穗牌增程式电动汽车进展研究

摘要：为了解决目前汽车行业存在的废气排放以及能源短缺问题，全世界汽车行业积极开发电动汽车，增程式电动汽车是电动汽车中的一种。文章从增程式电动汽车的定义出发，介绍了其结构、工作原理特点等以及其与其他混合动力的区别，阐述了目前国内外增程式电动汽车及其关键部件的发展状况，并重点介绍了Volt增程式电动汽车。分析结果表明：增程式电动汽车兼具纯电动汽车和混合动力汽车的优点，具备很强的市场推广价值。

关键词：电动汽车 增程器 控制策略

一、研究目的和意义

汽车为人类社会带来了很大的便利，已成为人类社会日常生活不可或缺的交通工具。但是，在全球汽车工业迅猛发展的同时也带来了两个极其严重的负面效应：一是石油能源危机。二是环境污染加剧。汽车工业的发展受到了能源、环境等因素的严峻考验与挑战。发展节能、环保的电动汽车已成为世界汽车工业技术创新的主要方向和汽车产业可持续发展的必然选择。各国纷纷制定环保和节能法规，采取鼓励投资、税收优惠、政府补贴等多种政策推动电动汽车产业化进程。我国对电动汽车的技术研发和产业化发展给予大力支持，2010 年在《国务院关于加快培育和发展战略性新兴产业的决定》中，将新能源汽车确定为七大战略性新兴产业之一；2012 年发布了《节能与新能源汽车产业发展规划（2012-2020 年）》，旨在培育和发展节能与新能源汽车产业，加快实现汽车产业转型升级、培育新的经济增长点和国际竞争优势；同时，还出台了促进新能源汽车产业化的相关补贴政策，进一步推动新能源汽车市场化进程。在政府政策推动下，中国电动汽车整车及关键总成技术都得到了快速发展，车用电机、电池产业链逐渐形成，汽车电动化市场逐步显现。但是由于目前阶段充电站建设的限制，纯电动汽车受到续驶里程的制约，难以得到市场的认可。国家鼓励发展混合动力电动汽车，而增程式电动汽车是混合动力电动汽车的重要方向之一。

二、增程式电动汽车结构

1.增程式电动汽车定义

根据美国通用汽车公司Tate等人给出的定义，增程式电动车（Extended Range Electric Vehicle, E-REV）是指整车在纯电动模式下可以达到其所有的动力性能，而当车载可充电电池无法满足续驶里程要求时，打开车载辅助发电装置为动力系统提供电能，以延长续驶里程。

2.增程式电动汽车的工作原理

增程式电动车在本质上属于纯电动车，当蓄电池有足够电量时，增程式电动汽车驱动系统的动力全部来源于蓄电池，在一定的行驶距离范围内，增程式电动汽车的行驶完全依靠蓄电池提供的动力来完成，实现“零油耗、零排放”,相当于使用纯电动汽车。而在超出一定行驶距离、蓄电池的能量耗尽的情况下,内燃机就自动接通为增程式电动汽车驱动组件提供动力, 进入混合动力模式，延长它的行驶里程,从而使车辆能够到达充电站或加油站。增程式电动汽车的蓄电池和动力推进系统经过精准的设置,可以使车辆在由蓄电池提供足够的电能的时候,不需要发动机进行工作来产生额外的动力。在由蓄电池驱动车辆时,可以保证车辆顺利实现加速、最高时速以及爬坡等各种性能；当由内燃机提供动力时,增程式电动汽车能够满足基本的车辆行驶要求。增程式电动汽车系统结构和汽车内部能量转换及系统控制如图2-1、图2-2所示。

图2-1 增程式电动汽车系统结构

图2-2 增程式电动汽车内部能量转换及信号控制

3.增程式电动汽车的三种工作模式

增程式电动汽车根据不同运行工况和驾驶员指令,可以灵活变换以下三种工作模式,达到最佳节油效果。

3.1 纯电动模式

这种模式通过外接插头利用充电桩充电，在动力电池容量范围内车辆可以以纯电动模式行驶，此时增程器不工作，只做非正常情况时的备用状态,达到了零排放,完全是一台纯电动汽车。

3.2 混合动力运行模式

这种模式与传统的混合动力模式相似，正常情况下利用车载动力电池提供的电力行驶，当车辆加速或者爬坡的时候，增程器启动，提供部分辅助驱动力用以驱动车辆行驶，同时给动力电池充电，并能够回收部分制动能量，此时增程器工作在最佳功率输出状态，节油率在 20～30%左右。

3.3 增程运行模式

在这种模式下，夜间利用充电桩为车辆充满电，白天根据行驶里程有计划地使用动力电池的能量，尽量不使用增程器。当动力电池电量降低到最低限定值时，启动增程器开启增程模式，通过增程器为动力电池充电（此时增程器不提供驱动力），以增加车辆的续驶里程，在这个过程中可以回收部分制动能量。这种模式可以显著提高节油率，节油率可达50%以上。

4.增程式电动汽车优点

增程式电动汽车作为一种新的节能环保型汽车，得到了国内外汽车企业的高度重视和政府的大力支持，它结合了传统混合动力汽车和纯电动车的特质，具有很多优点：

1）增程式电动汽车相对于传统汽车，其发动机只相当于常规轿车的小型发动机，功率小、噪音低、可靠性高，且能够保持在发动机高效区运行，且由于动力系统构型简单，能量转换效率大幅提高，燃油消耗和有害排放也大幅降低。

2）相对于传统混合动力汽车，增程式电动汽车的电池组容量比较大，车辆可在较长距离内以纯电动模式行驶，能提供足够的电功率使电动机驱动车辆启动、加速和爬坡，避免了常规传统汽车启动时发动机过载运行模式；另外，电机能够有效回收车辆制动和下坡的能量，有利于延长电池的寿命，因而具有较好的续驶里程。

3）增程式电动汽车可以通过车载发电机组随时对车辆进行充电，因此其车载动力电池只需配置同级别纯电动车电池用量 30%~40%，其生产及使用成本大幅下降；增程单元和动力电池组共同工作时，动力电池组的充放电倍率大大降低，这样有利于延长电池寿命和使用周期，车辆制造和使用成本也因此得以大幅降低。此外，对于纯电动汽车来说，空调用电是一个很大的负担，据有关研究表明：开空调会使行驶里程减少1/3，而增程式电动汽车则可通过发电机组给空调提供动力，降低了电池能耗，车辆续驶里程得以增加。

4）增程式电动汽车充电所需时间少，因此可以利用小功率充电桩或家庭用电进行充电，而且还可以利用晚间“谷电”和午间司乘人员的休整间隙充电，免去新辟充电站或换电站等供电设施的建设，节约了大量人工成本，而且还帮助电网“分散调峰”，进一步提高能源利用率。此外，与经常使用混合工作模式运行的插电式混合动力汽车不同，增程式纯电动车对大多数驾驶者来说常常是保持在纯电动驱动的运行模式。纯电动汽车对增程式电动汽车在技术方面有很好的继承性，增程式电动汽车可以随着电池技术的不断提高，自然地过渡到纯电动汽车。由此可见，增程式电动汽车在能源利用率、价格、使用方便性、性能可靠度等方面均具有明显优势，被公认为是向纯电动汽车平稳过渡的理想车型。

5.增程式电动车国内外发展现状

增程式电动车被普遍认为是解决能源危机的最佳途径，大力发展增程式电动车受到各国政府的重视。美国能源部（Department of Energy，DOE）在 2007 年出资 5800 万美元支持增程式纯电动车关键技术的研发和整车的示范运行。

自 2009 年以来，奥迪已经陆续推出了三种 e-tron 汽车，奥迪使用自己独特的技术，致力于将来电动车的研发，同时也提供各种战略性方案。正如“quattro”被看作奥迪全时四驱技术的代名词一样，“e-tron”也会成为奥迪汽车在纯电动技术方面的独特象征。

2010 年，通用汽车公司在美国市场推出雪佛兰沃蓝达(Chevy Volts)增程式电动汽车。

在 2010 年北京国际车展上，凯迪拉克发布了一款名为 Converj 的概念车，如图 2-3 所示。这款车采用了革命性的“Voltec”电力驱动技术，实现了整车的低排放和低油耗。

图2-3 凯迪拉克 Converj 概念车

在 2010 年年底，日产公司推出了聆风(Leaf)电动汽车，这款车是以先进锂离子电池为唯一动力源的纯电动汽车，续驶里程为 100 英里。

在国内许多知名企业越来越重视增程式电动车的研发，奇瑞以 S18（即瑞麒 M1）平台为基础推出的增程式纯电动车 X1-REEV，如图2-4，配备了高效增程器，一次加满油可达到300 公里的长续航里程。吉利汽车推出了帝豪 GPECs-EC7，如图2-5，搭载串联式 GPECs 系统，采用磷酸铁锂电池和 1.0L 发动机在纯电动驱动下可行驶 60 公里。江淮汽车的和悦混合动力采用 1.0L 的发动机，纯电续驶里程达到 50 公里，百公里油耗仅为 3.2L。

图2-4 瑞麒 X1-REEV

图2-5 吉利帝豪 GPECs-EC7

三、増程式电动汽车关键部件发展现状

增程式电动汽车的关键部件为增程器和动力电池。这两者的性能直接影响着增程式电动汽车的动力性和经济性。

1.増程器

增程器的集成设计和匹配技术是增程式电动汽车整车研发的关键技术，增程器产品的开发和集成水平也成为整车技术水平的重要标志，以及整车节能潜力的重要保证。

增程器的主要作用是提高整车的续驶里程，使得车辆满足较典型的日常平均出驶里程，如德国统计值为 40km；另一方面，在电量不足的情况下，提供驱动的能源并为动力电池组充电。根据电动车的基本概念，将増程器的工作运转时间按照 10%的占空比而设计。

鉴于上述使用目的和设计理念，増程器在设计过程中应满足新的特殊要求和产品特点，而不必遵循传统发动机的设计要求和使用特点。増程器的主要设计要求如下：

1）因为大而重的电池是储存能量的主要方式，所以増程器的集成设计及其重量是关键的参数；

2）由于电动汽车具有极低的 NVH 水平，所以对于 NVH 的要求极其关键；

3）需要极高的可靠性，特别是在平常的启动和重新启动操作中；

4）成本需要控制在极低的水平；

5）车辆需要为整车热管理提供支持；由于增程器是由“内燃机+发电机” 组成的车载发电机组， 增程器势必会产生少量残余排放， 还有增程器的频繁起动以及将增程器冷起动阶段的排放降下来， 因此， 强化增程器废气排放系统， 热管理控制系统起着重要作用。目前可用的热管理方法有兰金循环方法、缩短预热阶段的热能管理系统及加热型催化转化器等方法。

6）必须满足排放法规的要求，频繁的重新启动以及较窄范围内的运行都会影响到排气温度曲线；

7）启动时间要求可以降低；

8）满足燃料效率要求；

9）满足车辆不同尺寸要求的产品可扩展性；

10）由于大的电池储量，所需的负载响应时间可以增加。增程器类型的选择很大程度上受目标车辆的定位影响，可根据重量、装配、NVH、效率、排放和成本来选择所需的增程器。图 1.1 比较了几种不同类型增程器的性能，燃料电池增程器在 NVH、效率和排放方面具有较大优势，但其成本、装配和重量方面的表现比较差；从图 3-1中可知，2 缸增程器的性能最为平衡，单缸增程器在某些方面领先于 2 缸，但其 NVH 性能有限，不能给乘用车提供足够的舒适性能；转子发动机增程器在重量、装配和 NVH 方面表现出一定的优越性，但其成本方面的缺失限制了其发展。

图3-1 不同类型增程器的性能比较

2.动力电池

2.1动力电池的选型

动力电池组的总能量决定了增程式电动汽车的纯电续驶里程，由于锂离子电池是目前技术较为成熟，且能量密度、功率密度较高，一致性、循环寿命尚可被接受，而广泛应用在电动汽车产业中。在动力电池组容量、成本及循环寿命等使用性能方面相互矛盾，如以下方面：

1）为满足一定的纯电续驶里程，需要提高动力电池的容量；

2）为把整车系统成本降低到一个用户和接受的水平，需要考虑动力电池的成本；

3）为了延长整车的使用寿命和降低整车的使用成本，动力电池的使用寿命起着关键作用；

4）为了确保车辆使用者的利益，需要尽量消除动力电池的使用限制要求等因素。

因此，综合考虑电池选型、容量、寿命等方面的利弊，合理的动力电池组匹配参数匹配技术是整车匹配优化的一个关键问题。

2.2动力电池的寿命和耐用性

动力电池的关键问题之一就是循环寿命问题，由于整车复杂的运行工况，环境温度不可控制，而环境温度的波动和循环使用时能量储存和释放时进行的化学反应伴随的热冲击的影响，都会对电池的循环寿命造成很大的影响。图 3-2 从可以看出平均环境温度对电池寿命的巨大影响，总结果可见，若最高平均环境温度不超过 40 摄氏度，电池寿命可达到 10 年。

图3-2 平均环境温度对电池寿命的影响

可见，电池的循环寿命严重制约着锂离子电池在电动汽车上的应用，目前的电池技术水平下，大量电池在増程式电动汽车和插电式混合动力汽车上的运用仍可能面临很大的风险。即使提供更好的车辆运行环境和整车热管理技术，以目前的电池技术水平来看，仍然有很大的局限性。目前常用的电池热管理分为冷却和加热两部分，其中冷却用到的方法有空气冷却、液体冷却、相变材料冷却。加热用到的方法有电池内部加热、电池外部加热板加热和珀耳贴效应热泵加热三种方法。

上述动力电池的局限性被关注已久，国内外许多企业和科研院所为提高电池性能做出了大量研究，但距产品成熟阶段，并大范围推广应用到电动汽车行业还需要克服很多关键技术问题。

四、通用 VOLT 增程式电动汽车

1.Volt整车参数简介

通用 VOLT 增程式电动汽车，如图4-1，采用了最新的增程技术，搭配了通用公司自主研发的 E-Flex 系统，它提供电力的是容量为 16kwh 的 360V 锂电池组，电动机的最大功率为 150 马力（111kw），和一台 2.0L 的自然吸气式发动机相近，最大扭矩可以达到 370N·m，充满电后以纯电动模式行驶时最大续驶里程为 80km，最高车速可达 160km/h，在整个过程中发动机不输出任何动力，没有燃油的消耗。当电池电量接近最低临界值（35%SOC——SOC：State of Charge，即电池的荷电状态）时，一台 63kw 的 1.4L 直列四缸发动机自动驱动一台 55kw的辅助增程发电机为动力电池充电，所产生的电力继续为车辆驱动装置供电，以驱动车辆继续行驶，在这个过程中，发动机并不是完全不提供动力，在急加速和锂电池电量极低的时候，发动机也会给驱动轮提供驱动力。该车可以连续行驶 40 英里，之后可再以内燃机发电机为动力增程行驶 375 英里。另外，该车还配备了电子无级变速器，没有档位可言，加速平顺。在增程模式下，该款车的最高续驶里程为 490km，油耗为每百公里 1.2L。整车动力系统布置形式如图4-2所示，仪表盘设计如图4-3 所示。

图4-1 雪佛兰VOLT

图4-2 雪佛兰增程式电动汽车 Volt 的动力系统布置形式

图4-3 雪佛兰增程式电动汽车 Volt 的仪表盘设计

2.Volt动力系统及工作方式

Volt的动力系统结构如图4-4，该车拥有一个类似 Prius的行星齿轮动力耦合装置，其中太阳轮与主电机 MG2 联接；行星齿轮架与输出轴联接；齿圈与副电机 MG1 和发动机联接。此外，还有三个离合器，第一个离合器 C1 连接齿圈和壳体，当离合器 C1 接合，齿圈固定不能旋转。第二个离合器 C2连接齿圈和功率较小的电机 MG1，第三个离合器 C3 连接发动机和电机 MG1。

图4-4 Volt 的动力系统结构原理图

Volt 有两种工作方式，即纯电动模式和增程模式。当电池电量充足时采用纯电动驱动，此时离合器 C1 结合，齿圈固定不转，主驱动电机 MG2 驱动太阳轮，太阳轮通过行星齿轮减速后将动力传输给行星齿轮架和输出轴驱动车轮。若车速过高而使得 MG2 不能在经济区内运行，则离合器 C1 分离、C2 结合，MG1 和 MG2合力驱动车辆。而所谓的“增程模式”是在电池电量耗尽时，启动发电机组，发动机带动 MG1 进行发电，此时离合器 C1、C3 结合，车辆仍由 MG2 驱动，属于串联式混合动力架构。在此模式下，若车速过高或者驾驶员要求急加速时，离合器 C1分离，C2、C3 结合，发动机通过带动 MG1 而参与车辆驱动。

3.Volt电池技术解析

Volt使用整块电池组包含220个电池单元，重量约为170千克，呈“T”字形布置在车身地盘下方。其采用的锂离子电池，相比起铅酸蓄电池，不但重量较轻，也具有较好的性价比，在安全方面，Volt的电池单元会与锰基阴极材料与添加剂结合使用以提高在高温条件下的电池使用寿命。

Volt的电池最低工作温度为0°C到10°C，当充电时，电池本身产生的热量可以保持电池温度，让电池正常工作；当Volt处于非充电状态时，如果电池温度较低，发动机会自动启动一小段时间使电池达到工作温度才关闭。

为了确保Volt的动力学性能，使Volt在纯电动工作模式下行驶更多的历程，通用对Volt进行了长达500多小时的风动实验，采用平滑的外观设计，闭合式前进气格等设计方法，确保车身周围空气流动畅通，风阻系数可小于0.25。

五、结论

增程式电动车在里程上大大优于纯电动汽车，在排放性能上也远远优于传统的混合动力汽车，增程式电动车具有纯电动汽车经济、环保、节能和动力性能良好等所有优点，其生产制造成本也低于传统的混合动力汽车，相比其他类型的电动汽车，增程式电动车在绝大多数方面都具有巨大的优势，将有广阔的市场前景。