陳金柯，徐志，黃倫倫，嚴(yán)鵬

（江蘇大學(xué)京江學(xué)院，上海 212013）

1 增程式電動(dòng)汽車介紹

增程式電動(dòng)汽車是一種純電動(dòng)驅(qū)動(dòng)行駛的插電式串聯(lián)混合動(dòng)力汽車，增程式電動(dòng)汽車和燃油汽車、純電動(dòng)汽車以及強(qiáng)混合動(dòng)力車等類型的汽車相比都具有一定的優(yōu)勢(shì)，相較于燃油汽車其增程器的發(fā)動(dòng)機(jī)能夠?qū)顟B(tài)控制在最優(yōu)，從而擁有較小的排放量；與純電動(dòng)汽車相比其不需要那么大的電池容量，在成本方面有明顯的優(yōu)勢(shì)，且不會(huì)出現(xiàn)因缺電人拋錨的問(wèn)題。相較于強(qiáng)混合動(dòng)力汽車，其電機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)之間不存在機(jī)械耦合，從而有效防止了頻繁的工作模式切換，而且擁有與更加靈活的電池沖放策略，從而能夠使電池具有更長(zhǎng)的使用壽命。

增程式電動(dòng)汽車的動(dòng)力系統(tǒng)主要包括動(dòng)力電池系統(tǒng)、動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，以及增程器和整車控制系統(tǒng)等四部分組成，這四部份的主要功能如下：

（1）動(dòng)力電池系統(tǒng)。能夠?yàn)殡姍C(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)提供動(dòng)力，同時(shí)也提供了增程器發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)所需要的反拖電流。

（2）驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。為車輛提供動(dòng)力輸出，并且能夠通過(guò)電機(jī)控制器來(lái)接收來(lái)自整車控制器的命令，從而實(shí)現(xiàn)汽車行駛的控制。

（3）增程器。增程器由小排量發(fā)動(dòng)機(jī)以及與之相連的發(fā)電機(jī)兩部分組成，通過(guò)將發(fā)電機(jī)的交流電整流成與動(dòng)力電池電壓相匹配的直流電給動(dòng)力電池充電。

（4）整車控制系統(tǒng)。具有增程器的控制、各動(dòng)力部件的協(xié)調(diào)控制等功能，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)于整車的控制。

和傳統(tǒng)的串聯(lián)式混合動(dòng)力汽車相比，增程式電動(dòng)汽車并不是依靠較大的發(fā)動(dòng)機(jī)來(lái)提供所有電源，而是采取較小的電池來(lái)提高能效，其采用的是插電式充電模塊，能夠?qū)崿F(xiàn)電池的外部充電，配備的較小功率的發(fā)電機(jī)的目的是達(dá)到里程拓展的要求。正因?yàn)槿绱?，增程式電?dòng)汽車在電池的容量上小于純電動(dòng)汽車，而要比傳統(tǒng)的混合動(dòng)力汽車的要大。增程式電動(dòng)車中動(dòng)力部件相較于傳統(tǒng)的混合動(dòng)力汽車有所增加，動(dòng)力結(jié)構(gòu)也有所改變，這使其動(dòng)力耦合有所減少，有效的降低了能量的損耗，但是由于需要進(jìn)行頻繁的電力轉(zhuǎn)換，導(dǎo)致了其能量的利用效率較低，因此需要通過(guò)動(dòng)力部件的合理選型，實(shí)現(xiàn)動(dòng)力性能不受影響的情況下達(dá)到經(jīng)濟(jì)性能的最優(yōu)化。

2 增程式電動(dòng)汽車動(dòng)力部件選型

2.1 驅(qū)動(dòng)電機(jī)選型

增程式電動(dòng)汽車的驅(qū)動(dòng)電機(jī)選型要根據(jù)其工作環(huán)境的要求來(lái)進(jìn)行，其工作環(huán)境中面臨著頻繁變化的工況環(huán)境，沖擊和振動(dòng)也比較大，因此為了適應(yīng)這些要求，其驅(qū)動(dòng)電機(jī)應(yīng)具有尺寸小、重量輕以及調(diào)速范圍廣等特點(diǎn)，并且在還需要其在寬轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩范圍內(nèi)控制簡(jiǎn)單，此外成本問(wèn)題以及維護(hù)等也需要進(jìn)行考慮。當(dāng)前應(yīng)用于電動(dòng)汽車的驅(qū)動(dòng)汽車包括直流電機(jī)、交流感應(yīng)電機(jī)、永磁電機(jī)和開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)等幾種，表1中對(duì)這些電機(jī)性能進(jìn)行了展示：

表1 不同驅(qū)動(dòng)電機(jī)的性能對(duì)比

通過(guò)對(duì)這幾類驅(qū)動(dòng)電機(jī)的性能進(jìn)行對(duì)比，以及增程式電動(dòng)汽車對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的要求進(jìn)行分析，可以發(fā)現(xiàn)永磁同步電機(jī)具有效率及比功率高、調(diào)速范圍寬且精度高、運(yùn)行平穩(wěn)、可靠性好等優(yōu)點(diǎn)，比較適合作為增程式電動(dòng)汽車的驅(qū)動(dòng)電機(jī)。

2.2 動(dòng)力電池的選型

從目前的技術(shù)發(fā)展情況來(lái)看，電池技術(shù)是限制電動(dòng)汽車發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)。隨機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，新材料不斷涌現(xiàn)，陽(yáng)極材料、陰極材料、隔膜和電解液等作為電池主要部件，它們的新工藝和新材料正在不斷研發(fā)，隨著這些新材料應(yīng)用到電池之中，電池的性能也在不斷的提升之中，這為電動(dòng)汽車的發(fā)展提供了新的機(jī)遇。從當(dāng)前來(lái)看，鋰電池磷酸鐵鋰、鈷酸鋰、錳酸鋰及其復(fù)合材料已經(jīng)成為了當(dāng)前動(dòng)力電力正極材料的主要選擇。在這些電池之中，磷酸鐵鋰電池在比容量上比鈷酸鋰和錳酸鋰電池更高，而且其壽命周期也比較長(zhǎng)，成本也比較低。在負(fù)極材料方面，碳和石墨材料是比較常見(jiàn)的選擇，而諸如鈦酸鋰和鋰單質(zhì)作為負(fù)極材料也得到了一些應(yīng)用?？偟膩?lái)說(shuō)，目前磷酸鐵鋰和碳材料組成的電池單體增程式電動(dòng)汽車電池比較適合的選擇。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展還會(huì)有新的電池應(yīng)用到電動(dòng)汽車之中，諸如三元復(fù)合材料和固溶體材料組成的新型電池、金屬鋰材料組成的空氣鋰電池技術(shù)不斷發(fā)展和完善，其優(yōu)異的性能將會(huì)極大的提升動(dòng)力電池的性能，這也是未來(lái)電動(dòng)汽車電池未來(lái)的主要發(fā)展方向。

2.3 增程器選型

2.3.1 增城發(fā)電機(jī)選擇

在增程式電動(dòng)汽車之中，增程器知識(shí)在電動(dòng)電池電量不足時(shí)才會(huì)啟動(dòng)的整車的輔助動(dòng)力源，表2中是目前使用的幾種主要的發(fā)動(dòng)機(jī)類型。在表2中“0”表示基準(zhǔn)線；“+”表示好；“-”表示差。

表2 發(fā)動(dòng)機(jī)特性比較

結(jié)合上表可以看出，柴油機(jī)具有較高的效率，但是其十分的笨重，尺寸較大，而且NHV性能比較差；兩沖程的汽油機(jī)的燃油利用效率比較低；轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)雖然在單體成本上較低，性能比較優(yōu)異，但是目前尚未實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的應(yīng)用；和上述三種發(fā)動(dòng)機(jī)相比，四沖程汽油機(jī)具有平臺(tái)通用化、技術(shù)成熟且制造成本低等方面的優(yōu)點(diǎn)，因此從目前來(lái)看其是增程式電動(dòng)汽車最為適宜的發(fā)動(dòng)機(jī)選擇。

2.3.2 發(fā)電機(jī)選擇

在增程式電動(dòng)汽車之中，發(fā)動(dòng)機(jī)輸出的機(jī)械能被發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)化成電能，利用此電能給驅(qū)動(dòng)電機(jī)提供能量，通過(guò)這樣的方式來(lái)驅(qū)動(dòng)車輛行駛。因此增程式電動(dòng)汽車之中，發(fā)電機(jī)的選型原則和驅(qū)動(dòng)電機(jī)差不多，永磁同步電機(jī)還是最適宜的選擇。

3 增程式電動(dòng)汽車未來(lái)的發(fā)展

在電動(dòng)汽車發(fā)展初期就已經(jīng)提出了車載充電增程的概念，但是受到當(dāng)時(shí)技術(shù)條件的限制這一概念并沒(méi)有得到充分的應(yīng)用，由于需要進(jìn)行多次的電力轉(zhuǎn)換，燃油的利用效率不高，這是影響其應(yīng)用的重要原因。隨著技術(shù)的發(fā)展，通過(guò)插電式和車載充電相結(jié)合和能源轉(zhuǎn)換效率的提升，給增程式電動(dòng)汽車的發(fā)展帶來(lái)了新的動(dòng)力。從目前的能源和環(huán)保形勢(shì)上看，隨著技術(shù)的提高，成本不斷降低，更加環(huán)保高效的電動(dòng)汽車替代傳統(tǒng)燃油汽車成為的首要代步工具已經(jīng)成為必然的趨勢(shì)，但目前的技術(shù)水平，在電池容量和充放電時(shí)間等方面的不足讓純電動(dòng)汽車還不足以取代燃油汽車，這樣的背景下應(yīng)用純電驅(qū)動(dòng)的增程式電動(dòng)汽車就有了較大的應(yīng)用空間，而在未來(lái)的發(fā)展過(guò)程中，便攜式和模塊化的增程設(shè)備將在電動(dòng)汽車的發(fā)展中得到重要的應(yīng)用。

為了進(jìn)一步提高增程式電動(dòng)汽車的安全性和效率，需要對(duì)動(dòng)力部件進(jìn)行更為深入的研究，對(duì)車載充電造成的不利影響進(jìn)行有效的限制，充分發(fā)掘充電控制的用途和效益，從而進(jìn)一步推動(dòng)電動(dòng)汽車的發(fā)展和應(yīng)用。以下三方面是增程式電動(dòng)汽車發(fā)展需要重點(diǎn)關(guān)注和研究的方向：

（1）能源轉(zhuǎn)換效率的提升方面。目前增程式電動(dòng)汽車在純電工況下的經(jīng)濟(jì)性比較出色，強(qiáng)于其它混合動(dòng)力汽車，但是在充電工況下卻仍存在許多不足，電流耦合的電動(dòng)汽車的經(jīng)濟(jì)性能較機(jī)械耦合還存在較大的差距，仍存在比較大的提升的空間。

（2）模塊化。可拆卸式的增程單元是未來(lái)的發(fā)展方向，模塊化和增程單元通信的通用化有著比較密切的聯(lián)系，涉及到環(huán)境自適應(yīng)性和動(dòng)力操控穩(wěn)定性等問(wèn)題。安全、高效并且具有良好通用性能的增程模塊研究的價(jià)值很高。

（3）和微網(wǎng)、智能電網(wǎng)以及車路協(xié)同等新技術(shù)相結(jié)合是增程式電動(dòng)汽車未來(lái)研究和發(fā)展的重要方向。