(biāo)為3.0-3.2kWh/L，且隨著發(fā)動機(jī)熱效率改善，電機(jī)扁線化應(yīng)用，SiC功率元器件導(dǎo)入，油電轉(zhuǎn)化率可進(jìn)一步提升至3.4-3.5kWh/L（如圖6）。

除了經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)，增程器對于動力性、搭載性、排放性、NVH、成本均有明確的開發(fā)指標(biāo)，其中NVH性能及目標(biāo)成本更為靠前（如表3）。

3? ? 乘用車增程技術(shù)未來發(fā)展趨勢

3.1? ?增程器小型化與集成化

隨著增程式電動汽車普及應(yīng)用，純電續(xù)航里程也隨著電池包容量增加而提升，當(dāng)前普遍純電續(xù)航里程在200km左右，甚至有的車型已經(jīng)超過300km，如搭載43.7kwh電池包的零跑C01 CLTC純電續(xù)航達(dá)到了316km。

因此增程器小型化與集成化成為了當(dāng)前各車企追求的技術(shù)指標(biāo)之一。首先，帶來的效益就是輕量化與低能耗，對續(xù)航里程也有優(yōu)化；其次，小型化增程器與大電池包互為補(bǔ)充，凸顯增程器的輔助補(bǔ)能作用；再次，集成化增程器可以拓展機(jī)艙布置空間的冗余度，比如優(yōu)化的Y向空間利于配置更大輪胎并預(yù)留雙叉臂懸架升級空間，同時增大前輪包絡(luò)，提升轉(zhuǎn)彎半徑（如圖7）。甚至可以在BEV架構(gòu)直接改制REV車型也是得益于小型化增程器的應(yīng)用。

基于以上收益分析，當(dāng)前增程器小型化的主要技術(shù)路徑為：

a.發(fā)電機(jī)與電控集成化：從傳統(tǒng)的電控、電機(jī)分體式過渡為多合一集成式發(fā)電機(jī)（如圖8），由于取消了三相高壓線以及相關(guān)支架、冷卻管路、低壓線束等，平均減重約3-5kg。進(jìn)一步的，也可將控制器與發(fā)電機(jī)進(jìn)一步集成，比如共用殼體、水道、銅排等。

b.發(fā)電機(jī)與發(fā)動機(jī)一體化集成：一方面取消增程器內(nèi)部中間飛輪及限扭減振器機(jī)構(gòu)，由發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子代替發(fā)動機(jī)飛輪同時轉(zhuǎn)子端部與發(fā)動機(jī)曲軸直聯(lián)，可降低軸向尺寸約10%，同時降本減重也十分可觀，當(dāng)前主要在<50Kw的增程器應(yīng)用（如圖9）。另一方面將發(fā)電殼體與發(fā)動機(jī)殼體物理集成一體，從原理上實現(xiàn)增程器的一體化集成，但目前行業(yè)尚處于理論分析階段。

因此對于增程器小型化與集成化的研發(fā)，當(dāng)前已逐漸摒棄發(fā)動機(jī)、發(fā)電機(jī)、控制器的獨立選型及設(shè)計，也不再是傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)與新能源產(chǎn)業(yè)的簡單組合。更是三者之間從研發(fā)、制造、售后全價值鏈的重組融合，并以最低的開發(fā)代價、最合適的性能目標(biāo)，來滿足市場更加嚴(yán)酷的競爭與挑戰(zhàn)。

3.2? ?增程器高效化

對于增程器高效化，其核心路徑如下：

a.增程專用發(fā)動機(jī)高效化：隨著附件電氣化、350bar高壓直噴、水冷中冷、低壓EGR、DLC減摩技術(shù)的普及應(yīng)用，高效發(fā)動機(jī)的熱效率普遍在41%-43%區(qū)間。后期隨著絕熱及稀薄燃燒技術(shù)應(yīng)用，熱效率可進(jìn)一步提升至47%左右，但由于高投入產(chǎn)出比，大部分廠家目前處于前瞻預(yù)研或觀望狀態(tài)。

b.增程專用發(fā)電機(jī)高效化：隨著扁線電機(jī)、油冷技術(shù)的普遍應(yīng)用，發(fā)電機(jī)系統(tǒng)最高效率已經(jīng)超過93%，且高效區(qū)間滿足雙85目標(biāo)（即85%效率占map比例85%），較傳統(tǒng)水冷扁線技術(shù)優(yōu)化1-2%左右（如圖10）。

c.增程系統(tǒng)高效區(qū)間耦合：由于受物理邊界限制，發(fā)動機(jī)高效中心點一般在3000-3500rpm左右，而發(fā)電機(jī)高效中心點一般在4000rpm以上，因此二者高效率中心耦合是系統(tǒng)效率提升的關(guān)鍵。當(dāng)前普遍思路是：1.減小氣隙，但對工藝要求更高；2.調(diào)整電磁方案，將弱磁拐點往低速區(qū)域移動，而電機(jī)高效率點一般靠近弱磁拐點；3.在電壓范圍內(nèi)，增加繞組匝數(shù)，提升勵磁性能，從而提升電機(jī)轉(zhuǎn)矩輸出能力，在相同工況下，反電動勢越高，電流越小，有利于提升控制器的效率。

d. 增程最優(yōu)工況控制策略：不同于燃油車，增程式汽車工況點可以基于發(fā)電功率需求、NVH目標(biāo)在萬有map最佳油耗區(qū)間進(jìn)行選點，當(dāng)前主流策略為定點發(fā)電，功率跟隨（如圖11）。

同時行業(yè)提出了根據(jù)預(yù)測的汽車未來行駛工況進(jìn)行等效燃油最小控制策略（ECMS）并進(jìn)行優(yōu)化擬合。比如針對不同路況與駕駛員意圖進(jìn)行SOC門限與整車需求功率輸入值的優(yōu)化調(diào)整，對所搭建的能量管理策略在整車上固化，實現(xiàn)最優(yōu)整車能量管理路徑及策略（如圖12）。

3.3? ?增程器無感化

無感化一般指車輛在日常行駛過程中，增程器瞬間介入或介入后，駕乘人員不會感知到明顯的振動或噪音。尤其在虧電時噪聲與振動較燃油車更大，易引起客戶抱怨。

當(dāng)前普遍認(rèn)可的目標(biāo)為：噪聲總值增加量<1.5dB（A）；發(fā)動機(jī)階次噪聲<75dB（A）。對于增程器無感化開發(fā)的整體思路為：

a.常規(guī)方法：對噪音“源、路徑、響應(yīng)”進(jìn)行全面優(yōu)化，如通過諧波注入或斜極優(yōu)化來降低電機(jī)階次噪音，如前圍隔音提升、抗扭懸置NTF優(yōu)化措施等。

b.控制策略：根據(jù)車速與油門開度來設(shè)定不同目標(biāo)轉(zhuǎn)速，基于多方需求找到最優(yōu)解。

c.主動降噪：通過ENC/RNC等主動降噪技術(shù)進(jìn)一步降低增程器噪聲中的2階、4階成分，且主動降噪技術(shù)不受動力標(biāo)定及電量平衡的限制，真正實現(xiàn)無感化（如圖13）。

3.4? ?增程器高壓化

如前所述，得益于整車純電續(xù)航里程接近300公里以及大電池包的普遍應(yīng)用，客戶對于純電使用場景占比更高，而且對電池快充的需求也更加凸顯。

因此，在純電動800V高壓化應(yīng)用的背景下，整車企業(yè)對于增程高壓化的開發(fā)及研究成為了當(dāng)前增程系統(tǒng)的技術(shù)制高點，其主要特點有：一方面是高壓化帶來1-2%系統(tǒng)效率的潛在提升；另一方面是系統(tǒng)絕緣等級升級、寬禁帶功率元器件SiC應(yīng)用所帶來的成本增加。這將導(dǎo)致REEV相對BEV的成本優(yōu)勢區(qū)間降低。

因此行業(yè)普遍呈觀望態(tài)度或采用高壓IGBT作為過渡方案，當(dāng)然隨著BEV 800V的批量應(yīng)用，SiC的成本降低將是REEV增程器高壓化應(yīng)用的最佳契機(jī)。

4? ? 小結(jié)

本文基于增程式電動汽車的市場需求、著重闡述了增程器技術(shù)構(gòu)型、優(yōu)劣勢對比分析，同時對于未來增程核心技術(shù)的發(fā)展方向進(jìn)行了判斷與分析，并提出了觀點及建議。該文對REV車型增程器的開發(fā)提供了借鑒與參考。

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