淺談增程式電動(dòng)汽車的原理與發(fā)展前景

趙陳闖,嚴(yán)慈磊,劉 翔（長(zhǎng)安大學(xué) 汽車學(xué)院,西安 710064）

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淺談增程式電動(dòng)汽車的原理與發(fā)展前景

趙陳闖,嚴(yán)慈磊,劉 翔
（長(zhǎng)安大學(xué) 汽車學(xué)院,西安 710064）

摘 要：世界汽車工業(yè)的迅猛發(fā)展，與之而來(lái)的是能源短缺和環(huán)境污染，為此各國(guó)都在努力開發(fā)新能源汽車，增程式電動(dòng)汽車是電動(dòng)汽車的一種，本文主要從增程式電動(dòng)汽車的定義出發(fā)，著重闡述了其結(jié)構(gòu)、工作原理以及工作模式。并在文章后面比較了增程式電動(dòng)汽車與電動(dòng)汽車的區(qū)別，最后分析了未來(lái)增程式電動(dòng)汽車的發(fā)展方向。

關(guān)鍵詞：增程式電動(dòng)汽車；結(jié)構(gòu)原理；工作模式；發(fā)展前景

0 引言

隨著汽車的大量普及，環(huán)境污染帶來(lái)的大氣霧霾問題日益加劇，傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)型汽車已無(wú)法滿足新的排放法規(guī)的要求，為此世界各國(guó)都在研制清潔能源汽車，純電動(dòng)汽車由于燃料電池電動(dòng)汽車因?yàn)橹匾夹g(shù)還未完全取得突破加上成本費(fèi)用過(guò)于昂貴，目前還不能很好地推廣。歐美發(fā)達(dá)國(guó)家正在研發(fā)一種新的純電動(dòng)汽車模式—增程式純電驅(qū)動(dòng)汽車（Ex-tended-Range Electric Vehicle, EREV）,相比其它類型的電動(dòng)汽車，EREV具有較大優(yōu)勢(shì)。

1 EREV概述

1.1 EREV的定義及結(jié)構(gòu)

EREV是當(dāng)車載可充電儲(chǔ)能系統(tǒng)(RESS)能夠提供電能時(shí)，以純電動(dòng)汽車模式運(yùn)行，同時(shí)帶有一個(gè)僅當(dāng)RESS能量不足時(shí)啟動(dòng)工作的附加能量裝置的車輛。增程式電動(dòng)車是當(dāng)前電動(dòng)汽車主要的發(fā)展方向。它的出現(xiàn)是為了迎合純電動(dòng)汽車?yán)m(xù)駛里程短的問題，其除了傳統(tǒng)的動(dòng)力電池組外，還配備有發(fā)電機(jī)組（即增程器RE）,増程器主要由發(fā)動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)、控制系統(tǒng)及變頻器組成。通過(guò)消耗傳統(tǒng)的燃油發(fā)電來(lái)對(duì)汽車行駛過(guò)程中的電能進(jìn)行補(bǔ)償，或?qū)?dòng)力電池組進(jìn)行充電。其主要包括：大容量蓄電池、熱機(jī)+發(fā)電機(jī)組合、燃料電池系統(tǒng)等。增程式電動(dòng)汽車典型結(jié)構(gòu)如下圖1。

1.2 工作原理

當(dāng)動(dòng)力電池電量比較充足時(shí)，增程式電動(dòng)汽車一般工作在純電動(dòng)模式，此時(shí)EREV的動(dòng)力全部來(lái)源于動(dòng)力電池，相當(dāng)于純電動(dòng)汽車(RE未開啟)，此時(shí)真正實(shí)現(xiàn)了“零油耗，零排放”。當(dāng)動(dòng)力蓄電池的荷電狀態(tài)SOC（State Of Charge）低于某一設(shè)定值時(shí)，汽車便進(jìn)入增程模式，啟動(dòng)由發(fā)動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)和PWM整流器構(gòu)成的増程器（range extender或auxiliary power unit）,為車輛提供額外的電能以延長(zhǎng)續(xù)駛里程。此時(shí)，動(dòng)力蓄電池起増程器負(fù)荷調(diào)節(jié)作用，以滿足車輛的最大功率需求并吸收減速及下坡過(guò)程中（制動(dòng)過(guò)程）能量，同時(shí)増程器還應(yīng)當(dāng)按照動(dòng)力電池的SOC值提供適當(dāng)?shù)某潆姽β?，以避免整車的?dòng)力電池SOC下降至0，會(huì)影響到整車的最大功率需求。

2 增程式電動(dòng)汽車的工作模式

通常情況下，增程式電動(dòng)汽車的動(dòng)力電池存儲(chǔ)有足夠的電量，這時(shí)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的動(dòng)力來(lái)源主要是動(dòng)力電池。在一定的行駛時(shí)間范圍內(nèi)，汽車的行駛特性與純電動(dòng)汽車相同，真正實(shí)現(xiàn)了“零油耗，零污染，零排放”。當(dāng)動(dòng)力電池的SOC值下降到某一設(shè)定下限值后，車載發(fā)電機(jī)組（增程模式）開始工作，繼續(xù)延長(zhǎng)其續(xù)駛里程。增程式電動(dòng)汽車主要有以下三種工作模式：

（1）純電動(dòng)模式。汽車采用外面的充電樁或者使用普通家用電源插座為動(dòng)力電池充電，在動(dòng)力電池的使用容量范圍內(nèi)一直采用純電模式行駛，這時(shí)與普通的純電動(dòng)汽車沒有啥區(qū)別。

（2）混合動(dòng)力模式。增程式電動(dòng)汽車完全依賴于車上裝置的增程器(發(fā)電機(jī)組)來(lái)提供電能，動(dòng)力電池組只用來(lái)儲(chǔ)存能量、車輛起步和加速上坡以及汽車制動(dòng)時(shí)能量回收的作用，與插電式混合動(dòng)力汽車（plug-in hybrid vehicle）原理基本相同。

（3）增程式工作模式。車輛優(yōu)先使用外部設(shè)備提供的電能，當(dāng)電池SOC值降到一定值時(shí)，再使用車載發(fā)電機(jī)組提供的電能繼續(xù)行駛，實(shí)現(xiàn)了延長(zhǎng)車輛行駛里程的目的。

通過(guò)對(duì)增程式電動(dòng)汽車的三種工作模式的分析，可以看出增程式電動(dòng)車和純電動(dòng)車和串聯(lián)式混合動(dòng)力車（非插電式）有著明顯的不同，在能源緊缺、純電動(dòng)車技術(shù)瓶頸受制的時(shí)代，增程式電動(dòng)車無(wú)疑是最具發(fā)展前途的。

3 增程式電動(dòng)車與傳統(tǒng)混合電動(dòng)車的區(qū)別

一般來(lái)說(shuō)，純電動(dòng)汽車的能量全部來(lái)源于電池，現(xiàn)在為了滿足汽車整體性能要求和使用需求，電池技術(shù)的瓶頸嚴(yán)重限制了純電動(dòng)汽車的發(fā)展。而增程式電動(dòng)汽車能夠在車載動(dòng)力電池電量不足時(shí)，啟用増程器，有效彌補(bǔ)電池電不足導(dǎo)致的行駛里程不足。增程式電動(dòng)汽車（EREV）無(wú)論是在純電動(dòng)模式還是增程模式下，其車輪始終由電機(jī)驅(qū)動(dòng)，而傳統(tǒng)的混合電動(dòng)車工作在混合動(dòng)力模式下，其車輪是由發(fā)動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)共同驅(qū)動(dòng)，這個(gè)過(guò)程則需要很好的動(dòng)力耦合。

另一方面，增程式電動(dòng)汽車必須是串聯(lián)式混合動(dòng)力模式，而傳統(tǒng)的混合電動(dòng)車不僅可以是串聯(lián)式，又可以是并聯(lián)式或者混聯(lián)式混合動(dòng)力模式，單獨(dú)從使用性能看，EREV在設(shè)計(jì)之初就要考慮動(dòng)力電池與驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的匹配問題，才能很好地滿足前面定好的性能。而傳統(tǒng)的混合動(dòng)力車因?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)也參與驅(qū)動(dòng)的緣故，對(duì)電池與電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的匹配要求就沒有那么高。

4 增程式電動(dòng)汽車的未來(lái)的發(fā)展方向

增程式電動(dòng)車具有較低的燃油消耗率，另外電池的容量相對(duì)較小，使得車輛低成本，因此在對(duì)EREV的動(dòng)力電池進(jìn)行充電時(shí)可以選用小型的充電樁或者家用電源插座就可以，而不必采用更換電池的方法，節(jié)約了成本。

最近幾年研制的儲(chǔ)能元件超級(jí)電容，它的性能介于蓄電池和靜電電容器之間，它具有比靜電電容器高的能量密度和比動(dòng)力電池高的功能密度，非常適合于電動(dòng)汽車短時(shí)間內(nèi)的功率補(bǔ)償，使用超級(jí)電容與電池包組合成的復(fù)雜電源系統(tǒng)（如圖2）。是未來(lái)電動(dòng)汽車主要發(fā)展方向。

增程式電動(dòng)汽車特殊的動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，也就是只有驅(qū)動(dòng)電機(jī)與機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的連接，這樣的話。就為一種新型的制動(dòng)方式“截耦制動(dòng)（HAS-HEV）”的實(shí)施提供了很好的便利性，截耦制動(dòng)的大體思想為：汽車的腳制動(dòng)踏板只是作為一個(gè)信號(hào)輸出源，而不與傳統(tǒng)的機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)連接，當(dāng)系統(tǒng)判定出所需的制動(dòng)強(qiáng)度低于所設(shè)定的值時(shí)，系統(tǒng)所產(chǎn)生的制動(dòng)力矩全部由驅(qū)動(dòng)電機(jī)的反脫力生成，制動(dòng)能量能夠很好的被電機(jī)用來(lái)發(fā)電，能量回收效率很高。當(dāng)制動(dòng)強(qiáng)度高于一定值時(shí)，機(jī)械的制動(dòng)系統(tǒng)開始工作。截耦制動(dòng)也是未來(lái)電動(dòng)汽車發(fā)展的方向。

5 總結(jié)

目前我國(guó)對(duì)增程式電動(dòng)汽車的研究還處于起步階段，與國(guó)外相比，還有一定的技術(shù)差距，在研發(fā)設(shè)計(jì)過(guò)程中，需要對(duì)車輛的不同使用特性及使用環(huán)境加以全面的考慮，尤其是要對(duì)電池的荷電狀態(tài)特性、驅(qū)動(dòng)電機(jī)與電池的匹配、整車的控制策略等進(jìn)行更為深入的研究與探討。增程式電動(dòng)車具有低油耗、環(huán)境污染小、基礎(chǔ)設(shè)投入少的優(yōu)點(diǎn)，在目前汽車發(fā)展階段，和其它類型的電動(dòng)汽車相比，EREV具有更加顯而易見的優(yōu)勢(shì)，更受到各個(gè)汽車企業(yè)的普遍關(guān)注，市場(chǎng)前景很廣闊，定會(huì)得到大力推廣與使用。

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作者簡(jiǎn)介：趙陳闖（1991-），碩士研究生，研究方向：車輛工程專業(yè)。

DOI:10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.02.247