浅谈增程式电动汽车

  世界上第一辆汽车诞生于1886年，汽车发展到今天也已经有了100多年的历史。随着科学技术不断地进步，汽车不仅极大地方便了人们的出行，也改变了人们的生活方式。汽车进入到中国以来，由于我国人口众多，使得汽车行业在我国得到迅速发展。据统计，截止2009年底，中国市场的汽车销量已超过美国，成为全世界最大的汽车消费市场。但是，汽车在方便人们出行和推动社会经济发展的同时，也带来了很多负面的影响，比如石油等化石燃料的短缺以及环境污染。随着能预见的能源危机和环境污染的加剧，世界各国政府以及各大汽车公司都已经采取政策积极推动新能源汽车的发展，来应对能源与环境问题。

  最近几年，国家通过制定一系列的政策去支持新能源汽车的发展，包括对购买纯电动和混合动力汽车的用户给予一次性补助，并且免除车辆购置税等。《中国制造2025》中明白准确地提出国内汽车未来重点发展趋势是新能源汽车，并且提出了从2020年到2025年我国的汽车行业将全力支持电动汽车和燃料电池电动汽车的发展，着力于动力电池和驱动电机等核心零部件从研发类知识产权到产业化转化能力的提升，逐步完善新能源汽车关键零部件到整车的创新和产业化体系，加快新能源汽车同国际领先水平接轨。新能源汽车在2016年经历了中国市场发展的关键一年，全年中国市场新能源汽车销量突破50万辆，新能源汽车在中国的保有量超过了100万辆，这两者在全球的占比都达到了50%。新能源汽车在使用的过程中是节能和环保的。从能量利用率上来讲，相比传统燃油汽车的能量利用率仅有50%-60%，混合动力电动汽车的能量利用率可极大的提升到90％左右，而且混合动力电动汽车的油耗能降低20％~40％，尾气排放也减少50％左右。纯电动汽车在使用的过程中不产生污染气体，环保性能相对来说更加好。从能源转化效率方面来看，传统汽车的能量转化效率约为17％，而电动汽车在综合能源转化效率和发电效率后，仍然能达到30％，约为传统汽车的两倍，节约能源的效果非常明显。从使用成本上来看，因为电的成本仅是油的1/5，故电动汽车的使用成本比传统燃油车要低很多。

  纯电动汽车具有动力系统结构相对比较简单、零排放的优点，受到很大的关注，成为未来汽车行业发展的趋势之一。但是，纯电动汽车由于受到动力电池技术的制约，充电时间长、续驶里程短、电池成本高、充电桩没有大范围推广，并且电池经常处于深度放电状态，这些都限制了纯电动汽车的推广应用。而其中续驶里程短的问题是急要解决的。

  增程式电动汽车是一种可增加续驶里程的纯电动汽车，配备有发动机和发电机组成的增程器，电池只保持在浅度放电，一旦电池的电量不足时，增程器就会给电池充电。在车辆行驶的过程中，只利用电能驱动车辆，兼有混合动力电动汽车和纯电动汽车的特征，是现阶段解决新能源汽车技术问题最切实可靠的方案之一，研究增程式电动汽车的关键技术对我国新能源汽车的发展与推广有着重要的意义。

  增程式电动汽车动力系统的基本结构主要由发动机与发电机耦合组成的辅助动力系统（APU）、动力电池、驱动电机、电压转换器和传动系统组成。下图为增程式电动汽车动力系统结构示意图。

  在增程式电动汽车的动力系统结构示意图中，动力电池是主要动力来源，当车辆以纯电动方式行驶时，驱动电机所需要的电量完全由动力电池提供；发动机和发电机组是辅助动力源，当动力电池电量不充足时，辅助动力系统给动力电池充电并且提供驱动电机所需电量；驱动电机可以看成是回收能量源，负责在行驶途中刹车制动过程中的能量回收。

  根据不同路况的行驶条件和动力电池的状态，增程式电动汽车可以划分为5种工作模式，分别为纯电动行驶模式、APU单独驱动模式、混合驱动模式、制动能量回收模式和停车充电模式。

  在动力电池能量充足条件下，进入纯电动行驶模式。纯电动行驶模式的能量传递路线如下图所示，此时APU系统关闭，只有动力电池提供驱动电机需求能量，相当于一辆纯电动汽车。动力电池所提供的能量应该要能够满足车辆的起步过程、加速阶段、爬坡过程和怠速阶段，并且还要能够给汽车空调等用电设备提供功率需求。

  当动力电池的电量不足时，进入APU单独驱动模式。APU单独驱动模式的能量传递路线如下图所示。在动力电池SOC值降至能量管理策略所设定的最小阈值SOCmin时，APU起动，并且发动机根据制定的APU控制策略运行在最佳工况点下，带动发电机发电，产生的电能一部分用于满足车辆行驶所需能量，多余的电能为动力电池充电。

  当动力电池的电量恢复至充足时，APU停止工作，继续由动力电池单独给驱动电机提供能量，维持车辆的行驶，这时候又进入了纯电动行驶模式。

  在车辆运行过程中，当发生减速或者刹车制动请求时，驾驶员需要踩下制动踏板，当满足所制定的一些制动能量回收策略条件时，整车即可进入制动能量回收模式。制动能量回收模式的能量传递路线如下图所示。制动能量回收模式可以在车辆制动时，将车辆的动能损失通过驱动电机转化成电能，给动力电池充电，用于动力电池驱动车辆，提高了能量利用率。在制动能量回收模式下，驱动电机可以看成发电机，回收的能量通过动力电池来存储。

  当车辆停车时，动力系统全部停止输出电能，此时通过车载充电器连接外接充电桩对动力电池进行充电，用于下次行车使用。停车充电模式的能量传递路线如下图所示。

  1.当车辆以纯电动模式行驶时，辅助动力系统不启动，车辆行驶所需的能量全部由动力电池来提供，由此减少了车辆对化石燃料的依赖性，某些特定的程度上缓解了石油危机。

  2.当增程式电动汽车用于城市公交时，因为城市公交的路线固定，并且每天行驶里程不会太远，车辆的纯电动续驶里程满足每天大部分的行驶里程要求，车辆大部分情况在纯电动模式下行驶，能达到零排放和低噪声的效果。

  4.发动机不直接驱动车辆，只用于带动发电机进行发电，发动机与机械系统解耦，所以发动机可工作在最佳效率工况点，大幅度的提升了整车燃料效率。

  美国通用汽车公司于2007年推出了世界上第一款增程式电动汽车雪佛兰Volt，并于2009年实现量产。随着Volt的正式量产，慢慢的变多的人关注增程式电动车。雪佛兰Volt动力系统包括：一台额定功率45kW的驱动电机驱动前轮，使用1.0L排量的三缸涡轮增压ECOTEC汽油发动机和最大输出功率为53kW的发电机作为增程器，动力电池的容量为16kWh。其动力系统结构图如下图所示。

  奥迪汽车公司在2010年的日内瓦车展上推出了A1e-tron增程式电动汽车，该车配备有101匹马力电机，12kWh电池，15kW发电机，0.25L排量的转子发动机。下图所示为其结构示意图。奥迪选择了转子发动机作为增程发电的动力来源，根本原因就是转子发动机便于布局的小体积，较高的功率密度，和工作时的平顺性。

  美国凯普斯通公司为了推广自家的微型燃气轮机发电机，也改装了一辆CMT-380增程式概念车，并于2009年洛杉矶车展进行了展示。CMT-380的APU使用的是凯普斯通公司的一台30kW的微型燃气轮机发电机。该车的百公里加速时间达到3.9秒，最高车速能达到240km/h，纯电动续驶里程驶为130km。在增程模式下，最大续驶里程达到800km。

  捷豹在2010年发布了一款名为C-X75的增程式概念车。该车使用了两台中置式上限功率为70kW的微型燃气涡轮发动机，并且配备有4台功率145kW的分布式驱动电机驱动车轮。C-X75能在3.4秒内完成百公里加速，最高车速可达330km/h，纯电动续驶里程110km，在微燃发电机起动的增程模式下，最大续驶里程达到900km。

  2010年11月，奇瑞瑞麒S18D增程式电动车在第25届世界电动车大会首度亮相，是国内自主品牌中的首款小型增程式纯电动汽车。驱动电机为一台30-45kW的永磁同步电机，配备了一台额定功率8kW，工作点扭矩25Nm/3000（r/min）的双缸发动机，带动一台7kW额定功率的发电机发挥辅助供电的作用。纯电动续驶里程100-145km，增程模式下续驶里程达到300km。

  江淮汽车公司于2013年广州车展上推出了iREV增程式电动车，装备了一台35kW、85Nm的发动机，同时搭配两台永磁同步电动机。电池容量为12kWh，纯电动续驶里程55km，增程模式下续驶里程可达到400km。

  广汽传祺于2014年10月推出了GA5增程式电动车，配备了一台最大功率94kW的电动机，其辅助动力系统由一台1.0L汽油机和发电机组成。纯电动情况下可行驶80km，配合汽油机其综合续驶里程达到600km。

  2016年日内瓦车展，来自中国的一款增程式超跑—泰克鲁斯·腾风亮相。该车配备20kWh的锂电池，可供纯电动行驶150km。辅助动力系统由燃气涡轮发动机带动发电机进行发电，在增程模式下续驶里程达到2000km，动力电池能够在40分钟左右被燃气涡轮发动机充满。

  在2016年北京车展上，北汽新能源展出了一款用微燃机代替传统发动机的微燃机增程式电动车模型，续驶里程可超过1000km。

  上汽通用于2017年4月推出了别克Velite5增程式电动汽车，该车配备有18kWh的锂离子电池，并且搭载了一台1.5L的发动机，纯电动续驶里程为116km，增程模式下可达到768km。