浅析乘用车增程技术现状与发展趋势

邓湘 范鹏 毕帅 廖显敏 张星宇

摘  要：目前，新能源汽车主要以纯电动、混合动力、燃料电池等多种技术路线并行发展，在产业加速变革和支持政策持续调整完善过程中，各种技术路线发展的比较优势也在不断变化。企业为迎合市场需求，正积极谋划研究符合未来变革趋势的技术路线及发展方向，亟需在多种路线竞相发展中选择符合企业自身实际的技术路线。本文通过分析新能源汽车技术路线关系，概述了当前新能源汽车发展趋势及主流技术路径，着重阐述了增程式电动汽车的市场需求、技术构型、优劣势对比分析，同时对于未来增程核心技术的发展方向进行了判断与分析，并提出了观点及建议。

关键词：新能源汽车；技术路径；增程式电动汽车；增程器

中图分类号：U461       文献标志码：A      文章编号：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

當前，在国家政策支持和市场需求驱动下，中国汽车先进动力系统技术取得了显著的进步和突破，特别是在纯电动、混合动力和氢能动力等方面，涌现出了一批具有国际竞争力的技术和产品，市场化渐趋成熟。且国内厂家对各动力的技术路径也均有布局和规划。展现出了中国汽车产业的创新能力和活力。

REEV（Range Extended Electric Vehicle）即增程式电动汽车，作为插电式混动技术中重要分支，成为了新能源汽车的发展亮点，其增长速度在新能源汽车细分类型中表现突出，近两年来销量增长明显，市场占有率也逐年攀升。这说明技术路线只是决定产品销量因素之一，如果产品整体竞争力强、价值体验感佳，即使小众市场也能带来令人惊喜增量，甚至技术和产品也可以反过来引导消费需求。

另外随着购置补贴退坡以及后补贴政策体系的重新构建，增程式电动汽车凭借其无里程焦虑、电池用量少、不依赖充电基础设施、综合油耗低等优点，并在电池技术尚未实质突破、充电便利性仍需改善、节能减排要求趋严的背景下，增程式电动汽车仍会在一段时间内快速增长并成为行业及企业关注的热点。

1    增程式乘用电动汽车现状

1.1   增程式电动汽车技术路径概述

当前新能源汽车按其动力形式主要分为纯电动、插电混动以及燃料电池三种技术路径。而插电混动构型主要包含串联式、并联式、混联式三种。

而当前市场较为流行的增程式构型与串联式混合动力高度关联。其最大特点为：发动机不直接介入驱动，而是在电池电量不足或功率不足时带动发电机发电并将电能输入至电动机驱动车辆，多余电能输入至电池包存储起来。

因此增程构型主要凸显辅助补能的作用，可以理解为在PHEV（Plug-in Hybrid Electric Vehicle）混合动力基础上的演变，并衍生为特有的技术构型及细分市场。

而且对于不同企业技术路线不尽相同，这与车企本身的产品定位和技术禀赋有关。比如擅长纯电动技术的企业，比较容易延伸到增程式路线，因为技术相关性高、平台架构变化不大。而对于拥有丰富传统资源的车企，往往升级为混动更加契合，技术改动也相对比较少。

如图1所示为插电式混合动力PHEV与增程式电动REEV的主要构型及差异。其中PHEV着重发动机与电机系统的串并联混合匹配，以实现多种驾驶模式，达到动力性与经济性的最佳兼顾。而REEV则以相对简化的串联构型，将发动机与整车机械解耦，使整车控制更加倾向于纯电属性。另外从电流的传递角度来看，在整车大功率输出时，P1发电机与动力电池可以并联输出给驱动电机以实现增程补能，因此也可看作是电-电的混联构型。

进一步的通过对使用场景、布置构型、结构原理、成本及性能对比可以看出增程式电动汽车有如下明显优势（如表1）：

a.消除焦虑：长途行驶可以消除客户续航以及充电不便焦虑，且在市区通勤时基本可以由纯电模式覆盖。

b.动力解耦：由于发动机不参与整车驱动，可实现二者之间的机械、功率、车速、排放解耦。且对整车布置较为灵活，冗余度高。

c.驾乘体验较好：增程式汽车更倾向于纯电车属性，动力性能、NVH性能较混动更优。

d.策略适应性好：仅通过对增程器的功率跟随或定点发电的标定策略，及可实现整车的动力性、经济性、NVH性能匹配，且相对PHEV的控制策略更为简捷。

然而增程式电动汽车也有一定的技术弊端，比如油电间的二次能量转换导致效能相对降低且能耗偏高（尤其在高速亏电模式），又比如增程器集成度较低，对整车四驱的布置空间要求更高。

综上，当前对于新能源汽车的技术路线多元化是必然趋势，并且未来很长一段时间内BEV、PHEV、REEV等技术将长期并存。

1.2   乘用车REV市场现状分析

根据汽车工业协会2023年发布的《中国增程式电动汽车产业发展报告》，提出了新能源汽车发展和增程式技术路线的优势逐渐显现，越来越多的车企开始布局增程式产品（如图2）。同时也预测2020-2025年增程电动汽车年复合增速达64.7%，到2025年销量增至约50万辆。

同时SCI机构预测增程车型未来5-6年的市场占比呈持续上涨态势，预计2028年渗透率达18%。且在NEV市场中，预计2026年增程车型渗透率最高可达24.6%（如图3）。

基于乘联会新能源汽车市场销售数据，增程车型增长率明显高于纯电动汽车，符合机构预测。截止2023年7月份增程占新能源汽车渗透率增长至29.6%，高于SCI预测20.4%（如图4）：

对于增程新车型市场呈快速增长态势，主流增程车型销量逐步攀升，理想L系列车型月销量稳居1万以上；深蓝SL03/S7销量逐步提升，峰值月销量超过8千且持续增长；岚图新FREE、哪吒S和零跑C01销量稳健，持续月销量也在3000台左右（如图5）：

2    乘用车增程技术现状

2.1   主流增程构型对比

当前增程技术主要解决续航里程短，充电不便等问题，且主流的增程方案为：

a.发动机与P1发电机直联。

b.基于混合动力专用变速箱（Dedicated Hybrid Transmission，DHT）构型，发动机与P1发电机单级速比耦合，取消发动机与主减速器间的离合器。

通过两种主流增程构型对比（如表2），可以看出二者在各OEM均有应用。主要差异表现为直联式增程器由于集成度略差，更多应用在后驱车型中，而带速比的DHT增程构型则融合了P3前电机，更容易实现四驱功能，甚至可以通过增加离合器功能来进一步实现发动机的直驱功能。

2.2   增程器匹配概述

增程器系统的匹配是增程式电动汽车技术的关键，主要基于整车VTS（Vehicle Technical Specification）指标对整车动力、控制、通讯、诊断、热管理等系统进行匹配。

其中对于动力系统匹配，通过对整车不同工况及负载条件下的受力分析，可以计算出整车最大需求功率及扭矩，并据此选型匹配驱动电机峰值功率及峰值扭矩。基于动力系统传动比及轮胎滚动半径，计算出驱动电机最高转速。

根据上述整车需求最大功率及驱动电机峰值功率来选型匹配增程器额定功率及峰值功率。

因此增程器输出额定功率P可表示为：

式（1）中：m為整车质量，f为滚动阻力系数，CD为风阻系数，A为迎风面积，Vmax为整车最高车速，ηT为电机到驱动轮的传动效率，ηe为电机效率。同时根据各工况需求，确定增程器的功率响应时间及动力电池的类型匹配。

除动力性之外，增程器匹配也需要考虑如下原则：

a.高效区匹配：控制发动机工作在最佳点火角以及高效区间，同时发电机与发动机高效区尽量重合。

b.功率跟随匹配：发电机输出功率需与整车驱动需求功率跟随。且在增程模式下，动力电池主要起到能量回收、功率增补（加速及爬坡）以及能量缓冲（削峰填谷）的作用。

c. NVH匹配：优化发动机与发电机工作点，尽量降低发动机转速及扭矩以满足NVH性能。

2.3   增程器技术特征及核心指标

根据增程式电动汽车的工作原理，增程器具有如下技术特征：1.发动机不直接驱动，而是驱动发电机产生电能供给车辆使用；2.增程器启停频繁，运行区域相对自由可控；3.增程器动力需求较低，仅需满足整车驱动功率需求并维持SOC平衡；4.整车采用纯电驱动，因此增程器的噪声更加凸显。

基于以上特征，当前行业对于增程器技术的共识为：开发高效率、集成化、小型化、低成本、无感化的增程器系统，以匹配整车对于强动力、低能耗、长续航、静谧性等需求（如图5）：

其中对于高效增程专用发动机（Dedicated Hybrid Engine，DHE）的研发，各企业主流机型热效率普遍在40%以上，采用的技术也不尽相同，如350bar高压直喷，低压EGR，超低摩擦技术，水冷中冷，高效分区热管理技术，附件电动化等。其中东风汽车的马赫动力C15TDE高效发动机更以45.18%的热效率拔得头筹。

对于高效发电机及控制器的研发，更是以小型化、高效化进一步集成匹配，并与发动机进一步高效耦合，从而实现效率、重量、NVH、成本的进一步优化。

综上，增程器的本质属性是补能发电，其核心指标就是油电转化率。当前行业主流指标为3.0-3.2kWh/L，且随着发动机热效率改善，电机扁线化应用，SiC功率元器件导入，油电转化率可进一步提升至3.4-3.5kWh/L（如图6）。

除了经济性指标，增程器对于动力性、搭载性、排放性、NVH、成本均有明确的开发指标，其中NVH性能及目标成本更为靠前（如表3）。

3    乘用车增程技术未来发展趋势

3.1   增程器小型化与集成化

随着增程式电动汽车普及应用，纯电续航里程也随着电池包容量增加而提升，当前普遍纯电续航里程在200km左右，甚至有的车型已经超过300km，如搭载43.7kwh电池包的零跑C01 CLTC纯电续航达到了316km。

因此增程器小型化与集成化成为了当前各车企追求的技术指标之一。首先，带来的效益就是轻量化与低能耗，对续航里程也有优化；其次，小型化增程器与大电池包互为补充，凸显增程器的辅助补能作用；再次，集成化增程器可以拓展机舱布置空间的冗余度，比如优化的Y向空间利于配置更大轮胎并预留双叉臂悬架升级空间，同时增大前轮包络，提升转弯半径（如图7）。甚至可以在BEV架构直接改制REV车型也是得益于小型化增程器的应用。

基于以上收益分析，当前增程器小型化的主要技术路径为：

a.发电机与电控集成化：从传统的电控、电机分体式过渡为多合一集成式发电机（如图8），由于取消了三相高压线以及相关支架、冷却管路、低压线束等，平均减重约3-5kg。进一步的，也可将控制器与发电机进一步集成，比如共用壳体、水道、铜排等。

b.发电机与发动机一体化集成：一方面取消增程器内部中间飞轮及限扭减振器机构，由发电机转子代替发动机飞轮同时转子端部与发动机曲轴直联，可降低轴向尺寸约10%，同时降本减重也十分可观，当前主要在<50Kw的增程器应用（如图9）。另一方面将发电壳体与发动机壳体物理集成一体，从原理上实现增程器的一体化集成，但目前行业尚处于理论分析阶段。

因此对于增程器小型化与集成化的研发，当前已逐渐摒弃发动机、发电机、控制器的独立选型及设计，也不再是传统产业与新能源产业的简单组合。更是三者之间从研发、制造、售后全价值链的重组融合，并以最低的开发代价、最合适的性能目标，来满足市场更加严酷的竞争与挑战。

3.2   增程器高效化

对于增程器高效化，其核心路径如下：

a.增程专用发动机高效化：随着附件电气化、350bar高压直喷、水冷中冷、低压EGR、DLC减摩技术的普及应用，高效发动机的热效率普遍在41%-43%区间。后期随着绝热及稀薄燃燒技术应用，热效率可进一步提升至47%左右，但由于高投入产出比，大部分厂家目前处于前瞻预研或观望状态。

b.增程专用发电机高效化：随着扁线电机、油冷技术的普遍应用，发电机系统最高效率已经超过93%，且高效区间满足双85目标（即85%效率占map比例85%），较传统水冷扁线技术优化1-2%左右（如图10）。

c.增程系统高效区间耦合：由于受物理边界限制，发动机高效中心点一般在3000-3500rpm左右，而发电机高效中心点一般在4000rpm以上，因此二者高效率中心耦合是系统效率提升的关键。当前普遍思路是：1.减小气隙，但对工艺要求更高；2.调整电磁方案，将弱磁拐点往低速区域移动，而电机高效率点一般靠近弱磁拐点；3.在电压范围内，增加绕组匝数，提升励磁性能，从而提升电机转矩输出能力，在相同工况下，反电动势越高，电流越小，有利于提升控制器的效率。

d. 增程最优工况控制策略：不同于燃油车，增程式汽车工况点可以基于发电功率需求、NVH目标在万有map最佳油耗区间进行选点，当前主流策略为定点发电，功率跟随（如图11）。

同时行业提出了根据预测的汽车未来行驶工况进行等效燃油最小控制策略（ECMS）并进行优化拟合。比如针对不同路况与驾驶员意图进行SOC门限与整车需求功率输入值的优化调整，对所搭建的能量管理策略在整车上固化，实现最优整车能量管理路径及策略（如图12）。

3.3   增程器无感化

无感化一般指车辆在日常行驶过程中，增程器瞬间介入或介入后，驾乘人员不会感知到明显的振动或噪音。尤其在亏电时噪声与振动较燃油车更大，易引起客户抱怨。

当前普遍认可的目标为：噪声总值增加量<1.5dB（A）；发动机阶次噪声<75dB（A）。对于增程器无感化开发的整体思路为：

a.常规方法：对噪音“源、路径、响应”进行全面优化，如通过谐波注入或斜极优化来降低电机阶次噪音，如前围隔音提升、抗扭悬置NTF优化措施等。

b.控制策略：根据车速与油门开度来设定不同目标转速，基于多方需求找到最优解。

c.主动降噪：通过ENC/RNC等主动降噪技术进一步降低增程器噪声中的2阶、4阶成分，且主动降噪技术不受动力标定及电量平衡的限制，真正实现无感化（如图13）。

3.4   增程器高压化

如前所述，得益于整车纯电续航里程接近300公里以及大电池包的普遍应用，客户对于纯电使用场景占比更高，而且对电池快充的需求也更加凸显。

因此，在纯电动800V高压化应用的背景下，整车企业对于增程高压化的开发及研究成为了当前增程系统的技术制高点，其主要特点有：一方面是高压化带来1-2%系统效率的潜在提升；另一方面是系统绝缘等级升级、宽禁带功率元器件SiC应用所带来的成本增加。这将导致REEV相对BEV的成本优势区间降低。

因此行业普遍呈观望态度或采用高压IGBT作为过渡方案，当然随着BEV 800V的批量应用，SiC的成本降低将是REEV增程器高压化应用的最佳契机。

4    小结

本文基于增程式电动汽车的市场需求、着重阐述了增程器技术构型、优劣势对比分析，同时对于未来增程核心技术的发展方向进行了判断与分析，并提出了观点及建议。该文对REV车型增程器的开发提供了借鉴与参考。

参考文献：

[1]刘金周，吳征，李永康.增程式电动汽车技术路线浅析[J]. 汽车文摘，2019，7：52-55.

[2]王锦艳，张作美，孙萧，刘晓莹.增程式电动汽车专用发动机技术浅析[J]. 汽车实用技术，2022，6：10-13.

[3]何坚强，唐慧雨，张兰红.电动汽车增程器关键技术综述[J].电源世界，2016，12：39-43.

[4]徐明，吕永宾，李军，赵芮烽，钟昌霞.电动汽车增程器系统的集成化方案[J].客车技术与研究，2020，4：18-19，26.

[5]王道福.基于增程器最小原则的增程式车辆匹配[J].机电技术，2020，5：63-65，114.

[6]肖海云，虞卫飞，胡俊勇. 增程器选型的分析研究[J]. 汽车实用技术，2021，16：123-125.

[7]贾腾飞，张洪信，赵清海，尹怀仙，侯典平.增程式电动汽车动力参数匹配与控制策略分析[J].青岛大学学报：工程技术版，2018，2：108-113.

[8]菜根儿．增程器设计开发与应用[M]. 机械工业出版社，2022.

[9]叶盛基.中国增程式电动汽车产业发展研究报告[M]．机械工业出版社，2022.

[10]Hubert Friedl， Günter Fraidl，et al.Range Extender Technology for Electric Vehicles[C].International Conference on Electric Vehicular Technology （ICEVT）， 2018：1-8.