【技研】增程式电动汽车开发及应用前景
目前，对增程式电动车的定义有些模糊，在世界范围内尚没有一个严格的定义。如图一所示，我把我们国家以及美国对增程式电动车的定义及六个关键词列了出来：电动汽车、纯电续航里程、延长续航里程、辅助电动力单元、无机械动力链接和低排放。增程式电动汽车首先是一个电动汽车；什么是电动汽车，电动汽车就是用电动机驱动车轮的汽车，而且电动机是唯一的机械动力的单元。其次，对增程式电动汽车有纯电续航里程的要求，电池是必须的，它的电量一般由续航里程决定。在这方面中国和美国的差别蛮大的，我们国家对纯电续航里程要求是80公里，美国要求至少120公里。然后，一旦电池电量用完了，需要一种方法把续航里程延长，其实就是解决用户最关心的续航里程问题。 
为了延长续航里程，最朴素、最直观和最现实的做法是增加一套发电系统，它既可以给电池充电，同时还可以直接给主驱电机供电，达到直接驱动主驱电机的目的，这就是所谓的辅助电动力单元。尽管增加了一套额外的装置及附件系统，但由于电池电量的减小，一般约为纯电车的1/3左右，整车的制造陈本可降低10%左右。除了可有效解决里程焦虑问题外，增程式电动车还解决了目前纯电车固有的充电难、安全性差和成本高等问题，所以被公认是向纯电车过渡的有效技术方案之一，在国内外引起了广泛的关注。针对辅助动力单元通常有两个基本要求：一是有非常严格的排放要求，不能超标，不同国家和地区在不同的时间有不同的要求；二是不能有机械动力的连接，所以为什么说增程式电动汽车仍然是电动汽车。 客观上讲，用于增程式电动汽车的辅助电动力单元，目前技术上比较成熟是基于内燃机的发电系统，其他技术也可以用于增程目的，如燃料电池、空压机、飞轮等，只要能发电，都可以考虑。图二是一个非常典型的增程式电动汽车的结构架图，右上角绿色方框图代表的是辅助动力单元（Auxiliary Power Unit），在业内大家都叫它增程器。如前所述，这个增程器可以采用各种各样的能源，但从技术成熟度来看，还是基于燃油发动机的增程器比较容易实用化和产业化，图二所示的正是基于燃油发动机的增程式电动汽车的基本架构。增程器内部有两个最主要的单元：发动机（Engine）和发电机（Generator），它们有各自的控制单元器，EMS以及GCU。右上角APU是增程器控制器，用于控制整个增程器，当电池电量不够时，它可以启动发动机，由发电机向电池充电，同时给主驱动电机提供电动力。APU的另一个主要功能是优化发动机和发电机的工况，保证增程器的高效运行，这在增程式控制方面是非常重要的一环。 
增程式电动汽车和插电式混合动力汽车之间，到底哪一个更好，在产品路线层面上国内外都存在分歧，尤其是对增程式电动车技术路线褒贬不一。我们做了一些比较工作，在这里与大家分享一下，尽量争取客观一些，最终结论由大家自己来选择。 
为便于比较，图三示意了纯电动、增程和插电等三种常见的架构。与纯电相比，可以明显看到，增程多了个增程器，它们的主驱动部分完全相同，即车轮仅由主驱动电机驱动，两者的主驱动电机功率相同；与纯电和增程相比，插电有两个机械动力源，电机和发动机，也就是说发动机和电机可以同时驱动车轮，就是所谓的混动。从概念上理解，混动一定要有两个或两个以上的动力源；如果只有一个动力源，一定不是混动，它要么是纯电，要么是纯油。正因为插电可以由发动机和发电机同时驱动，电机功率可以小一些；另外，电池的容量要求也要小的多。因此，插电的成本相对来说会低一些，后面会有详细的成本比较。但是，插电需要一个高性能变速器，目前想找一款比较好的国产变速器仍然不太容易，是插电面临的一个难题。就整车设计普遍关心的一些要点，图一对纯电﹑增程和插电做了定性比较。仅从结构上看，增程相对简单一点，但其主驱动电机的功率要较插电大的多，会增加整车的设计成本。从系统效率来看，插电在高速巡航情况下会较增程好一些。 
就大家对新能源汽车普遍关心的问题，表二对纯电﹑增程和插电做了较为全面的比较。显然，增程和插电均没有里程焦虑问题，与纯电一样，增程基本上没有没有限行问题，但插电在很多城市是被限行的。技术瓶颈方面，相对来说插电要复杂一些，确实也存在很多技术壁垒，一方面是由于国外的专利，另一方面没要技术积累，我们需要花时间来摸索。表三是针对纯电﹑增程和插电的成本估算，三款车的载重和几何尺寸都差不多，动力性和经济性要求也大致相同。这是我们自己内部做的测算，可以看出插电和增程在成本上的差别主要在于电池和变速器。总的说来，插电在成本上是有一定优势的，在性能上也略好于增程，但在开发方面难度较大。 
个人认为，任何一种技术方案都有它的优势，也有它的劣势；至于采用哪种技术路线，需要加强调研，没有调查研究和详实的分析，就不应该有发言权。企业要根据自身的实际条件、研发能力及产品市场定位来制定技术路线，不能采用拿来主义，无论哪种技术路线都需要长期的投入，产品开发是个不断完善和经验积累的过程，没有捷径好走，不要老想着弯道超车。另外，任何一种技术路线都不可能包打天下，不能人云亦云轻率地采用一个大家都说好的技术路线，也不能武断地否定一个大家有争议的技术路线。就增程而言，国内外很多企业都在做，如果把增程做到极致，其综合性能基本上可以与任何混动方案相媲美。 
图四列出了国内外推出的增程式电动汽车，国内以理想One为代表，国外以Nissan Note e-Power 为代表。 表四列出了国内增程式电动汽车的整车性能参数，这些参数均是从公开发布的资料获取的，有些尚不明确，给大家做个参考。大致可以看出，国内的产品基本覆盖了大、中、小型乘用车，纯电续航里程均不低于80 km，总续航里程大都在500 km 以上，主要由油箱的大小来定；B状态燃料消耗量变化范围比较大，但工信部加权油耗都比较低。 
表五列出了国内增程式电动汽车动力部件参数，整车厂发布的公告是主要数据来源，不是很全。显然，小排量发动机是主流，以三缸和四缸机为主，但没有发动机万有曲线信息，很难判断其效率特性，我们相信最高效率应该不低。在业界有一个共识，对增程式电动汽车来说，关键是要有高效发动机；没有高效发动机，就不要考虑增程方案，否则一定是做一个失败一个。发电机方面，考虑到效率提升，基本上都采用永磁同步发电机。动力电池方面，以三元锂电为主，应该都是功率型。 
表六列出了国外增程式电动汽车的主要整车性能参数，与我国不同，国外增程以小型车为主，中大型车增程确实不多，当然在一些商用车和专用车应用领域也有增程，这不在这里讨论。从该表可以看出，纯电续航里程变化较大，好像没具体的标准，但总续航里程与我国一样，大都高于500 km，以突出增程的特点。 
表七列出了国外增程式电动汽车的动力部件参数，值得注意的一点是国外发动机方案比较多元化，有两缸、三缸、四缸，部分采用阿特金森循环来提升效率，也有公司也采用转子发动机技术来提升效率，增程式电动汽车的关键仍然是发动机。 
图五是国外对增程式电动汽车的市场预测，上半部分是英国里卡多公司的预测，下半部分是美国一家咨询公司的预测。从里卡多的预测可以看出，目前国外有四家主机厂在量产增程式电动汽车，尼桑、宝马、马自达和福特；另外，增程式电动汽车的主要市场在中国、北美、欧洲和日本。从美国咨询公司的预测来看，到2028年，也就是今后十年，增程式电动汽车的总销量每年将达到1100万辆；如果按全球年产量一亿来算，增程式电动汽车将达到10% 的市场份额，包括公共交通、私人交通以及军事等领域；另外，增程式电动车在军事上的应用非常广泛，而且已经有很长的一段历史了。需要说明的是，这里所说的增程，包括各种各样的方案，如前面提到的飞轮、甲烷、燃料电池、酒精等等，各种发电方式都可以用于增程目的；他们的结论是，增程式电动汽车今后应该是新能源汽车的主要技术路线之一。这里值得一提的是日本，在过去的几年里，尼桑的Note ePower 已经取得了良好的市场效果，他们在把增程方案用于其他车型，进一步扩展市场份额；马自达也在加速其在增程式电动汽车方面的布局，并已经有了量产计划。总之，市场是检验技术路线的主要标准，增程式电动汽车是否能承载人们的期待，需要时间和市场来验证。 
汉腾汽车是一家新的车企，成立于2013年，今年是我们的第六个年头。汉腾不仅生产传统油车，同时也研发和制造、销售新能源汽车；在生产整车的同时，我们在关键核心零部件方面也下了很多的功夫。 
如图六所示，汉腾有四家子公司，腾勒动力、精骏电控、麦可斯韦和优特技术，分别从事发动机、电机和电控、动力总成和动力电池及BMS的研发和制造，目前均有成熟产品出售。汉腾在2017年就开始调研增程式电动汽车技术和市场，2018年与英国里卡多公司合作，联合开发系列化增程器，以搭载汉腾的乘用车。里卡多是宝马I3增程器发动机的设计者，在高效发动机设计和增程器应用方面有较好的技术积累和丰富的整车搭载经验，这是我们与里卡多合作的主要原因。汉腾已经制定了增程式电动汽车动力总成系统的详细开发流程，从预案、选型、性能分析、设计、整车搭载、详细设计、评审、样品加工、样机测试直到整车标定，每一个环节都有自己相应的设计要素，同时针对每一个要素均都有详细的实验验证，在整个产品开发过程中形成闭环，保证产品的可靠性。 就增程器而言，它是个非常复杂的系统，在设计上不仅仅要考虑效率、安全、成本、可靠性，同时还要考虑轻量化以及制造一致性等因素。因为其复杂性，如图七所示，我们将增程器的开发工作分为五个子任务：测试评估、专用发动机设计、专用发电机设计、发动机和发电机的一体化、整车搭载优化设计。在控制方面，增程器控制器APU和发电机控制器GCU是主要的研发对象。 
图八示意了我们在增程器开发中采用的一些主要技术，来实现高效化、轻量化、安全性、可靠性等目标，并解决增程器的一些共性问题，如NVH等。 
功能安全是一个新的概念，其实十年前，在座的汽车界工作者都知道，很多功能安全的内容当时就已经实施了，只是现在把功能安全又重新定义了一下，这是件好事，因为重新定义以后，我们就有了国际标准，就有了ISO26262。在功能安全方面，从概念设计到产品下线，我们的增程器设计基本上是按照ISO26262标准来实施的，如图九所示。 
就增程器而言，除了发动机设计，最主要的就是增程器控制策略设计。整车运行时，如何控制发动机和发电机满足司机的驾驶需求，是APU的首要任务。这个控制策略非常重要，其核心是目标功率决策。如何在不同工况下确定增程器的输出功率，有各方面的考量，在满足诸多性能指标的情况下，如效率指标和NVH指标，既要考虑增程器自身的能力限制，还要考虑各零部件的实际工作条件及它们之间的协调，图十示意了基于功率跟随的发动机工作点的简要确定方法。 
目标功率设定之后，还有两个事情需要做：1. 确定目标转速和目标转距，发动机和发电机是直连的，一个是工作在转矩控制模式，一个是工作在转速控制模式；大家的做法不一样，我们要求发电机处于转速控制模式，发动机处于转矩控制模式；目标功率确定以后，下一步需要确定发动机的转距和发电机的转速。APU根据当前工作模式和自身最大能力，对VCU请求功率进行限制，根据发动机最佳工作曲线及NVH限制，将目标功率分解成目标扭矩和目标转速，分别分配给发动机和发电机，并计算系统实际发电功率与目标功率偏差，通过调节发动机扭矩实现功率闭环；2. 如何启动和停止发动机，APU接到启动指令后，由发电机通过转速模式将发动机带到目标转速，再使能发动机喷油点火；APU接到停机指令后，直接请求发动机断油，发动机自行降扭；待发动机扭矩降至0，请求发电机由转速模式切换为扭矩模式，将发电机扭矩由当前值降至0。 任何整车都有NVH的问题，也是增程式电动汽车碰到的主要问题。这里把常见的几个NVH问题列了出来，不仅对它们做了基本的描述，也把它们产生的原因和常用对策加以说明，如表八所示。 
基于目前发动机设计和制造水平，为提高效率，比较靠谱的是阿特金森循环，还要考虑排放以及震动噪声等一系列问题。 发电机和发动机一样，就是要强调高效率；另外，由于发电机和发动机采用直联方式，发动机将震动会全部传递给发电机，所以对于发电机的结构强度要求非常高；其次，由于发电机和发动机完全机械耦合，发动机产生的热也会传过来；尤其是在前舱，工作环境比较恶劣，因而对发电机的可靠性要求非常高；再者，由于前舱体积限制，发电机的功率密度要尽可能的高。把发电机做好，需要从各个方面下功夫。我们采用扁平化技术方案，在材料选型、制造工艺、结构设计和热处理等方面想了很多办法，达到高效、高强度、高可靠性及高功率密度的目的。 很多整车厂都尝试过增程式电动车，大部分都反应电池寿命短的问题。大致原因可以总结为以下几点： 1. 电池的选型，一般需要功率型；2. 热处理方面没有做好；3. 电池充放电过于频繁，APU控制策略缺失。 目前国内外还没有专门针对增程器的测试标准，我们根据国家已经发布的针对发动机、电机和功能安全的一些标准，制定汉腾内部增程器测试规范，包括五大类：性能测试、输入输出特性、环境、耐久和功能安全。测试标准方面我们还要继续下功夫，把需要做的项目进一步完善，满足增程器的整车搭载要求。 作为一个技术路线，增程式电动汽车确实解决了目前纯电动汽车存在的一些焦虑问题，如里程焦虑、充电焦虑、成本焦虑和安全焦虑等。目前，市场上真正的量产的增程式电动汽车确实很少，但根据已经公开的信息，国内外很多主机厂都在做。比较突出的是尼桑，尼桑会把增程技术推广到更多的车型；还有马自达，马自达采用转子发动机，明年就有量产计划，这两家公司都在非常认真做增程产品。他们这么做自然有他们的道理，我们不能盲从，但是作为一个方案我们不能轻易放弃。与其他混动方案相比，虽然增程结构简单，但技术开发一点都不简单，无论开发哪一种技术都不容易，都需要长期的坚持和投入。任何一种方案都不可能包打天下，我们应该争取把每一种技术都做到极致，才能把产品做好，最终的检验标准还是市场。再次强调一下，对增程式电动汽车而言，一定要有高效发动机和高效发电机，还要把它们之间的协同控制做好。
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首次发布时间：2022-10-22
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