燃油增程式电动汽车动力系统技术探究

陈金柯，徐志，黄伦伦，严鹏

（江苏大学京江学院，上海 212013）

1 增程式电动汽车介绍

增程式电动汽车是一种纯电动驱动行驶的插电式串联混合动力汽车，增程式电动汽车和燃油汽车、纯电动汽车以及强混合动力车等类型的汽车相比都具有一定的优势，相较于燃油汽车其增程器的发动机能够将状态控制在最优，从而拥有较小的排放量；与纯电动汽车相比其不需要那么大的电池容量，在成本方面有明显的优势，且不会出现因缺电人抛锚的问题。相较于强混合动力汽车，其电机和发动机之间不存在机械耦合，从而有效防止了频繁的工作模式切换，而且拥有与更加灵活的电池冲放策略，从而能够使电池具有更长的使用寿命。

增程式电动汽车的动力系统主要包括动力电池系统、动力驱动系统，以及增程器和整车控制系统等四部分组成，这四部份的主要功能如下：

（1）动力电池系统。能够为电机驱动系统提供动力，同时也提供了增程器发动机启动所需要的反拖电流。

（2）驱动系统。为车辆提供动力输出，并且能够通过电机控制器来接收来自整车控制器的命令，从而实现汽车行驶的控制。

（3）增程器。增程器由小排量发动机以及与之相连的发电机两部分组成，通过将发电机的交流电整流成与动力电池电压相匹配的直流电给动力电池充电。

（4）整车控制系统。具有增程器的控制、各动力部件的协调控制等功能，能够实现对于整车的控制。

和传统的串联式混合动力汽车相比，增程式电动汽车并不是依靠较大的发动机来提供所有电源，而是采取较小的电池来提高能效，其采用的是插电式充电模块，能够实现电池的外部充电，配备的较小功率的发电机的目的是达到里程拓展的要求。正因为如此，增程式电动汽车在电池的容量上小于纯电动汽车，而要比传统的混合动力汽车的要大。增程式电动车中动力部件相较于传统的混合动力汽车有所增加，动力结构也有所改变，这使其动力耦合有所减少，有效的降低了能量的损耗，但是由于需要进行频繁的电力转换，导致了其能量的利用效率较低，因此需要通过动力部件的合理选型，实现动力性能不受影响的情况下达到经济性能的最优化。

2 增程式电动汽车动力部件选型

2.1 驱动电机选型

增程式电动汽车的驱动电机选型要根据其工作环境的要求来进行，其工作环境中面临着频繁变化的工况环境，冲击和振动也比较大，因此为了适应这些要求，其驱动电机应具有尺寸小、重量轻以及调速范围广等特点，并且在还需要其在宽转速和转矩范围内控制简单，此外成本问题以及维护等也需要进行考虑。当前应用于电动汽车的驱动汽车包括直流电机、交流感应电机、永磁电机和开关磁阻电机等几种，表1中对这些电机性能进行了展示：

表1 不同驱动电机的性能对比

通过对这几类驱动电机的性能进行对比，以及增程式电动汽车对驱动电机的要求进行分析，可以发现永磁同步电机具有效率及比功率高、调速范围宽且精度高、运行平稳、可靠性好等优点，比较适合作为增程式电动汽车的驱动电机。

2.2 动力电池的选型

从目前的技术发展情况来看，电池技术是限制电动汽车发展的关键技术。随机技术的不断发展，新材料不断涌现，阳极材料、阴极材料、隔膜和电解液等作为电池主要部件，它们的新工艺和新材料正在不断研发，随着这些新材料应用到电池之中，电池的性能也在不断的提升之中，这为电动汽车的发展提供了新的机遇。从当前来看，锂电池磷酸铁锂、钴酸锂、锰酸锂及其复合材料已经成为了当前动力电力正极材料的主要选择。在这些电池之中，磷酸铁锂电池在比容量上比钴酸锂和锰酸锂电池更高，而且其寿命周期也比较长，成本也比较低。在负极材料方面，碳和石墨材料是比较常见的选择，而诸如钛酸锂和锂单质作为负极材料也得到了一些应用。总的来说，目前磷酸铁锂和碳材料组成的电池单体增程式电动汽车电池比较适合的选择。随着技术的不断发展还会有新的电池应用到电动汽车之中，诸如三元复合材料和固溶体材料组成的新型电池、金属锂材料组成的空气锂电池技术不断发展和完善，其优异的性能将会极大的提升动力电池的性能，这也是未来电动汽车电池未来的主要发展方向。

2.3 增程器选型

2.3.1 增城发电机选择

在增程式电动汽车之中，增程器知识在电动电池电量不足时才会启动的整车的辅助动力源，表2中是目前使用的几种主要的发动机类型。在表2中“0”表示基准线；“+”表示好；“-”表示差。

表2 发动机特性比较

结合上表可以看出，柴油机具有较高的效率，但是其十分的笨重，尺寸较大，而且NHV性能比较差；两冲程的汽油机的燃油利用效率比较低；转子发动机虽然在单体成本上较低，性能比较优异，但是目前尚未实现大规模的应用；和上述三种发动机相比，四冲程汽油机具有平台通用化、技术成熟且制造成本低等方面的优点，因此从目前来看其是增程式电动汽车最为适宜的发动机选择。

2.3.2 发电机选择

在增程式电动汽车之中，发动机输出的机械能被发电机转化成电能，利用此电能给驱动电机提供能量，通过这样的方式来驱动车辆行驶。因此增程式电动汽车之中，发电机的选型原则和驱动电机差不多，永磁同步电机还是最适宜的选择。

3 增程式电动汽车未来的发展

在电动汽车发展初期就已经提出了车载充电增程的概念，但是受到当时技术条件的限制这一概念并没有得到充分的应用，由于需要进行多次的电力转换，燃油的利用效率不高，这是影响其应用的重要原因。随着技术的发展，通过插电式和车载充电相结合和能源转换效率的提升，给增程式电动汽车的发展带来了新的动力。从目前的能源和环保形势上看，随着技术的提高，成本不断降低，更加环保高效的电动汽车替代传统燃油汽车成为的首要代步工具已经成为必然的趋势，但目前的技术水平，在电池容量和充放电时间等方面的不足让纯电动汽车还不足以取代燃油汽车，这样的背景下应用纯电驱动的增程式电动汽车就有了较大的应用空间，而在未来的发展过程中，便携式和模块化的增程设备将在电动汽车的发展中得到重要的应用。

为了进一步提高增程式电动汽车的安全性和效率，需要对动力部件进行更为深入的研究，对车载充电造成的不利影响进行有效的限制，充分发掘充电控制的用途和效益，从而进一步推动电动汽车的发展和应用。以下三方面是增程式电动汽车发展需要重点关注和研究的方向：

（1）能源转换效率的提升方面。目前增程式电动汽车在纯电工况下的经济性比较出色，强于其它混合动力汽车，但是在充电工况下却仍存在许多不足，电流耦合的电动汽车的经济性能较机械耦合还存在较大的差距，仍存在比较大的提升的空间。

（2）模块化。可拆卸式的增程单元是未来的发展方向，模块化和增程单元通信的通用化有着比较密切的联系，涉及到环境自适应性和动力操控稳定性等问题。安全、高效并且具有良好通用性能的增程模块研究的价值很高。

（3）和微网、智能电网以及车路协同等新技术相结合是增程式电动汽车未来研究和发展的重要方向。