增程式电动汽车关键技术综述

增程式电动汽车关键技术综述

柳恩鑫

哈尔滨东安汽车动力股份有限公司  黑龙江省哈尔滨市  150000

摘要：近年来，我国汽车产业快速发展，对社会经济发展起到了重大的推动作用，但随着传统动力汽车数量上的增加，汽车尾气对环境变化起到了严重影响；同样的汽车燃料消耗所带来的能源危机也在日益凸显。为解决日益严重的环境污染、能源危机问题，新能源增程式电动汽车应运而生。

增程式电动汽车作为新能源汽车类型之一，结合了传统动力汽车、纯电动汽车的技术优势，实现了传统动力与电机的深度结合，是一种纯电动驱动行驶的插电式串联混合动力汽车，在中国法规、整车的支持下，近年来得到了大力推广。其动力系统由动力电池系统、动力驱动系统，以及增程器系统和整车控制系统等组成。相较于纯电动汽车，增程式电动汽车是一种能够在全气候、全路况下行驶且不必为蓄电池电力不足而担忧的电动汽车，因增程式电动汽车可通过增程器专项优化标定、整车控制策略研发实现了增程器运行工况点油耗最佳的目标；它在纯电动工作模式下具有纯电动汽车零排放、零污染等优点；相较于传统动力汽车，在增程工作模式下，增程器在选定的最佳油耗工况点进行运行，有效的降低了有害物、油耗的消耗。为更好的提高核心竞争力，增程式电动汽车系统中增程器台架联调试验、策略研究、驱动系统参数匹配等成为不可缺少的验证过程。

关键词：增程式电动汽车  参数匹配 优化标定  增程器

一、增程式电动汽车概述

增程式电动汽车是新能源汽车类型之一，是一种将新能源发电机与传统动力连接串联式混合动力汽车，也是在现有电池技术水平下，为调和纯电动汽车续航里程、传统动力汽车燃油及排放的解决方案。增程式电动汽车拥有纯电动汽车电池、传统动力汽车燃油油箱，解决了纯电动汽车续航里程受电池容量限制的问题。同时通过控制策略的制定有效的将用油、用电的情况进行了彻底的区分，使得增程式电动汽车主要工作模式分为纯电工作模式、增程工作模式，电池电能输出是纯电工况的主要能量；只有在电池电能较低无法正常输出时，由发动机、发电机组成的增程器运行输出电能，提供驱动所需能量，驱动整车行驶，提高续航里程。

二、增程式电动汽车结构与原理

2.1、增程式电动汽车结构

动力电池系统、驱动系统、增程器和控制系统是增程器主要构成的4个系统；驱动系统为增程式电动汽车提供动力，动力电池系统、增程器为驱动系统提供所需求的能量。而控制系统实现了对整车不同系统的控制。由发动机与发电机组成的增程器不直接参与整车驱动，仅在动力电池无电能输出后按前期控制策略制定的工况点进行定点或定线运行，启动后发动机可在最佳燃油经济点或曲线上输出功率和扭矩，相对于传动动力汽车提高了燃油经济性。因动力电池系统的存在，增程器可由小排量发动机与发电机组成，相对于传统动力汽车动力系统，发动机排量应用范围更广；也因增程器可将燃油转化为电能，相较于纯电动汽车而言，动力电池系统可适当减小，成本降幅明显。增程器的应用有效的采用了传统动力、纯电电动汽车的优势。

同时因增程器的增加，增程式电动汽车的动力系统结构发生改变，与传统动力汽车、纯电动汽车系统架构不同，具有自己的特征。增程式电动汽车动力系统结构示意如图1所示：

1并且不参与动力输出，无法直接驱动整车，增程式电动汽车动力系统架构示意图参见如下，增程器作为，各个系统之间都通过CAN总线实现控制单元之间的信息传递和命令执行，根据驾驶人员实际的油门踏板踩踏深度或制动踏板踩踏深度获取功率需求信息，控制器依据相应信息实现控制。

增程式电动汽车动力系统架构如下，主要由驱动系统、发电系统、动力电池系统、控制器、DC/DC转换器等组成。驱动系统由驱动电机 与减速机构构成、发电系统由发动机与发电机构成，驱动系统与发电系统无能量首先利用动力电池是新能源汽车类型之一，是一种将新能源发电机与传统动力连接串联式混合动力汽车，也是在现有电池技术水平下，为调和纯电动汽车续航里程、传统动力汽车燃油及排放的解决方案。增程式电动汽车拥有纯电动汽车电池、传统动力汽车燃油油箱，解决了纯电动汽车续航里程受电池容量限制的问题。同时通过控制策略的制定有效的将用油、用电的情况进行了彻底的区分，使得增程式电动汽车主要工作模式分为纯电工作模式、增程工作模式，电池电能输出是纯电工况的主要能量；只有在电池电能较低无法正常输出时，由发动机、发电机组成的增程器运行输出电能，提供驱动所需能量，驱动整车行驶，提高续航里程。

增程模式下发动机运行在最佳的燃油工况下，以降低发动机的排放及燃油消耗。

图1、节能汽车和新能源汽车分类

其中插电式混合动力汽车（PHEV）、纯电动汽车（BEV）、燃料电池电动汽车（FCEV）是国内外新能源汽车三种常见的车型。具体特点如表1

表1 新能源汽车三种常见车型的特点

二、插电混合动力汽车分类

插电式混合动力汽车是介于纯电动汽车与燃油汽车两者之间的一种新能源汽车，既有传统汽车的内燃机、传动系统、油箱。也有纯电动汽车的电动机、电池、控制器、充电接口；它综合了纯电动汽车和混合动力汽车的优点，既可实现纯电动、零排放行驶，也能通过混动模式利用内燃机增加车辆的续驶里程。

插电式混合动力汽车从内燃机和电机的联结方式和驱动特点，我们可以将混合动力汽车分为三大类型，串联、并联、混联。 因各家设计理念和基本思路不同，开发出的新能源汽车混动系统构型各有特点，主要分类如表2。

表2 混合动力汽车系统构型主要分类

三、几种典型车型的混动系统构型分析

新能源汽车混动系统构型直接关系到该车的运行模式、工作特点、控制策略，也体现了该车型的优缺点，我们针对市场上几款典型车型的混动系统构型进行分析。

1、宝马i3增程版

宝马i3增程版是串联插电式混合动力汽车典型的代表。该款车型主要基于宝马i3纯电动车型的基础上增加了一台拥有0.65L排量双缸汽油发动机和低功率发电机的增程器，系统构型及工作模式如图1。

图1、宝马i3增程版系统构型及工作模式

该构型优点：①串联结构简单，内燃机工作在最佳工况，燃烧充分，油耗低、排放小；②电池组小型化，成本和重量较低；③解决纯电里程焦虑问题。

缺点：①小排量汽油机功率输出小，增程模式下不适合高速行驶。

2、大众途锐PHEV混动版

大众途锐PHEV混动版是一款并联插电式混合动力汽车，搭载一套2.0T插电式混动系。采用8AT变速箱，配备高功率的电机。系统构型及工作模式如图2。

图2、大众途锐PHEV混动版系统构型及工作模式

该构型优点：①并联单电机相对混联结构简单；②混动模式下动力强劲；③电池组小型化，成本和重量较低；

缺点：①系统控制较复杂；②燃油经济性表现一般。

3、本田雅阁混动版（i-MMD双电机）

本田雅阁混动版是一款混联插电式混合动力汽车，搭载一台2.0阿特金森循环自然吸气式发动机。双电机是其传动系统的核心，由一台驱动电机和一台发电机组成，其中驱动电机负责为前车轮输出动力；发电机则负责将从发动机以及动能回收系统得到的能量转化为电能为电池组充电，整套系统由一套直联式离合器控制，实际驾驶中根据整车控制策略可实现发动机适时参与驱动。在这套系统中本田主要是强化了电机效率，可以说是以电机驱动为主的新能源汽车。

图3、本田雅阁i-MMD双电机混动版系统构型及工作模式

该构型优点：①制动能量回收高、②i-MMD驱动电机效率更高；

缺点：①节油效果一般；②NVH稍差。

4、三菱欧蓝德PHEV混动版

三菱欧蓝德PHEV混动版采用了发动机+三电机混动系统，相比传统汽油版，内燃机使用全新2.4L阿特金森循环自然吸气发动机代替了原有的2.0L奥托循环自然吸气发动机，采用平行轴双电机及其减速箱实现前轮混合驱动，布置后驱动电机实现后轮驱动。在实际驾驶中根据整车控制策略实现四驱，兼顾动力性和经济性。

图4、三菱欧蓝德PHEV混动版系统构型及工作模式

该构型优点：①四驱高速动力性良好；②。发动机参与驱动及转化过程平顺；

缺点：①布置和控制策略复杂；②四驱，成本高。

5、丰田普锐斯混合动力汽车(THS混动系统）

丰田的THS混合动力系统从初代普锐斯开始，到现在已经发展至第四代THS-IV，其核心是通过行星齿轮组实现内燃机与双电机的机械连接，达到协同内燃机与电机的动力输出以及动能回收充电工作的协同匹配和自由转换。在实际驾驶中主要控制A、B电机参与发电/驱动的程度，实现纯油和混动模式之间切换是无级的，使发动机工作在最佳经济工况下，可以说是以发动机工作为主的新能源车。

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图5、丰田THS混合动力系统构型及工作模式

该构型优点：①行星轮结构，三个动力源功率分流合理；②相对传统车，整车节油效果好；

缺点：①运算控制逻辑复杂；②非纯电工况为主的运行策略。

6、通用沃蓝达混合动力汽车（Voltec混动系统）

动力部分由一台1.5L直喷发动机、一台的主电机，一台副电机以及一套点行星轮三离合器的减速结构组成。,动力综合参数可以达到2.0T发动机的水平，从实际工作模式来说，主要驱动模式并非发动机与电机为串联的增程式工作模式，而是由一套复杂的控制程序来实现了多种驱动模式（单双电机驱动、混合驱动、并联驱动、发动机直驱），从而可以根据车辆行驶工况去精准控制能耗。这种通过行星齿轮和离合控制实现多种模式，可以说是兼顾油、电两种动力方式的新能源车。

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图5、通用Voltec混动系统构型及工作模式

该构型优点：①双电机使动力表现更佳，高扭矩，高效率。；②整车燃油经济性好；

缺点：①混动结构和控制系统更加复杂。②成本高。