增程式電動(dòng)汽車的概念設(shè)計(jì)及前瞻性應(yīng)用分析-第1篇

1、 增程式電動(dòng)汽車的概念設(shè)計(jì)及前瞻性應(yīng)用分析 林弟摘 要：人民出行旅行的需求日益增長，汽車工業(yè)隨著快速發(fā)展，促進(jìn)經(jīng)濟(jì)快速增長，但也發(fā)生石油資源的過度消耗，環(huán)境污染和溫室效應(yīng)等問題，這使得我國所面臨的能源安全問題也越發(fā)嚴(yán)重，新能源汽車的發(fā)展與應(yīng)用是解決能源供需矛盾和環(huán)境保護(hù)的重要途徑，而增程式電動(dòng)汽車可解決“里程焦慮”等諸多優(yōu)點(diǎn)也正在被越來越多的人所接受。Key：新能源汽車;混合式動(dòng)力汽車;增程式電動(dòng)汽車1 引言新能源汽車成為全球各國發(fā)展的戰(zhàn)略方向，汽車產(chǎn)業(yè)形勢(shì)發(fā)生著深刻的變化。而我國的汽車產(chǎn)業(yè)也進(jìn)入轉(zhuǎn)型升級(jí)的關(guān)鍵期，新一代科技產(chǎn)業(yè)革命浪潮洶涌而來，形成了電動(dòng)化、智能化、網(wǎng)聯(lián)化、共享化的大變革。工

2、業(yè)和信息化部發(fā)布的新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2021-2035年）征求意見稿，首次將增程式電動(dòng)汽車列為“三縱”。在這樣的變革下，增程式電動(dòng)汽車是發(fā)展的必然，時(shí)代的所需。2 新能源電動(dòng)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(dòng)力驅(qū)動(dòng)裝置，完全或主要依靠新型的能源驅(qū)動(dòng)和駕駛車輛。2.2 增程式電動(dòng)汽車的定義什么是增程式電動(dòng)汽車？增程式電動(dòng)汽車可攜帶與純電動(dòng)更少的電池單元，可以避免深度放電，保護(hù)電池。增程式電動(dòng)汽車內(nèi)部配有小型的發(fā)動(dòng)機(jī)，與驅(qū)動(dòng)輪之間沒有任何的機(jī)械連接，只有發(fā)動(dòng)機(jī)或者動(dòng)力電池作為電動(dòng)機(jī)的電源。美國汽車工程師學(xué)會(huì)（society of Automotive Enginee

3、rs）將增程式電動(dòng)汽車定義為兩個(gè)或多個(gè)能獨(dú)立或同時(shí)提供能量的儲(chǔ)能裝置。當(dāng)機(jī)械內(nèi)部功率足夠時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)停止運(yùn)行，由動(dòng)力電池提供能量驅(qū)動(dòng)電機(jī)工作，當(dāng)動(dòng)力電池的電量達(dá)到閾值時(shí)，整車將啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)電，給驅(qū)動(dòng)電機(jī)的提供電源，同時(shí)也給動(dòng)力電池充電。3 增程式電動(dòng)汽車的方案設(shè)計(jì)3.1 增程式電動(dòng)汽車的工作原理增程式電動(dòng)汽車屬于串聯(lián)式混合動(dòng)力汽車。目前市場(chǎng)上混合動(dòng)力汽車一般采用石油和電能兩種能源，分別用發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)將化石能源和電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，再以某種耦合裝置將兩者動(dòng)力耦合輸出，用于驅(qū)動(dòng)汽車行駛?；旌蟿?dòng)力汽車根據(jù)動(dòng)力源之間采用的不同耦合方式，可以分為串聯(lián)式、并聯(lián)式和混聯(lián)式。其中，串聯(lián)式混合動(dòng)力汽車的動(dòng)力系統(tǒng)通過

4、發(fā)動(dòng)機(jī)將化石能源轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，再由發(fā)電機(jī)將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能提供給電池或驅(qū)動(dòng)電機(jī)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)與車輪端相連，為車輛行駛提供動(dòng)力。由于發(fā)動(dòng)機(jī)不受輪端的約束，直接與驅(qū)動(dòng)軸分離，能夠使發(fā)動(dòng)機(jī)持續(xù)在高效區(qū)運(yùn)轉(zhuǎn)。當(dāng)汽車?yán)镫姵仉娏孔銐虻臅r(shí)候，在一定里程范圍內(nèi)，車輛的驅(qū)動(dòng)能量主要依靠動(dòng)力電池，實(shí)現(xiàn)零油消耗、零排放污染，即車輛處于純電的模式。當(dāng)超過一定的里程后，動(dòng)力電池的剩余電量低于閾值時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)發(fā)電，將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電機(jī)和動(dòng)力電池能夠使用電能，增加車輛的行駛里程數(shù)。電動(dòng)汽車的電池和推進(jìn)系統(tǒng)是精確設(shè)置過的，因此當(dāng)蓄電池提供足夠的動(dòng)力時(shí)，車輛不需要引擎來產(chǎn)生額外的動(dòng)力。當(dāng)電池驅(qū)動(dòng)車輛時(shí)，還可以確保車輛能夠平穩(wěn)的行駛

5、和提速，以達(dá)到汽車行駛的極限速度，提高爬坡等一些性能。當(dāng)由發(fā)動(dòng)機(jī)提供所需要?jiǎng)恿r(shí)，電動(dòng)汽車可以滿足基本得駕駛要求。3.2 增程式電動(dòng)汽車的設(shè)計(jì)方案增程式電動(dòng)汽車只有電機(jī)提供車輪旋轉(zhuǎn)的動(dòng)力。在純電的模式下增加了由發(fā)動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)組成的電能輔助系統(tǒng)（APU），該系統(tǒng)不與驅(qū)動(dòng)輪直接連接，通過電力電池驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，采用簡單的一級(jí)減速器就能驅(qū)動(dòng)車輛。在這種結(jié)構(gòu)中，電動(dòng)車輛傳動(dòng)結(jié)構(gòu)被簡化，沒有離合器結(jié)構(gòu)，雙向驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)，實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)輪與車體之間的能量傳遞，以充分利用驅(qū)動(dòng)電機(jī)的四象限工作能力，實(shí)現(xiàn)制動(dòng)能量回收。3.3 增程式電動(dòng)汽車的特點(diǎn)增程電動(dòng)汽車主要由電池驅(qū)動(dòng)，具有低噪音，零排放減小污染，讓能源得到更加充分的

6、綜合利用，行駛成本低的特點(diǎn)。增程式電動(dòng)車是在純電的模式上，增加一套能夠發(fā)動(dòng)發(fā)電的裝置，提升行駛里程，解決純電動(dòng)汽車的“里程焦慮”，綜合了純電動(dòng)汽車和混合動(dòng)力汽車的優(yōu)點(diǎn)，呈現(xiàn)巨大的市場(chǎng)空間。純電動(dòng)汽車發(fā)展緩慢，最重要的一個(gè)原因是車載動(dòng)力蓄電池的技術(shù)發(fā)展比預(yù)期的效果差，動(dòng)力蓄電池的成本下降也比預(yù)期的低。而增程式電動(dòng)汽車的蓄電池載電量小，成本不高，能夠彌補(bǔ)純電動(dòng)汽車動(dòng)力蓄電池成本下降太慢的問題。增程式電動(dòng)汽車比插入式混合動(dòng)力汽車跑的更遠(yuǎn)，能力更強(qiáng)，而且還不影響整車性能，對(duì)動(dòng)力電池的性能匹配的技術(shù)要求較低。4 增程式電動(dòng)汽車的能量分配策略增程式電動(dòng)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

7、略。4.1 耗盡維持策略動(dòng)力電池提供初始車輛運(yùn)行的能量，即損耗（Charge-Depleting、CD）階段;當(dāng)動(dòng)力電池的能量（SOC）減少到一定極限，整車將控制發(fā)動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)啟動(dòng)工作，給動(dòng)力電池充電，使得能量（SOC）高于最低允許的閾值，即維護(hù)（charge-Sustaining，CS）階段，電池維持的策略如圖3所示。增程式電動(dòng)汽車工作在CD階段時(shí)，沒有任何廢氣排放，相當(dāng)于一款純電動(dòng)車，適合于日常城市通勤狀態(tài)。增程式電動(dòng)車工作在CS階段時(shí)，增程式電動(dòng)車相當(dāng)于一款常規(guī)混合動(dòng)力車輛，適合于高速長途狀態(tài)。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(shí)現(xiàn)降低油耗，

8、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(biāo)函數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。4.2 混合式策略基本思路為增程器在整個(gè)運(yùn)行階段中都可能啟動(dòng)為動(dòng)力電池進(jìn)行充電?；旌鲜讲呗韵?，電能及燃油同時(shí)消耗，因此通常以最小燃油消耗和電能消耗作為目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行優(yōu)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(shí)接近于純電動(dòng)車，高速長途時(shí)接近燃油車，受到業(yè)界人士的普遍認(rèn)同。5 增程式電動(dòng)汽車的工作模式根據(jù)增程器的工作狀態(tài)，將增程式電動(dòng)汽車分為純電模式、增程模式、能量補(bǔ)給模式三種駕駛模式。5.1 純電模式當(dāng)動(dòng)力電池的剩余電量（SOC）的值較高時(shí)，采用純電模式，發(fā)動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)組成的增程器不工

9、作，驅(qū)動(dòng)的動(dòng)力主要依靠動(dòng)力電池，這種模式下和純電動(dòng)汽車的工作狀態(tài)差不多。5.2 增程模式當(dāng)動(dòng)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(dòng)工作，發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的能量轉(zhuǎn)化為發(fā)電機(jī)的電能給動(dòng)力電池充電，補(bǔ)充能量，為車輛的行駛和使用提供不間斷的動(dòng)力;當(dāng)動(dòng)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(dòng)力電池直接驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)。按此往復(fù)循環(huán)工作，從而增加車輛的行駛里程，保證車輛繼續(xù)運(yùn)行。5.3 能量補(bǔ)給模式當(dāng)車輛在停車的狀態(tài)時(shí)，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(dòng)力電池充電。當(dāng)車輛的充電條件不允許時(shí)，可以給車輛以加油的

10、方式快速補(bǔ)充能量。6 增程式電動(dòng)汽車的前瞻性應(yīng)用分析國家發(fā)展和改革委員會(huì)根據(jù)驅(qū)動(dòng)動(dòng)力系統(tǒng)發(fā)布22號(hào)令對(duì)汽車行業(yè)的投資管理規(guī)定，汽車整車可分為燃油車輛和純電車輛。規(guī)定里所指的燃油車是直接由發(fā)動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)車輛的運(yùn)動(dòng)，包括傳統(tǒng)的燃油汽車、混合動(dòng)力汽車，插電式混合動(dòng)力汽車;純電車輛是指電機(jī)驅(qū)動(dòng)車輛的運(yùn)動(dòng)，包含純電動(dòng)汽車（包括增程式電動(dòng)汽車），燃料電池車等。雖然在國家財(cái)政部發(fā)布的新能源汽車補(bǔ)貼標(biāo)準(zhǔn)中增程式電動(dòng)汽車還包含在插電式混動(dòng)車型中，還未發(fā)生改變，但第22號(hào)令將其劃歸為純電動(dòng)的規(guī)劃得到落實(shí)，增程型電動(dòng)車技術(shù)難度相遇較低，在市場(chǎng)上它將比插電式混合動(dòng)力汽車發(fā)展的快。增程型電動(dòng)汽車兼有純電動(dòng)汽車和插電式混合動(dòng)力汽車二者的優(yōu)點(diǎn)，融合了純電動(dòng)車節(jié)能和混動(dòng)車長續(xù)航的優(yōu)點(diǎn)，從前瞻性應(yīng)用分析，增程式電動(dòng)汽車將是消費(fèi)者接受度最高的車型。*國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃資助：“高效一體化油冷增程器總成開發(fā)及整車集成應(yīng)用”（2018YFB0106000）。Reference：1韓榮澤.淺談增程式電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)控制策略優(yōu)化J.科技風(fēng)，2019（9）：158-158.2宋真玉，史戈.前后軸獨(dú)立驅(qū)動(dòng)的增程式電動(dòng)汽車整車控制策略J.西華大