摘要：增程式电动轿车又称路程延伸式电动轿车，作为纯电动轿车的平稳过渡车型，以其功率高，电池容量小，不会因缺电抛锚等长处遭到了广泛的注重。该文针对燃油增程式电动轿车的动力部件选型、动力体系装备、体系和谐操控与功率优化等要害技能问题进行了剖析研讨。比照剖析国内外相关技能计划的一起，结合自主研制的一款增程式电动轿车进行了动力体系要害技能的讨论。最终，展望了增程式电动轿车的技能开展，提出了几个值得注重的相关重要研讨课题与研讨方向。

  面临日益严峻的气候和动力局势，电动轿车以其节能环保的巨大优势，遭到各国政府越来越多的注重。可是，当时动力电池存在价格昂扬、能量密度较低，以及充电时刻较长等问题，约束了电动轿车的大规模推行运用。在动力电池短期内不能取得较大功用进步的布景下，各种形式的混合动力轿车应运而生。其间，增程式电动轿车作为纯电动轿车的平稳过渡车型，以其功率高、电池容量小，不会因缺电抛锚等长处遭到了广泛的注重。

  增程式电动轿车是一种纯电动驱动行进的插电式串联混合动力轿车，其动力体系由动力电池体系、动力驱动体系，以及增程器和整车操控体系组成。广义的增程式电动轿车的增程器动力源应包含燃料电池、发动机等多种形式。本文首要论说以发动机为动力源的燃油增程式电动轿车，即狭义的增程式电动轿车。其与传统燃油车比较，增程器的发动机可以操控在最优作业状况，具有排放量小的特色。与纯电动轿车比较，所需电池容量要小许多，本钱较低且不会缺电抛锚。与强混合动力车比较，电机与发动机没有机械耦合，避免了频频的作业形式切换。并且，增程器输出功率和电流可控，可以选用更灵敏的电池充放战略，有利于延伸电池运用寿数 [1-2] 。

  国家电动轿车科技开展“十二五”规划将纯电动轿车、增程式电动轿车和插电式混合动力轿车归为一个大类，并拟定了以小型纯电动轿车要害技能研制作为纯电动轿车产业化突破口，开发纯电动和增程式小型轿车系列产品，完成大规模商业化的技能道路] 。

  国外，通用轿车的 VOLT 增程式电动轿车现已上市，欧宝也推出了自己的增程式电动厢式车。近期，宝马、马自达等轿车企业也加入了增程式电动轿车的研制和出产的队伍。国内，增程式轿车的概念首要在南车年代电动、宁波神马等企业的电动大巴上得到运用。长城、奇瑞、广汽和北汽等轿车企业也相继投入到了增程式电动轿车的研制傍边 [4] 。

  增程式电动轿车因为动力模块的添加，整车的操控难度也相应地添加。增程式电动轿车整车的动力和谐和最优操控，是增程式电动轿车的要害技能问题。特别跟着增程式电动轿车的小型化，进步增程式电动轿车的经济功用和单位功率变得尤为重要 [5-8] 。动力部件功率是增程式电动轿车整车功率的决议要素之一。因为增程模块对电池充放电的影响，增程式电动轿车对电池的选型和操控战略也提出了新的要求。怎样在改动的工况下进步驱动部件的功率，延伸部件寿数，是增程式电动轿车的首要研讨方向 [9-12] 。

  增程式电动轿车与纯电动和传统混合动力比较，既有技能上的通用性，又有其特别之处。下文将针对增程式电动轿车的动力部件选型、动力体系装备、体系和谐操控与功率优化等要害技能问题进行剖析。在对国内外最新的相关技能处理计划进行比较剖析的一起，指出几个往后值得注重的研讨方向。

  动力电池体系、动力驱动体系、增程器和整车操控体系是增程式电动轿车动力体系的 4 大重要组成部分。动力电池体系为电机驱动体系供应动力的一起，也为增程器发动机的发动供应反拖电流；驱动体系为车辆供应动力输出，由电机操控器承受整车操控器的指令操控车辆行进；小排量的发动机和与之直接相连的发电机组成增程器，经过将发电机的沟通电整流成与动力电池电压相匹配的直流给动力电池充电；整车操控体系供应包含增程器的操控、驾驭员输入信息处理、各动力部件的和谐操控等整车操控功用。增程式电动轿车的动力体系结构如图 1 所示 [1] 。

  因为发动机并非常开状况，也不直接参与动力输出。增程式电动轿车与其他混合动力车在动力装备上，具有必定的差异。有别于传统串联混合车型选用较大的发动机来供应一切电力源，和较小的电池来完成能效的进步；增程式电动轿车的插电式充电模块完成电池的外部充电，而只装备小功率的发电机满意扩展路程需求。电池容量相对纯电动要小，相对其他混合动力车要大。动力装备比照如图 2 所示 [2, 12] 。

  因为动力部件的添加，动力体系结构的改动，使得增程式电动轿车动力部件的选型规范具有自己的特色。尽管动力耦合的削减，减低了部分能量损耗；但频频的电力转化也带来了功率的下降。怎样挑选动力部件类型、装备动力部件的参数，在确保体系动力功用的状况下使经济功用最优，成为增程式电动轿车首要要处理的问题。

  增程式电动轿车驱动电机的装备与纯电动轿车的装备相同 [13-14] 。电动轿车比较高效，且常用的驱动电机有沟通三相感应电机 ( 以下简称感应电机 ) 、表贴永磁同步电机、内置式永磁同步电机、开关磁阻电机等。感应电机具有运用广泛、修理便利等长处；但也存在功率要素较低、变压变频操控较杂乱的缺陷。永磁沟通同步电机具有较高的功率和较好的动力特性；但存在着制作工艺杂乱，受本钱影响比较大等问题。关于永磁沟通同步电机而言，内置式永磁同步电机特性要优于表贴永磁同步电机，但电机杂乱度却添加许多。开关磁阻电机结构简略、抗扰性强，但存在转矩脉冲和噪声，以及振荡问题 [15] 。以双凸极永磁电机为代表的定子永磁电机对上述长处进行了交融，尽管添加了杂乱度，也是电机的可选计划之一 [16-17] 。

  增程式电动车以纯电驱动为主的城市道路作为首要运用环境，电机功率和功率密度被作为首要考量规范。在相似工况环境和驱动体系功率状况下，几种适用电动车的驱动电机功率比较如图 3 所示。因为电机的功用遭到气隙、极弧系数、磁钢功用、极对数等要素的影响，电机的好坏比较具有较大争议。尽管如此，内置式永磁同步电机功率高、调速规模宽的优势依然得以表现，是当时增程式电动轿车驱动电机的较优挑选 [18] 。

  电池技能是电动轿车开展的首要瓶颈技能。伴跟着阳极资料、阴极资料、隔阂以及电解液资料等电池首要部件的新资料和新工艺的研制，电池功用不断得到进步。不同资料的电压和容量的特性如图 4 所示 [19-20] 。

  锂电池磷酸铁锂、钴酸锂、锰酸锂及其复合资料是当时动力电池正极资料的干流。其间，磷酸铁锂电池相关于钴酸锂、锰酸锂具有较高的比容量，较长的寿数周期和较低的本钱。负极资猜中，碳和石墨资料是干流，钛酸锂、锂单质负极资料也现已得到运用。磷酸铁锂和碳资料组成的电池单体，是当时增程式电动轿车电池较为抱负的挑选 [21] 。跟着三元复合资料、固溶体资料组成的新式电池，以及金属锂资料组成的空气锂电池技能的完善与推行，将会带来动力电池功用的大幅进步，也是未来增程式和纯电动轿车动力电池的开展趋势 [22] 。

  因为增程式电动轿车的增程器用发动机只与发电机有机械衔接，对发动机的工况和功用要求下降，发动机选型自由度添加。几种可用类型发动机的振荡噪声 (noise vibration and harshness ， NVH) 等功用比照如表 1 所示。表 1 中，“ 0 ”为基准线；“+”表明好；“−”表明差。

  单活塞转子发动机和两缸四冲程汽油机被认为是在增程发电运用中最有远景的发动机。尽管转子发动机比两缸四冲程汽油机单体本钱要低，但两缸四冲程比转子发动机的渠道更为通用化，下降了制作本钱。两缸四冲程发动机的老练技能使得其具有显着的优势，是当时增程器用发动机较为抱负的挑选。跟着转子发动机的运用增多，其在车载发电中的优越功用将逐渐得到表现 [26] 。除了常用的发动机以外，原动机还有许多新颖的挑选，比如斯特林发动机、小型蒸汽轮机、直线] 。选用均质混合气压燃技能的发动机，因为调集了柴油机和汽油机的长处，也有望在未来的增程器上得到运用 [26] 。

  因为增程发动机的作业点比较单一，体系可以极大简化，超负荷超速以及杂乱的瞬态作业条件可以不予彻底考虑。曲柄和阀都可以做下降冲突和质量的优化。因为与负载和转速需求相独立，也答应发动和催化剂加热进程的排放优化 [27-28] 。

  2.4 ISG 发动发电机的选型比较发动发电一体机 (integrated starter generator ， ISG)的选型依据与驱动电机相似，发电和发动一体化规划的永磁电机供应发动和发电两个不同的工况。感应电机具有低本钱、高可靠性的特色。开关磁阻发电机具有鲁棒性和高速操作才能，但发电工况较低效，且存在较大的纹波。永磁电机比较高效，但有超速电压失控的风险。一体化发动发电机对电机的装置尺度、发动力矩、输出电压和电流质量、作业温度规模都有比较严苛的要求。增程器运用中，发电转速可以经过发动机调速得到自动操控，功率较高的永磁电机是较好的挑选。可是，带有旋转变压器的绕线转子同步发电机、永磁和激磁绕组混合转子电机也因特别的特性遭到较大的注重 [29-31] 。与驱动电机作业在驱动工况比较， ISG 电机大部分时刻作业在发电工况。发动机和发电机的工况和谐与优化，以及归纳考虑高效作业区和功率要素是进步增程式电动轿车燃油功用的要害 [32] 。

  增程式电动轿车动力体系的装备包含：驱动电机、动力电池、增程器用发动机和发电机匹配。一起，还应考虑空谐和电附件对整车的影响。尽管动力装备首要依据车辆的巨细与定位，但动力体系的装备依然具有必定的通用原则 [33] 。现已上市和正在研制的几款增程式电动轿车的动力体系装备如表 2所示。

  驱动电机的挑选在考虑功率要素、功率的一起，还需求考虑电机特性的影响。功率散布的高效区域应该与电机常态作业区尽可能相共同。驱动电机的装备依据如图 5 所示 [34-37] 。恒转矩的巨细决议了车的发动功用；切换点决议了车的加快功用；最大功率输出决议了车的车速规模。功率密度、动态功用等方针在驱动电机的挑选中要归纳考虑 [33, 36-37] 。

  因为决议电动机驱动的额定功率的是加快的需求，而不是最高巡航车速或爬坡才能，所以加快功用是电动轿车首要要考虑的方针。加快时刻 t a 为时刻相对速度改动率的积分，经过如下公式核算：

  电动机功率确保了加快和爬坡功用，发动机发电机功率确保车辆在平整或低斜度路面上的恒速行进需求。关于增程式电动轿车而言，电池的规划容量应该使得全电动行程 (all electric range ， AER)满意日常驾驭需求。续驶路程与电池电量和燃油间的联系遭到不同驾驭工况、车辆能耗散布、整车操控战略的影响。针对方针增程式电动轿车车型 ( 详细参数表见附录 A) ，对几种典型的驾驭工况下的纯电驱动能量耗费进行了仿线] 。

  依据国内外的相关查询，城市工况一半以上的每日驾驭行程小于 60 km ，当然详细城市的查询数据有必定不同 [39-40] 。依据增程式电动轿车的规划初衷，电池的容量应该满意大部分工况纯电驱动的需求。与此一起，增程器的发动机开关时刻的挑选，也与电池容量的装备相关 [41] 。电池容量的预算公式如式 (7)—(9) 所示。

  增程器的装备包含了 ISG 电机和发动机两部分。除了全体的发电功率满意整车的根本功率需求之外，增程发动机和发电机的功率散布应该尽可能的共同，以期到达全体的功率最优。功率需求的预算如下式所示：

  因为 APU 单元和其他动力单元间具有较大的搅扰，为了躲避这种搅扰，除了操控办法上的考虑，整流模块上的优化也是必要的 [1] 。

  增程器的独立能量供应供应了多种作业形式的挑选。在日常的运用中，可将增程器封闭，仅由电池供应驱动动力。这样既可以经过进步增程器功率输出进步整车动力功用，又可以依据动力耗费发电保持荷电状况 (SOC) ，还可以经过功率补偿办法取得电池运用寿数的添加。相应操控办法下，各个动力部件的和谐既可以经过手动需求输入完成，也可以经过整车行进工况的状况识别来完成。不管选用哪种作业形式，选用恰当的战略，在和谐操控动力部件作业的一起，进步整车的能效水平是非常重要的。

  整车动力部件规划定型后，功率的优化首要经过以下途径完成： 1 ）操控发动机作业在最低油耗区或最低特定污染物排放的区域，或经过多方针优化办法取得帕累托 (pareto) 最优解； 2 ）最大化再生制动能量运用； 3 ）经过需求导向的操控战略下降附加能量耗费。在考虑能量优化的一起，需求对过流、过温等风险工况进行约束。方针车型典型工况下能量损耗剖析如图 8 所示 [42-43] 。

  充电功率与负载状况相关，跟着电池 SOC 和其他状况的改动、动力输出的改动，充电的功率也会相应发生改动。最新的零电压隔行扫描 boost 电路，经过恰当的战略，使得 AC 到 DC 转化现已可以做到如图 9 所示的功率 [44-46] 。怎样在改动的工况下进步能量运用功率，是增程式电动轿车操控亟待处理的问题。

  因为动力电池不只有驱动电机的充放电，也有辅佐动力装置 (auxiliary power unit ， APU) 为其充电，使得动力电池的充放电变的愈加频频，电池的松懈效应和滞后效应愈加显着 [47] 。温度对电池的充放电有很大的影响，在不同的温度下电池表现出的充放电特性如图 10 所示 [48-49] 。在不同的荷电状况下，电池的充放电功率会跟着温度的改动发生改动。为了确保频频充放电状况下电池组的温度适应性，操控体系的战略需求特别考虑。特别的电池办理体系和温度操控体系也有助于电池能效的进步。电池均衡设备和混合储能体系也是可选的计划 [50-51] 。值得注意的是，电池的热处理需求归纳考虑多种要素的影响 [52] 。

  增程式电动轿车作为串混车的一种，与串混车相同，为了到达全体的状况最优，需求经过发动机的作业点切换来完成增程式电动轿车的能量办理 [53] 。针对增程式电动轿车，电池充放电战略的暗示如图 11 所示。

  针对适用于增程式电动轿车的操控战略，国内外现已有较多的研讨。 Wirasingba 等将操控战略归类为依据规矩的和依据规划的 2 个大类，并对电量保持 (charge sustaining ， CS) 和电量耗尽 (chargedepleting ， CD) 两种形式下确实定性规矩、含糊规矩、大局优化以及实时优化进行了论说 [54] 。 Salmasi等分别对线性规划、最优操控、随机动态规划、遗传算法进行了比较论说，并提到了一种依据 GPS的整车能量流操控战略 [55] 。一起，对操控战略开展方向进行了阐明。 Bashash 等提出了归纳考虑排放和电池寿数的操控战略 [56] 。 Richter 等提出一种依据路况的增程式电动轿车操控办法 [57] 。动力结构上的通用性，使得一些串联式混合动力的操控技能也适用于增程式电动轿车 [58-61] 。

  因为动力电池具有小电流放电比高电流放电容量大，浅充浅放可以有用延伸电池运用周期的特色。增程器的存在使得动力体系的能量流向可以经过必定的操控战略得到优化，到达延伸续驶路程和进步电池功用的意图 [40] 。优化的有用性现已得到验证，适宜的优化战略可以相对单点功率最优充电，进步 10%~15% 的体系功率。

  电动轿车车载充电的增程概念在电动轿车发生之初就现已被提出，其开展遭到技能条件的约束，屡次的电力转化，导致了燃油功率的下降。可是，插电式和车载充电的结合，以及动力转化功率的进步带来了增程式电动轿车的重生。

  跟着技能的不断进步，本钱的不断下降，环保高效的电动轿车替代传统燃油车是大势所趋。但在电池容量，充放电时刻还不能彻底满意当时纯电动轿车需求的状况下，选用纯电驱动的增程式电动轿车具有较大的运用布景。而模块化，便携式的增程设备必将是纯电动轿车开展道路上的一大亮点。电动轿车，增程式电动轿车安全性和功率的进步，依赖于对动力部件的深化了解。咱们需求对动力部件的特性进行更为深化的研讨，约束车载充电的晦气影响，充沛开掘充电能量操控的用处和效益，推动电动轿车遍及进程。在未来的研讨作业中下列问题应得到特别的注重和研讨：

  1 ）动力转化功率的进一步进步。尽管在纯电工况下，增程式电动轿车的经济性要优于其他混合动力轿车。可是，在充电工况下，电流耦合的增程式电动轿车还不能到达机械耦合混合动力车型的水平，依然具有较大的进步空间。

  2 ）模块化，可拆卸式增程单元的运用研讨。因为模块化涉及到增程单元通讯的通用化，对环境的自适应性，动力操控稳定性等问题。安全、高效、通用性好的增程模块具有较大研讨价值。

  3 ）与微网、智能电网、车路协平等新技能的结合。增程式电动轿车自身就构成了一个微网体系，其充电办法的多样化，带来了接入形式和操控形式灵敏性。在微网和大电网相结合的大布景下，增程式电动轿车与智能电网和车路协同操控的结合也是研讨方向之一。

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