增程式电动车

增程式电动汽车进展研究摘要：为了解决目前汽车行业存在的废气排放以及能源短缺问题，全世界汽车行业积极开发电动汽车，增程式电动汽车是电动汽车中的一种。文章从增程式电动汽车的定义出发，介绍了其结构、工作原理特点等以及其与其他混合动力的区别，阐述了目前国内外增程式电动汽车及其关键部件的发展状况，并重点介绍了Volt增程式电动汽车。分析结果表明：增程式电动汽车兼具纯电动汽车和混合动力汽车的优点，具备很强的市场推广价值。关键词：电动汽车增程器控制策略一、研究目的和意义汽车为人类社会带来了很大的便利，已成为人类社会日常生活不可或缺的交通工具。但是，在全球汽车工业迅猛发展的同时也带来了两个极其严重的负面效应：一是石油能源危机。二是环境污染加剧。汽车工业的发展受到了能源、环境等因素的严峻考验与挑战。发展节能、环保的电动汽车已成为世界汽车工业技术创新的主要方向和汽车产业可持续发展的必然选择。各国纷纷制定环保和节能法规，采取鼓励投资、税收优惠、政府补贴等多种政策推动电动汽车产业化进程。我国对电动汽车的技术研发和产业化发展给予大力支持，2010年在《国务院关于加快培育和发展战略性新兴产业的决定》中，将新能源汽车确定为七大战略性新兴产业之一；2012年发布了《节能与新能源汽车产业发展规划（2012-2020年）》，旨在培育和发展节能与新能源汽车产业，加快实现汽车产业转型升级、培育新的经济增长点和国际竞争优势；同时，还出台了促进新能源汽车产业化的相关补贴政策，进一步推动新能源汽车市场化进程。在政府政策推动下，中国电动汽车整车及关键总成技术都得到了快速发展，车用电机、电池产业链逐渐形成，汽车电动化市场逐步显现。但是由于目前阶段充电站建设的限制，纯电动汽车受到续驶里程的制约，难以得到市场的认可。国家鼓励发展混合动力电动汽车，而增程式电动汽车是混合动力电动汽车的重要方向之一。二、增程式电动汽车结构1.增程式电动汽车定义根据美国通用汽车公司Tate等人给出的定义，增程式电动车（ExtendedRangeElectricVehicle,E-REV）是指整车在纯电动模式下可以达到其所有的动力性能，而当车载可充电电池无法满足续驶里程要求时，打开车载辅助发电装置为动力系统提供电能，以延长续驶里程。2.增程式电动汽车的工作原理增程式电动车在本质上属于纯电动车，当蓄电池有足够电量时，增程式电动汽车驱动系统的动力全部来源于蓄电池，在一定的行驶距离范围内，增程式电动汽车的行驶完全依靠蓄电池提供的动力来完成，实现“零油耗、零排放”,相当于使用纯电动汽车。而在超出一定行驶距离、蓄电池的能量耗尽的情况下,内燃机就自动接通为增程式电动汽车驱动组件提供动力,进入混合动力模式，延长它的行驶里程,从而使车辆能够到达充电站或加油站。增程式电动汽车的蓄电池和动力推进系统经过精准的设置,可以使车辆在由蓄电池提供足够的电能的时候,不需要发动机进行工作来产生额外的动力。在由蓄电池驱动车辆时,可以保证车辆顺利实现加速、最高时速以及爬坡等各种性能；当由内燃机提供动力时,增程式电动汽车能够满足基本的车辆行驶要求。增程式电动汽车系统结构和汽车内部能量转换及系统控制如图2-1、图2-2所示。图2-1增程式电动汽车系统结构图2-2增程式电动汽车内部能量转换及信号控制3.增程式电动汽车的三种工作模式增程式电动汽车根据不同运行工况和驾驶员指令,可以灵活变换以下三种工作模式,达到最佳节油效果。3.1纯电动模式这种模式通过外接插头利用充电桩充电，在动力电池容量范围内车辆可以以纯电动模式行驶，此时增程器不工作，只做非正常情况时的备用状态,达到了零排放,完全是一台纯电动汽车。3.2混合动力运行模式这种模式与传统的混合动力模式相似，正常情况下利用车载动力电池提供的电力行驶，当车辆加速或者爬坡的时候，增程器启动，提供部分辅助驱动力用以驱动车辆行驶，同时给动力电池充电，并能够回收部分制动能量，此时增程器工作在最佳功率输出状态，节油率在20～30%左右。3.3增程运行模式在这种模式下，夜间利用充电桩为车辆充满电，白天根据行驶里程有计划地使用动力电池的能量，尽量不使用增程器。当动力电池电量降低到最低限定值时，启动增程器开启增程模式，通过增程器为动力电池充电（此时增程器不提供驱动力），以增加车辆的续驶里程，在这个过程中可以回收部分制动能量。这种模式可以显著提高节油率，节油率可达50%以上。4.增程式电动汽车优点增程式电动汽车作为一种新的节能环保型汽车，得到了国内外汽车企业的高度重视和政府的大力支持，它结合了传统混合动力汽车和纯电动车的特质，具有很多优点：1）增程式电动汽车相对于传统汽车，其发动机只相当于常规轿车的小型发动机，功率小、噪音低、可靠性高，且能够保持在发动机高效区运行，且由于动力系统构型简单，能量转换效率大幅提高，燃油消耗和有害排放也大幅降低。2）相对于传统混合动力汽车，增程式电动汽车的电池组容量比较大，车辆可在较长距离内以纯电动模式行驶，能提供足够的电功率使电动机驱动车辆启动、加速和爬坡，避免了常规传统汽车启动时发动机过载运行模式；另外，电机能够有效回收车辆制动和下坡的能量，有利于延长电池的寿命，因而具有较好的续驶里程。3）增程式电动汽车可以通过车载发电机组随时对车辆进行充电，因此其车载动力电池只需配置同级别纯电动车电池用量30%~40%，其生产及使用成本大幅下降；增程单元和动力电池组共同工作时，动力电池组的充放电倍率大大降低，这样有利于延长电池寿命和使用周期，车辆制造和使用成本也因此得以大幅降低。此外，对于纯电动汽车来说，空调用电是一个很大的负担，据有关研究表明：开空调会使行驶里程减少1/3，而增程式电动汽车则可通过发电机组给空调提供动力，降低了电池能耗，车辆续驶里程得以增加。4）增程式电动汽车充电所需时间少，因此可以利用小功率充电桩或家庭用电进行充电，而且还可以利用晚间“谷电”和午间司乘人员的休整间隙充电，免去新辟充电站或换电站等供电设施的建设，节约了大量人工成本，而且还帮助电网“分散调峰”，进一步提高能源利用率。此外，与经常使用混合工作模式运行的插电式混合动力汽车不同，增程式纯电动车对大多数驾驶者来说常常是保持在纯电动驱动的运行模式。纯电动汽车对增程式电动汽车在技术方面有很好的继承性，增程式电动汽车可以随着电池技术的不断提高，自然地过渡到纯电动汽车。由此可见，增程式电动汽车在能源利用率、价格、使用方便性、性能可靠度等方面均具有明显优势，被公认为是向纯电动汽车平稳过渡的理想车型。5.增程式电动车国内外发展现状增程式电动车被普遍认为是解决能源危机的最佳途径，大力发展增程式电动车受到各国政府的重视。美国能源部（DepartmentofEnergy，DOE）在2007年出资5800万美元支持增程式纯电动车关键技术的研发和整车的示范运行。自2009年以来，奥迪已经陆续推出了三种e-tron汽车，奥迪使用自己独特的技术，致力于将来电动车的研发，同时也提供各种战略性方案。正如“quattro”被看作奥迪全时四驱技术的代名词一样，“e-tron”也会成为奥迪汽车在纯电动技术方面的独特象征。2010年，通用汽车公司在美国市场推出雪佛兰沃蓝达(ChevyVolts)增程式电动汽车。在2010年北京国际车展上，凯迪拉克发布了一款名为Converj的概念车，如图2-3所示。这款车采用了革命性的“Voltec”电力驱动技术，实现了整车的低排放和低油耗。图2-3凯迪拉克Converj概念车在2010年年底，日产公司推出了聆风(Leaf)电动汽车，这款车是以先进锂离子电池为唯一动力源的纯电动汽车，续驶里程为100英里。在国内许多知名企业越来越重视增程式电动车的研发，奇瑞以S18（即瑞麒M1）平台为基础推出的增程式纯电动车X1-REEV，如图2-4，配备了高效增程器，一次加满油可达到300公里的长续航里程。吉利汽车推出了帝豪GPECs-EC7，如图2-5，搭载串联式GPECs系统，采用磷酸铁锂电池和1.0L发动机在纯电动驱动下可行驶60公里。江淮汽车的和悦混合动力采用1.0L的发动机，纯电续驶里程达到50公里，百公里油耗仅为3.2L。图2-4瑞麒X1-REEV图2-5吉利帝豪GPECs-EC7三、増程式电动汽车关键部件发展现状增程式电动汽车的关键部件为增程器和动力电池。这两者的性能直接影响着增程式电动汽车的动力性和经济性。1.増程器增程器的集成设计和匹配技术是增程式电动汽车整车研发的关键技术，增程器产品的开发和集成水平也成为整车技术水平的重要标志，以及整车节能潜力的重要保证。增程器的主要作用是提高整车的续驶里程，使得车辆满足较典型的日常平均出驶里程，如德国统计值为40km；另一方面，在电量不足的情况下，提供驱动的能源并为动力电池组充电。根据电动车的基本概念，将増程器的工作运转时间按照10%的占空比而设计。鉴于上述使用目的和设计理念，増程器在设计过程中应满足新的特殊要求和产品特点，而不必遵循传统发动机的设计要求和使用特点。増程器的主要设计要求如下：1）因为大而重的电池是储存能量的主要方式，所以増程器的集成设计及其重量是关键的参数；2）由于电动汽车具有极低的NVH水平，所以对于NVH的要求极其关键；3）需要极高的可靠性，特别是在平常的启动和重新启动操作中；4）成本需要控制在极低的水平；5）车辆需要为整车热管理提供支持；由于增程器是由“内燃机+发电机”组成的车载发电机组，增程器势必会产生少量残余排放，还有增程器的频繁起动以及将增程器冷起动阶段的排放降下来，因此，强化增程器废气排放系统，热管理控制系统起着重要作用。目前可用的热管理方法有兰金循环方法、缩短预热阶段的热能管理系统及加热型催化转化器等方法。6）必须满足排放法规的要求，频繁的重新启动以及较窄范围内的运行都会影响到排气温度曲线；7）启动时间要求可以降低；8）满足燃料效率要求；9）满足车辆不同尺寸要求的产品可扩展性；10）由于大的电池储量，所需的负载响应时间可以增加。增程器类型的选择很大程度上受目标车辆的定位影响，可根据重量、装配、NVH、效率、排放