增程式電動汽車的定義 增程式電動汽車和插電式混合動力汽車對比

1、增程式電動汽車的定義

目前，對增程式電動車的定義有些模糊，在世界范圍內尚沒有一個嚴格的定義。如圖一所示，我把我們國家以及美國對增程式電動車的定義及六個關鍵詞列了出來：電動汽車、純電續航里程、延長續航里程、輔助電動力單元、無機械動力鏈接和低排放。增程式電動汽車首先是一個電動汽車;什么是電動汽車，電動汽車就是用電動機驅動車輪的汽車，而且電動機是唯一的機械動力的單元。其次，對增程式電動汽車有純電續航里程的要求，電池是必須的，它的電量一般由續航里程決定。在這方面中國和美國的差別蠻大的，我們國家對純電續航里程要求是80公里，美國要求至少120公里。然后，一旦電池電量用完了，需要一種方法把續航里程延長，其實就是解決用戶最關心的續航里程問題。

圖一 增程式電動汽車定義

為了延長續航里程，最樸素、最直觀和最現實的做法是增加一套發電系統，它既可以給電池充電，同時還可以直接給主驅電機供電，達到直接驅動主驅電機的目的，這就是所謂的輔助電動力單元。盡管增加了一套額外的裝置及附件系統，但由于電池電量的減小，一般約為純電車的1/3左右，整車的制造陳本可降低10%左右。除了可有效解決里程焦慮問題外，增程式電動車還解決了目前純電車固有的充電難、安全性差和成本高等問題，所以被公認是向純電車過渡的有效技術方案之一，在國內外引起了廣泛的關注。針對輔助動力單元通常有兩個基本要求：一是有非常嚴格的排放要求，不能超標，不同國家和地區在不同的時間有不同的要求;二是不能有機械動力的連接，所以為什么說增程式電動汽車仍然是電動汽車。

客觀上講，用于增程式電動汽車的輔助電動力單元，目前技術上比較成熟是基于內燃機的發電系統，其他技術也可以用于增程目的，如燃料電池、空壓機、飛輪等，只要能發電，都可以考慮。圖二是一個非常典型的增程式電動汽車的結構架圖，右上角綠色方框圖代表的是輔助動力單元(Auxiliary Power Unit)，在業內大家都叫它增程器。

如前所述，這個增程器可以采用各種各樣的能源，但從技術成熟度來看，還是基于燃油發動機的增程器比較容易實用化和產業化，圖二所示的正是基于燃油發動機的增程式電動汽車的基本架構。增程器內部有兩個最主要的單元：發動機(Engine)和發電機(Generator)，它們有各自的控制單元器，EMS以及GCU。右上角APU是增程器控制器，用于控制整個增程器，當電池電量不夠時，它可以啟動發動機，由發電機向電池充電，同時給主驅動電機提供電動力。APU的另一個主要功能是優化發動機和發電機的工況，保證增程器的高效運行，這在增程式控制方面是非常重要的一環。

圖二 增程式電動汽車架構

2、增程式電動汽車 vs. 插電式混合動力汽車

增程式電動汽車和插電式混合動力汽車之間，到底哪一個更好，在產品路線層面上國內外都存在分歧，尤其是對增程式電動車技術路線褒貶不一。我們做了一些比較工作，在這里與大家分享一下，盡量爭取客觀一些，最終結論由大家自己來選擇。

圖三 純電動、增程和插電架構對比

為便于比較，圖三示意了純電動、增程和插電等三種常見的架構。與純電相比，可以明顯看到，增程多了個增程器，它們的主驅動部分完全相同，即車輪僅由主驅動電機驅動，兩者的主驅動電機功率相同;與純電和增程相比，插電有兩個機械動力源，電機和發動機，也就是說發動機和電機可以同時驅動車輪，就是所謂的混動。

從概念上理解，混動一定要有兩個或兩個以上的動力源;如果只有一個動力源，一定不是混動，它要么是純電，要么是純油。正因為插電可以由發動機和發電機同時驅動，電機功率可以小一些;另外，電池的容量要求也要小的多。因此，插電的成本相對來說會低一些，后面會有詳細的成本比較。但是，插電需要一個高性能變速器，目前想找一款比較好的國產變速器仍然不太容易，是插電面臨的一個難題。就整車設計普遍關心的一些要點，圖一對純電﹑增程和插電做了定性比較。僅從結構上看，增程相對簡單一點，但其主驅動電機的功率要較插電大的多，會增加整車的設計成本。從系統效率來看，插電在高速巡航情況下會較增程好一些。

表一 純電﹑增程和插電比較

表二 純電﹑增程和插電比較

就大家對新能源汽車普遍關心的問題，表二對純電﹑增程和插電做了較為全面的比較。顯然，增程和插電均沒有里程焦慮問題，與純電一樣，增程基本上沒有沒有限行問題，但插電在很多城市是被限行的。技術瓶頸方面，相對來說插電要復雜一些，確實也存在很多技術壁壘，一方面是由于國外的專利，另一方面沒要技術積累，我們需要花時間來摸索。表三是針對純電﹑增程和插電的成本估算，三款車的載重和幾何尺寸都差不多，動力性和經濟性要求也大致相同。這是我們自己內部做的測算，可以看出插電和增程在成本上的差別主要在于電池和變速器?？偟恼f來，插電在成本上是有一定優勢的，在性能上也略好于增程，但在開發方面難度較大。

表三 純電﹑增程和插電的成本估算

個人認為，任何一種技術方案都有它的優勢，也有它的劣勢;至于采用哪種技術路線，需要加強調研，沒有調查研究和詳實的分析，就不應該有發言權。企業要根據自身的實際條件、研發能力及產品市場定位來制定技術路線，不能采用拿來主義，無論哪種技術路線都需要長期的投入，產品開發是個不斷完善和經驗積累的過程，沒有捷徑好走，不要老想著彎道超車。另外，任何一種技術路線都不可能包打天下，不能人云亦云輕率地采用一個大家都說好的技術路線，也不能武斷地否定一個大家有爭議的技術路線。就增程而言，國內外很多企業都在做，如果把增程做到極致，其綜合性能基本上可以與任何混動方案相媲美。

3、國內外主要增程式電動汽車

圖四列出了國內外推出的增程式電動汽車，國內以理想One為代表，國外以Nissan Note e-Power 為代表。

表四列出了國內增程式電動汽車的整車性能參數，這些參數均是從公開發布的資料獲取的，有些尚不明確，給大家做個參考。大致可以看出，國內的產品基本覆蓋了大、中、小型乘用車，純電續航里程均不低于80 km，總續航里程大都在500 km 以上，主要由油箱的大小來定;B狀態燃料消耗量變化范圍比較大，但工信部加權油耗都比較低。

表四 國內增程式電動汽車性能參數

表五列出了國內增程式電動汽車動力部件參數，整車廠發布的公告是主要數據來源，不是很全。顯然，小排量發動機是主流，以三缸和四缸機為主，但沒有發動機萬有曲線信息，很難判斷其效率特性，我們相信最高效率應該不低。在業界有一個共識，對增程式電動汽車來說，關鍵是要有高效發動機;沒有高效發動機，就不要考慮增程方案，否則一定是做一個失敗一個。發電機方面，考慮到效率提升，基本上都采用永磁同步發電機。動力電池方面，以三元鋰電為主，應該都是功率型。

表五 國內增程式電動汽車動力部件參數

表六列出了國外增程式電動汽車的主要整車性能參數，與我國不同，國外增程以小型車為主，中大型車增程確實不多，當然在一些商用車和專用車應用領域也有增程，這不在這里討論。從該表可以看出，純電續航里程變化較大，好像沒具體的標準，但總續航里程與我國一樣，大都高于500 km，以突出增程的特點。

表六 國內增程式電動汽車性能參數

表七列出了國外增程式電動汽車的動力部件參數，值得注意的一點是國外發動機方案比較多元化，有兩缸、三缸、四缸，部分采用阿特金森循環來提升效率，也有公司也采用轉子發動機技術來提升效率，增程式電動汽車的關鍵仍然是發動機。

表七 國內增程式電動汽車性能參數

4、增程式電動汽車市場預測

圖五是國外對增程式電動汽車的市場預測，上半部分是英國里卡多公司的預測，下半部分是美國一家咨詢公司的預測。從里卡多的預測可以看出，目前國外有四家主機廠在量產增程式電動汽車，尼桑、寶馬、馬自達和福特;另外，增程式電動汽車的主要市場在中國、北美、歐洲和日本。

從美國咨詢公司的預測來看，到2028年，也就是今后十年，增程式電動汽車的總銷量每年將達到1100萬輛;如果按全球年產量一億來算，增程式電動汽車將達到10% 的市場份額，包括公共交通、私人交通以及軍事等領域;另外，增程式電動車在軍事上的應用非常廣泛，而且已經有很長的一段歷史了。需要說明的是，這里所說的增程，包括各種各樣的方案，如前面提到的飛輪、甲烷、燃料電池、酒精等等，各種發電方式都可以用于增程目的;他們的結論是，增程式電動汽車今后應該是新能源汽車的主要技術路線之一。

這里值得一提的是日本，在過去的幾年里，尼桑的Note ePower 已經取得了良好的市場效果，他們在把增程方案用于其他車型，進一步擴展市場份額;馬自達也在加速其在增程式電動汽車方面的布局，并已經有了量產計劃?？傊?，市場是檢驗技術路線的主要標準，增程式電動汽車是否能承載人們的期待，需要時間和市場來驗證。

圖五 增程式電動汽車市場預測

5、漢騰增程式電動汽車開發

漢騰汽車是一家新的車企，成立于2013年，今年是我們的第六個年頭。漢騰不僅生產傳統油車，同時也研發和制造、銷售新能源汽車;在生產整車的同時，我們在關鍵核心零部件方面也下了很多的功夫。

圖六 漢騰汽車核心零部件布局

如圖六所示，漢騰有四家子公司，騰勒動力、精駿電控、麥可斯韋和優特技術，分別從事發動機、電機和電控、動力總成和動力電池及BMS的研發和制造，目前均有成熟產品出售。漢騰在2017年就開始調研增程式電動汽車技術和市場，2018年與英國里卡多公司合作，聯合開發系列化增程器，以搭載漢騰的乘用車。里卡多是寶馬I3增程器發動機的設計者，在高效發動機設計和增程器應用方面有較好的技術積累和豐富的整車搭載經驗，這是我們與里卡多合作的主要原因。

漢騰已經制定了增程式電動汽車動力總成系統的詳細開發流程，從預案、選型、性能分析、設計、整車搭載、詳細設計、評審、樣品加工、樣機測試直到整車標定，每一個環節都有自己相應的設計要素，同時針對每一個要素均都有詳細的實驗驗證，在整個產品開發過程中形成閉環，保證產品的可靠性。

就增程器而言，它是個非常復雜的系統，在設計上不僅僅要考慮效率、安全、成本、可靠性，同時還要考慮輕量化以及制造一致性等因素。因為其復雜性，如圖七所示，我們將增程器的開發工作分為五個子任務：測試評估、專用發動機設計、專用發電機設計、發動機和發電機的一體化、整車搭載優化設計。在控制方面，增程器控制器APU和發電機控制器GCU是主要的研發對象。

圖七 增程器開發任務分解

圖八示意了我們在增程器開發中采用的一些主要技術，來實現高效化、輕量化、安全性、可靠性等目標，并解決增程器的一些共性問題，如NVH等。

圖八 增程器開發中的主要技術

6、增程器開發要素

下面介紹一下我們在增程器開發方面的一些主要考量。

(1)功能安全

功能安全是一個新的概念，其實十年前，在座的汽車界工作者都知道，很多功能安全的內容當時就已經實施了，只是現在把功能安全又重新定義了一下，這是件好事，因為重新定義以后，我們就有了國際標準，就有了ISO26262。在功能安全方面，從概念設計到產品下線，我們的增程器設計基本上是按照ISO26262標準來實施的，如圖九所示。

圖九 APU功能安全設計

(2)增程器控制策略

就增程器而言，除了發動機設計，最主要的就是增程器控制策略設計。整車運行時，如何控制發動機和發電機滿足司機的駕駛需求，是APU的首要任務。這個控制策略非常重要，其核心是目標功率決策。如何在不同工況下確定增程器的輸出功率，有各方面的考量，在滿足諸多性能指標的情況下，如效率指標和NVH指標，既要考慮增程器自身的能力限制，還要考慮各零部件的實際工作條件及它們之間的協調，圖十示意了基于功率跟隨的發動機工作點的簡要確定方法。

圖十發動機工作范圍確定

目標功率設定之后，還有兩個事情需要做：1. 確定目標轉速和目標轉距，發動機和發電機是直連的，一個是工作在轉矩控制模式，一個是工作在轉速控制模式;大家的做法不一樣，我們要求發電機處于轉速控制模式，發動機處于轉矩控制模式;目標功率確定以后，下一步需要確定發動機的轉距和發電機的轉速。APU根據當前工作模式和自身最大能力，對VCU請求功率進行限制，根據發動機最佳工作曲線及NVH限制，將目標功率分解成目標扭矩和目標轉速，分別分配給發動機和發電機，并計算系統實際發電功率與目標功率偏差，通過調節發動機扭矩實現功率閉環;2. 如何啟動和停止發動機，APU接到啟動指令后，由發電機通過轉速模式將發動機帶到目標轉速，再使能發動機噴油點火;APU接到停機指令后，直接請求發動機斷油，發動機自行降扭;待發動機扭矩降至0，請求發電機由轉速模式切換為扭矩模式，將發電機扭矩由當前值降至0。

(3)NVH

任何整車都有NVH的問題，也是增程式電動汽車碰到的主要問題。這里把常見的幾個NVH問題列了出來，不僅對它們做了基本的描述，也把它們產生的原因和常用對策加以說明，如表八所示。

表八 增程器常見NVH問題

(4)高效發動機

基于目前發動機設計和制造水平，為提高效率，比較靠譜的是阿特金森循環，還要考慮排放以及震動噪聲等一系列問題。

(5)高效發電機

發電機和發動機一樣，就是要強調高效率;另外，由于發電機和發動機采用直聯方式，發動機將震動會全部傳遞給發電機，所以對于發電機的結構強度要求非常高;其次，由于發電機和發動機完全機械耦合，發動機產生的熱也會傳過來;尤其是在前艙，工作環境比較惡劣，因而對發電機的可靠性要求非常高;再者，由于前艙體積限制，發電機的功率密度要盡可能的高。把發電機做好，需要從各個方面下功夫。我們采用扁平化技術方案，在材料選型、制造工藝、結構設計和熱處理等方面想了很多辦法，達到高效、高強度、高可靠性及高功率密度的目的。

(6)動力電池

很多整車廠都嘗試過增程式電動車，大部分都反應電池壽命短的問題。大致原因可以總結為以下幾點：1. 電池的選型，一般需要功率型;2. 熱處理方面沒有做好;3. 電池充放電過于頻繁，APU控制策略缺失。

(7)測試標準

目前國內外還沒有專門針對增程器的測試標準，我們根據國家已經發布的針對發動機、電機和功能安全的一些標準，制定漢騰內部增程器測試規范，包括五大類：性能測試、輸入輸出特性、環境、耐久和功能安全。測試標準方面我們還要繼續下功夫，把需要做的項目進一步完善，滿足增程器的整車搭載要求。

7、總結

作為一個技術路線，增程式電動汽車確實解決了目前純電動汽車存在的一些焦慮問題，如里程焦慮、充電焦慮、成本焦慮和安全焦慮等。目前，市場上真正的量產的增程式電動汽車確實很少，但根據已經公開的信息，國內外很多主機廠都在做。比較突出的是尼桑，尼桑會把增程技術推廣到更多的車型;還有馬自達，馬自達采用轉子發動機，明年就有量產計劃，這兩家公司都在非常認真做增程產品。他們這么做自然有他們的道理，我們不能盲從，但是作為一個方案我們不能輕易放棄。與其他混動方案相比，雖然增程結構簡單，但技術開發一點都不簡單，無論開發哪一種技術都不容易，都需要長期的堅持和投入。任何一種方案都不可能包打天下，我們應該爭取把每一種技術都做到極致，才能把產品做好，最終的檢驗標準還是市場。再次強調一下，對增程式電動汽車而言，一定要有高效發動機和高效發電機，還要把它們之間的協同控制做好。

來源：ATC汽車技術會議

審核編輯：湯梓紅