摘要：增程式電動汽車又稱里程延長式電動汽車，作為純電動汽車的平穩過渡車型，以其效率高，電池容量小，不會因缺電拋錨等優點受到了廣泛的關注。該文針對燃油增程式電動汽車的動力部件選型、動力系統配置、系統協調控制與效率優化等關鍵技術問題進行了分析研究。對比分析國內外相關技術方案的同時，結合自主研發的一款增程式電動汽車進行了動力系統關鍵技術的探討。最後，展望了增程式電動汽車的技術發展，提出了幾個值得關注的相關重要研究課題與研究方向。
0 引言
面對日益嚴峻的氣候和能源形勢，電動汽車以其節能環保的巨大優勢，受到各國政府越來越多的重視。但是，當前動力電池存在價格高昂、能量密度較低，以及充電時間較長等問題，限制了電動汽車的大規模推廣應用。在動力電池短期內不能獲得較大性能提升的背景下，各種形式的混合動力汽車應運而生。其中，增程式電動汽車作為純電動汽車的平穩過渡車型，以其效率高、電池容量小，不會因缺電拋錨等優點受到了廣泛的關注。
增程式電動汽車是一種純電動驅動行駛的插電式串聯混合動力汽車，其動力系統由動力電池系統、動力驅動系統，以及增程器和整車控制系統組成。廣義的增程式電動汽車的增程器動力源應包含燃料電池、發動機等多種形式。本文主要論述以發動機為動力源的燃油增程式電動汽車，即狹義的增程式電動汽車。其與傳統燃油車相比，增程器的發動機能夠控制在最優工作狀態，具有排放量小的特點。與純電動汽車相比，所需電池容量要小很多，成本較低且不會缺電拋錨。與強混合動力車相比，電機與發動機沒有機械耦合，避免了頻繁的工作模式切換。而且，增程器輸出功率和電流可控，能夠採用更靈活的電池充放策略，有利於延長電池使用壽命 [1-2] 。
國家電動汽車科技發展“十二五”規劃將純電動汽車、增程式電動汽車和插電式混合動力汽車歸為一個大類，並制定了以小型純電動汽車關鍵技術研發作為純電動汽車產業化突破口，開發純電動和增程式小型轎車系列產品，實現大規模商業化的技術路線 [3] 。
國外，通用汽車的 VOLT 增程式電動汽車已經上市，歐寶也推出了自己的增程式電動廂式車。近期，寶馬、馬自達等汽車企業也加入了增程式電動汽車的研發和生產的行列。國內，增程式汽車的概念首先在南車時代電動、寧波神馬等企業的電動大巴上得到應用。長城、奇瑞、廣汽和北汽等汽車企業也相繼投入到了增程式電動汽車的研發當中 [4] 。
增程式電動汽車由於動力模塊的增加，整車的控制難度也相應地增加。增程式電動汽車整車的動力協調和最優控制，是增程式電動汽車的關鍵技術問題。尤其隨著增程式電動汽車的小型化，提高增程式電動汽車的經濟性能和單位效率變得尤為重要 [5-8] 。動力部件效率是增程式電動汽車整車效率的決定因素之一。由於增程模塊對電池充放電的影響，增程式電動汽車對電池的選型和控制策略也提出了新的要求。怎樣在變化的工況下提高驅動部件的效率，延長部件壽命，是增程式電動汽車的主要研究方向 [9-12] 。
增程式電動汽車與純電動和傳統混合動力相比，既有技術上的通用性，又有其特殊之處。下文將針對增程式電動汽車的動力部件選型、動力系統配置、系統協調控制與效率優化等關鍵技術問題進行分析。在對國內外最新的相關技術解決方案進行比較分析的同時，指出幾個今後值得關注的研究方向。
1 增程式電動汽車動力系統介紹
動力電池系統、動力驅動系統、增程器和整車控制系統是增程式電動汽車動力系統的 4 大重要組成部分。動力電池系統為電機驅動系統提供動力的同時，也為增程器發動機的啟動提供反拖電流；驅動系統為車輛提供動力輸出，由電機控制器接受整車控制器的命令控制車輛行駛；小排量的發動機和與之直接相連的發電機組成增程器，通過將發電機的交流電整流成與動力電池電壓相匹配的直流給動力電池充電；整車控制系統提供包括增程器的控制、駕駛員輸入信息處理、各動力部件的協調控制等整車控制功能。增程式電動汽車的動力系統結構如圖 1 所示 [1] 。
由於發動機並非常開狀態，也不直接參與動力輸出。增程式電動汽車與其他混合動力車在動力配置上，具有一定的區別。有別於傳統串聯混合車型採用較大的發動機來提供所有電力源，和較小的電池來實現能效的提高；增程式電動汽車的插電式充電模塊實現電池的外部充電，而只配置小功率的發電機滿足擴展里程需求。電池容量相對純電動要小，相對其他混合動力車要大。動力配置對比如圖 2 所示 [2, 12] 。
由於動力部件的增加，動力系統結構的改變，使得增程式電動汽車動力部件的選型標準具有自己的特點。雖然動力耦合的減少，減低了部分能量損耗；但頻繁的電力轉換也帶來了效率的降低。怎樣選擇動力部件類型、配置動力部件的參數，在保證系統動力性能的情況下使經濟性能最優，成為增程式電動汽車首先要解決的問題。
摘要：增程式電動汽車又稱里程延長式電動汽車，作為純電動汽車的平穩過渡車型，以其效率高，電池容量小，不會因缺電拋錨等優點受到了廣泛的關注。該文針對燃油增程式電動汽車的動力部件選型、動力系統配置、系統協調控制與效率優化等關鍵技術問題進行了分析研究。對比分析國內外相關技術方案的同時，結合自主研發的一款增程式電動汽車進行了動力系統關鍵技術的探討。最後，展望了增程式電動汽車的技術發展，提出了幾個值得關注的相關重要研究課題與研究方向。
0 引言
面對日益嚴峻的氣候和能源形勢，電動汽車以其節能環保的巨大優勢，受到各國政府越來越多的重視。但是，當前動力電池存在價格高昂、能量密度較低，以及充電時間較長等問題，限制了電動汽車的大規模推廣應用。在動力電池短期內不能獲得較大性能提升的背景下，各種形式的混合動力汽車應運而生。其中，增程式電動汽車作為純電動汽車的平穩過渡車型，以其效率高、電池容量小，不會因缺電拋錨等優點受到了廣泛的關注。
增程式電動汽車是一種純電動驅動行駛的插電式串聯混合動力汽車，其動力系統由動力電池系統、動力驅動系統，以及增程器和整車控制系統組成。廣義的增程式電動汽車的增程器動力源應包含燃料電池、發動機等多種形式。本文主要論述以發動機為動力源的燃油增程式電動汽車，即狹義的增程式電動汽車。其與傳統燃油車相比，增程器的發動機能夠控制在最優工作狀態，具有排放量小的特點。與純電動汽車相比，所需電池容量要小很多，成本較低且不會缺電拋錨。與強混合動力車相比，電機與發動機沒有機械耦合，避免了頻繁的工作模式切換。而且，增程器輸出功率和電流可控，能夠採用更靈活的電池充放策略，有利於延長電池使用壽命 [1-2] 。
國家電動汽車科技發展“十二五”規劃將純電動汽車、增程式電動汽車和插電式混合動力汽車歸為一個大類，並制定了以小型純電動汽車關鍵技術研發作為純電動汽車產業化突破口，開發純電動和增程式小型轎車系列產品，實現大規模商業化的技術路線 [3] 。
國外，通用汽車的 VOLT 增程式電動汽車已經上市，歐寶也推出了自己的增程式電動廂式車。近期，寶馬、馬自達等汽車企業也加入了增程式電動汽車的研發和生產的行列。國內，增程式汽車的概念首先在南車時代電動、寧波神馬等企業的電動大巴上得到應用。長城、奇瑞、廣汽和北汽等汽車企業也相繼投入到了增程式電動汽車的研發當中 [4] 。
增程式電動汽車由於動力模塊的增加，整車的控制難度也相應地增加。增程式電動汽車整車的動力協調和最優控制，是增程式電動汽車的關鍵技術問題。尤其隨著增程式電動汽車的小型化，提高增程式電動汽車的經濟性能和單位效率變得尤為重要 [5-8] 。動力部件效率是增程式電動汽車整車效率的決定因素之一。由於增程模塊對電池充放電的影響，增程式電動汽車對電池的選型和控制策略也提出了新的要求。怎樣在變化的工況下提高驅動部件的效率，延長部件壽命，是增程式電動汽車的主要研究方向 [9-12] 。
增程式電動汽車與純電動和傳統混合動力相比，既有技術上的通用性，又有其特殊之處。下文將針對增程式電動汽車的動力部件選型、動力系統配置、系統協調控制與效率優化等關鍵技術問題進行分析。在對國內外最新的相關技術解決方案進行比較分析的同時，指出幾個今後值得關注的研究方向。
1 增程式電動汽車動力系統介紹
動力電池系統、動力驅動系統、增程器和整車控制系統是增程式電動汽車動力系統的 4 大重要組成部分。動力電池系統為電機驅動系統提供動力的同時，也為增程器發動機的啟動提供反拖電流；驅動系統為車輛提供動力輸出，由電機控制器接受整車控制器的命令控制車輛行駛；小排量的發動機和與之直接相連的發電機組成增程器，通過將發電機的交流電整流成與動力電池電壓相匹配的直流給動力電池充電；整車控制系統提供包括增程器的控制、駕駛員輸入信息處理、各動力部件的協調控制等整車控制功能。增程式電動汽車的動力系統結構如圖 1 所示 [1] 。
由於發動機並非常開狀態，也不直接參與動力輸出。增程式電動汽車與其他混合動力車在動力配置上，具有一定的區別。有別於傳統串聯混合車型採用較大的發動機來提供所有電力源，和較小的電池來實現能效的提高；增程式電動汽車的插電式充電模塊實現電池的外部充電，而只配置小功率的發電機滿足擴展里程需求。電池容量相對純電動要小，相對其他混合動力車要大。動力配置對比如圖 2 所示 [2, 12] 。
由於動力部件的增加，動力系統結構的改變，使得增程式電動汽車動力部件的選型標準具有自己的特點。雖然動力耦合的減少，減低了部分能量損耗；但頻繁的電力轉換也帶來了效率的降低。怎樣選擇動力部件類型、配置動力部件的參數，在保證系統動力性能的情況下使經濟性能最優，成為增程式電動汽車首先要解決的問題。
摘要：增程式電動汽車又稱里程延長式電動汽車，作為純電動汽車的平穩過渡車型，以其效率高，電池容量小，不會因缺電拋錨等優點受到了廣泛的關注。該文針對燃油增程式電動汽車的動力部件選型、動力系統配置、系統協調控制與效率優化等關鍵技術問題進行了分析研究。對比分析國內外相關技術方案的同時，結合自主研發的一款增程式電動汽車進行了動力系統關鍵技術的探討。最後，展望了增程式電動汽車的技術發展，提出了幾個值得關注的相關重要研究課題與研究方向。
0 引言
面對日益嚴峻的氣候和能源形勢，電動汽車以其節能環保的巨大優勢，受到各國政府越來越多的重視。但是，當前動力電池存在價格高昂、能量密度較低，以及充電時間較長等問題，限制了電動汽車的大規模推廣應用。在動力電池短期內不能獲得較大性能提升的背景下，各種形式的混合動力汽車應運而生。其中，增程式電動汽車作為純電動汽車的平穩過渡車型，以其效率高、電池容量小，不會因缺電拋錨等優點受到了廣泛的關注。
增程式電動汽車是一種純電動驅動行駛的插電式串聯混合動力汽車，其動力系統由動力電池系統、動力驅動系統，以及增程器和整車控制系統組成。廣義的增程式電動汽車的增程器動力源應包含燃料電池、發動機等多種形式。本文主要論述以發動機為動力源的燃油增程式電動汽車，即狹義的增程式電動汽車。其與傳統燃油車相比，增程器的發動機能夠控制在最優工作狀態，具有排放量小的特點。與純電動汽車相比，所需電池容量要小很多，成本較低且不會缺電拋錨。與強混合動力車相比，電機與發動機沒有機械耦合，避免了頻繁的工作模式切換。而且，增程器輸出功率和電流可控，能夠採用更靈活的電池充放策略，有利於延長電池使用壽命 [1-2] 。
國家電動汽車科技發展“十二五”規劃將純電動汽車、增程式電動汽車和插電式混合動力汽車歸為一個大類，並制定了以小型純電動汽車關鍵技術研發作為純電動汽車產業化突破口，開發純電動和增程式小型轎車系列產品，實現大規模商業化的技術路線 [3] 。
國外，通用汽車的 VOLT 增程式電動汽車已經上市，歐寶也推出了自己的增程式電動廂式車。近期，寶馬、馬自達等汽車企業也加入了增程式電動汽車的研發和生產的行列。國內，增程式汽車的概念首先在南車時代電動、寧波神馬等企業的電動大巴上得到應用。長城、奇瑞、廣汽和北汽等汽車企業也相繼投入到了增程式電動汽車的研發當中 [4] 。
增程式電動汽車由於動力模塊的增加，整車的控制難度也相應地增加。增程式電動汽車整車的動力協調和最優控制，是增程式電動汽車的關鍵技術問題。尤其隨著增程式電動汽車的小型化，提高增程式電動汽車的經濟性能和單位效率變得尤為重要 [5-8] 。動力部件效率是增程式電動汽車整車效率的決定因素之一。由於增程模塊對電池充放電的影響，增程式電動汽車對電池的選型和控制策略也提出了新的要求。怎樣在變化的工況下提高驅動部件的效率，延長部件壽命，是增程式電動汽車的主要研究方向 [9-12] 。
增程式電動汽車與純電動和傳統混合動力相比，既有技術上的通用性，又有其特殊之處。下文將針對增程式電動汽車的動力部件選型、動力系統配置、系統協調控制與效率優化等關鍵技術問題進行分析。在對國內外最新的相關技術解決方案進行比較分析的同時，指出幾個今後值得關注的研究方向。
1 增程式電動汽車動力系統介紹
動力電池系統、動力驅動系統、增程器和整車控制系統是增程式電動汽車動力系統的 4 大重要組成部分。動力電池系統為電機驅動系統提供動力的同時，也為增程器發動機的啟動提供反拖電流；驅動系統為車輛提供動力輸出，由電機控制器接受整車控制器的命令控制車輛行駛；小排量的發動機和與之直接相連的發電機組成增程器，通過將發電機的交流電整流成與動力電池電壓相匹配的直流給動力電池充電；整車控制系統提供包括增程器的控制、駕駛員輸入信息處理、各動力部件的協調控制等整車控制功能。增程式電動汽車的動力系統結構如圖 1 所示 [1] 。
由於發動機並非常開狀態，也不直接參與動力輸出。增程式電動汽車與其他混合動力車在動力配置上，具有一定的區別。有別於傳統串聯混合車型採用較大的發動機來提供所有電力源，和較小的電池來實現能效的提高；增程式電動汽車的插電式充電模塊實現電池的外部充電，而只配置小功率的發電機滿足擴展里程需求。電池容量相對純電動要小，相對其他混合動力車要大。動力配置對比如圖 2 所示 [2, 12] 。
由於動力部件的增加，動力系統結構的改變，使得增程式電動汽車動力部件的選型標準具有自己的特點。雖然動力耦合的減少，減低了部分能量損耗；但頻繁的電力轉換也帶來了效率的降低。怎樣選擇動力部件類型、配置動力部件的參數，在保證系統動力性能的情況下使經濟性能最優，成為增程式電動汽車首先要解決的問題。
2 增程式電動汽車動力部件的選型比較
2.1 驅動電機的選型比較
增程式電動汽車驅動電機的配置與純電動汽車的配置相同 [13-14] 。電動汽車比較高效，且常用的驅動電機有交流三相感應電機 ( 以下簡稱感應電機 ) 、表貼永磁同步電機、內置式永磁同步電機、開關磁阻電機等。感應電機具有應用廣泛、維修方便等優點；但也存在功率因素較低、變壓變頻控制較複雜的缺點。永磁交流同步電機具有較高的效率和較好的動力特性；但存在著製造工藝複雜，受成本影響比較大等問題。對於永磁交流同步電機而言，內置式永磁同步電機特性要優於表貼永磁同步電機，但電機複雜度卻增加很多。開關磁阻電機結構簡單、抗擾性強，但存在轉矩脈衝和噪聲，以及振動問題 [15] 。以雙凸極永磁電機為代表的定子永磁電機對上述優點進行了融合，雖然增加了複雜度，也是電機的可選方案之一 [16-17] 。
增程式電動車以純電驅動為主的城市道路作為主要應用環境，電機效率和功率密度被作為主要考量標準。在相似工況環境和驅動系統功率情況下，幾種適用電動車的驅動電機效率比較如圖 3 所示。由於電機的性能受到氣隙、極弧係數、磁鋼性能、極對數等因素的影響，電機的優劣比較具有較大爭議。儘管如此，內置式永磁同步電機效率高、調速範圍寬的優勢仍然得以體現，是當前增程式電動汽車驅動電機的較優選擇 [18] 。
2.2 動力電池的選型比較
電池技術是電動汽車發展的主要瓶頸技術。伴隨著陽極材料、陰極材料、隔膜以及電解液材料等電池主要部件的新材料和新工藝的研發，電池性能不斷得到提升。不同材料的電壓和容量的特性如圖 4 所示 [19-20] 。
鋰電池磷酸鐵鋰、鈷酸鋰、錳酸鋰及其複合材料是當前動力電池正極材料的主流。其中，磷酸鐵鋰電池相對於鈷酸鋰、錳酸鋰具有較高的比容量，較長的壽命週期和較低的成本。負極材料中，碳和石墨材料是主流，鈦酸鋰、鋰單質負極材料也已經得到應用。磷酸鐵鋰和碳材料組成的電池單體，是當前增程式電動汽車電池較為理想的選擇 [21] 。隨著三元複合材料、固溶體材料組成的新型電池，以及金屬鋰材料組成的空氣鋰電池技術的完善與推廣，將會帶來動力電池性能的大幅提升，也是未來增程式和純電動汽車動力電池的發展趨勢 [22] 。
摘要：增程式電動汽車又稱里程延長式電動汽車，作為純電動汽車的平穩過渡車型，以其效率高，電池容量小，不會因缺電拋錨等優點受到了廣泛的關注。該文針對燃油增程式電動汽車的動力部件選型、動力系統配置、系統協調控制與效率優化等關鍵技術問題進行了分析研究。對比分析國內外相關技術方案的同時，結合自主研發的一款增程式電動汽車進行了動力系統關鍵技術的探討。最後，展望了增程式電動汽車的技術發展，提出了幾個值得關注的相關重要研究課題與研究方向。
0 引言
面對日益嚴峻的氣候和能源形勢，電動汽車以其節能環保的巨大優勢，受到各國政府越來越多的重視。但是，當前動力電池存在價格高昂、能量密度較低，以及充電時間較長等問題，限制了電動汽車的大規模推廣應用。在動力電池短期內不能獲得較大性能提升的背景下，各種形式的混合動力汽車應運而生。其中，增程式電動汽車作為純電動汽車的平穩過渡車型，以其效率高、電池容量小，不會因缺電拋錨等優點受到了廣泛的關注。
增程式電動汽車是一種純電動驅動行駛的插電式串聯混合動力汽車，其動力系統由動力電池系統、動力驅動系統，以及增程器和整車控制系統組成。廣義的增程式電動汽車的增程器動力源應包含燃料電池、發動機等多種形式。本文主要論述以發動機為動力源的燃油增程式電動汽車，即狹義的增程式電動汽車。其與傳統燃油車相比，增程器的發動機能夠控制在最優工作狀態，具有排放量小的特點。與純電動汽車相比，所需電池容量要小很多，成本較低且不會缺電拋錨。與強混合動力車相比，電機與發動機沒有機械耦合，避免了頻繁的工作模式切換。而且，增程器輸出功率和電流可控，能夠採用更靈活的電池充放策略，有利於延長電池使用壽命 [1-2] 。
國家電動汽車科技發展“十二五”規劃將純電動汽車、增程式電動汽車和插電式混合動力汽車歸為一個大類，並制定了以小型純電動汽車關鍵技術研發作為純電動汽車產業化突破口，開發純電動和增程式小型轎車系列產品，實現大規模商業化的技術路線 [3] 。
國外，通用汽車的 VOLT 增程式電動汽車已經上市，歐寶也推出了自己的增程式電動廂式車。近期，寶馬、馬自達等汽車企業也加入了增程式電動汽車的研發和生產的行列。國內，增程式汽車的概念首先在南車時代電動、寧波神馬等企業的電動大巴上得到應用。長城、奇瑞、廣汽和北汽等汽車企業也相繼投入到了增程式電動汽車的研發當中 [4] 。
增程式電動汽車由於動力模塊的增加，整車的控制難度也相應地增加。增程式電動汽車整車的動力協調和最優控制，是增程式電動汽車的關鍵技術問題。尤其隨著增程式電動汽車的小型化，提高增程式電動汽車的經濟性能和單位效率變得尤為重要 [5-8] 。動力部件效率是增程式電動汽車整車效率的決定因素之一。由於增程模塊對電池充放電的影響，增程式電動汽車對電池的選型和控制策略也提出了新的要求。怎樣在變化的工況下提高驅動部件的效率，延長部件壽命，是增程式電動汽車的主要研究方向 [9-12] 。
增程式電動汽車與純電動和傳統混合動力相比，既有技術上的通用性，又有其特殊之處。下文將針對增程式電動汽車的動力部件選型、動力系統配置、系統協調控制與效率優化等關鍵技術問題進行分析。在對國內外最新的相關技術解決方案進行比較分析的同時，指出幾個今後值得關注的研究方向。
1 增程式電動汽車動力系統介紹
動力電池系統、動力驅動系統、增程器和整車控制系統是增程式電動汽車動力系統的 4 大重要組成部分。動力電池系統為電機驅動系統提供動力的同時，也為增程器發動機的啟動提供反拖電流；驅動系統為車輛提供動力輸出，由電機控制器接受整車控制器的命令控制車輛行駛；小排量的發動機和與之直接相連的發電機組成增程器，通過將發電機的交流電整流成與動力電池電壓相匹配的直流給動力電池充電；整車控制系統提供包括增程器的控制、駕駛員輸入信息處理、各動力部件的協調控制等整車控制功能。增程式電動汽車的動力系統結構如圖 1 所示 [1] 。
由於發動機並非常開狀態，也不直接參與動力輸出。增程式電動汽車與其他混合動力車在動力配置上，具有一定的區別。有別於傳統串聯混合車型採用較大的發動機來提供所有電力源，和較小的電池來實現能效的提高；增程式電動汽車的插電式充電模塊實現電池的外部充電，而只配置小功率的發電機滿足擴展里程需求。電池容量相對純電動要小，相對其他混合動力車要大。動力配置對比如圖 2 所示 [2, 12] 。
由於動力部件的增加，動力系統結構的改變，使得增程式電動汽車動力部件的選型標準具有自己的特點。雖然動力耦合的減少，減低了部分能量損耗；但頻繁的電力轉換也帶來了效率的降低。怎樣選擇動力部件類型、配置動力部件的參數，在保證系統動力性能的情況下使經濟性能最優，成為增程式電動汽車首先要解決的問題。
2 增程式電動汽車動力部件的選型比較
2.1 驅動電機的選型比較
增程式電動汽車驅動電機的配置與純電動汽車的配置相同 [13-14] 。電動汽車比較高效，且常用的驅動電機有交流三相感應電機 ( 以下簡稱感應電機 ) 、表貼永磁同步電機、內置式永磁同步電機、開關磁阻電機等。感應電機具有應用廣泛、維修方便等優點；但也存在功率因素較低、變壓變頻控制較複雜的缺點。永磁交流同步電機具有較高的效率和較好的動力特性；但存在著製造工藝複雜，受成本影響比較大等問題。對於永磁交流同步電機而言，內置式永磁同步電機特性要優於表貼永磁同步電機，但電機複雜度卻增加很多。開關磁阻電機結構簡單、抗擾性強，但存在轉矩脈衝和噪聲，以及振動問題 [15] 。以雙凸極永磁電機為代表的定子永磁電機對上述優點進行了融合，雖然增加了複雜度，也是電機的可選方案之一 [16-17] 。
增程式電動車以純電驅動為主的城市道路作為主要應用環境，電機效率和功率密度被作為主要考量標準。在相似工況環境和驅動系統功率情況下，幾種適用電動車的驅動電機效率比較如圖 3 所示。由於電機的性能受到氣隙、極弧係數、磁鋼性能、極對數等因素的影響，電機的優劣比較具有較大爭議。儘管如此，內置式永磁同步電機效率高、調速範圍寬的優勢仍然得以體現，是當前增程式電動汽車驅動電機的較優選擇 [18] 。
2.2 動力電池的選型比較
電池技術是電動汽車發展的主要瓶頸技術。伴隨著陽極材料、陰極材料、隔膜以及電解液材料等電池主要部件的新材料和新工藝的研發，電池性能不斷得到提升。不同材料的電壓和容量的特性如圖 4 所示 [19-20] 。
鋰電池磷酸鐵鋰、鈷酸鋰、錳酸鋰及其複合材料是當前動力電池正極材料的主流。其中，磷酸鐵鋰電池相對於鈷酸鋰、錳酸鋰具有較高的比容量，較長的壽命週期和較低的成本。負極材料中，碳和石墨材料是主流，鈦酸鋰、鋰單質負極材料也已經得到應用。磷酸鐵鋰和碳材料組成的電池單體，是當前增程式電動汽車電池較為理想的選擇 [21] 。隨著三元複合材料、固溶體材料組成的新型電池，以及金屬鋰材料組成的空氣鋰電池技術的完善與推廣，將會帶來動力電池性能的大幅提升，也是未來增程式和純電動汽車動力電池的發展趨勢 [22] 。
2.3 增程器發動機的選型比較
由於增程式電動汽車的增程器用發動機只與發電機有機械連接，對發動機的工況和性能要求降低，發動機選型自由度增加。幾種可用型號發動機的振動噪聲 (noise vibration and harshness ， NVH) 等性能對比如表 1 所示。表 1 中，“ 0 ”為基準線；“+”表示好；“−”表示差。
摘要：增程式電動汽車又稱里程延長式電動汽車，作為純電動汽車的平穩過渡車型，以其效率高，電池容量小，不會因缺電拋錨等優點受到了廣泛的關注。該文針對燃油增程式電動汽車的動力部件選型、動力系統配置、系統協調控制與效率優化等關鍵技術問題進行了分析研究。對比分析國內外相關技術方案的同時，結合自主研發的一款增程式電動汽車進行了動力系統關鍵技術的探討。最後，展望了增程式電動汽車的技術發展，提出了幾個值得關注的相關重要研究課題與研究方向。
0 引言
面對日益嚴峻的氣候和能源形勢，電動汽車以其節能環保的巨大優勢，受到各國政府越來越多的重視。但是，當前動力電池存在價格高昂、能量密度較低，以及充電時間較長等問題，限制了電動汽車的大規模推廣應用。在動力電池短期內不能獲得較大性能提升的背景下，各種形式的混合動力汽車應運而生。其中，增程式電動汽車作為純電動汽車的平穩過渡車型，以其效率高、電池容量小，不會因缺電拋錨等優點受到了廣泛的關注。
增程式電動汽車是一種純電動驅動行駛的插電式串聯混合動力汽車，其動力系統由動力電池系統、動力驅動系統，以及增程器和整車控制系統組成。廣義的增程式電動汽車的增程器動力源應包含燃料電池、發動機等多種形式。本文主要論述以發動機為動力源的燃油增程式電動汽車，即狹義的增程式電動汽車。其與傳統燃油車相比，增程器的發動機能夠控制在最優工作狀態，具有排放量小的特點。與純電動汽車相比，所需電池容量要小很多，成本較低且不會缺電拋錨。與強混合動力車相比，電機與發動機沒有機械耦合，避免了頻繁的工作模式切換。而且，增程器輸出功率和電流可控，能夠採用更靈活的電池充放策略，有利於延長電池使用壽命 [1-2] 。
國家電動汽車科技發展“十二五”規劃將純電動汽車、增程式電動汽車和插電式混合動力汽車歸為一個大類，並制定了以小型純電動汽車關鍵技術研發作為純電動汽車產業化突破口，開發純電動和增程式小型轎車系列產品，實現大規模商業化的技術路線 [3] 。
國外，通用汽車的 VOLT 增程式電動汽車已經上市，歐寶也推出了自己的增程式電動廂式車。近期，寶馬、馬自達等汽車企業也加入了增程式電動汽車的研發和生產的行列。國內，增程式汽車的概念首先在南車時代電動、寧波神馬等企業的電動大巴上得到應用。長城、奇瑞、廣汽和北汽等汽車企業也相繼投入到了增程式電動汽車的研發當中 [4] 。
增程式電動汽車由於動力模塊的增加，整車的控制難度也相應地增加。增程式電動汽車整車的動力協調和最優控制，是增程式電動汽車的關鍵技術問題。尤其隨著增程式電動汽車的小型化，提高增程式電動汽車的經濟性能和單位效率變得尤為重要 [5-8] 。動力部件效率是增程式電動汽車整車效率的決定因素之一。由於增程模塊對電池充放電的影響，增程式電動汽車對電池的選型和控制策略也提出了新的要求。怎樣在變化的工況下提高驅動部件的效率，延長部件壽命，是增程式電動汽車的主要研究方向 [9-12] 。
增程式電動汽車與純電動和傳統混合動力相比，既有技術上的通用性，又有其特殊之處。下文將針對增程式電動汽車的動力部件選型、動力系統配置、系統協調控制與效率優化等關鍵技術問題進行分析。在對國內外最新的相關技術解決方案進行比較分析的同時，指出幾個今後值得關注的研究方向。
1 增程式電動汽車動力系統介紹
動力電池系統、動力驅動系統、增程器和整車控制系統是增程式電動汽車動力系統的 4 大重要組成部分。動力電池系統為電機驅動系統提供動力的同時，也為增程器發動機的啟動提供反拖電流；驅動系統為車輛提供動力輸出，由電機控制器接受整車控制器的命令控制車輛行駛；小排量的發動機和與之直接相連的發電機組成增程器，通過將發電機的交流電整流成與動力電池電壓相匹配的直流給動力電池充電；整車控制系統提供包括增程器的控制、駕駛員輸入信息處理、各動力部件的協調控制等整車控制功能。增程式電動汽車的動力系統結構如圖 1 所示 [1] 。
由於發動機並非常開狀態，也不直接參與動力輸出。增程式電動汽車與其他混合動力車在動力配置上，具有一定的區別。有別於傳統串聯混合車型採用較大的發動機來提供所有電力源，和較小的電池來實現能效的提高；增程式電動汽車的插電式充電模塊實現電池的外部充電，而只配置小功率的發電機滿足擴展里程需求。電池容量相對純電動要小，相對其他混合動力車要大。動力配置對比如圖 2 所示 [2, 12] 。
由於動力部件的增加，動力系統結構的改變，使得增程式電動汽車動力部件的選型標準具有自己的特點。雖然動力耦合的減少，減低了部分能量損耗；但頻繁的電力轉換也帶來了效率的降低。怎樣選擇動力部件類型、配置動力部件的參數，在保證系統動力性能的情況下使經濟性能最優，成為增程式電動汽車首先要解決的問題。
2 增程式電動汽車動力部件的選型比較
2.1 驅動電機的選型比較
增程式電動汽車驅動電機的配置與純電動汽車的配置相同 [13-14] 。電動汽車比較高效，且常用的驅動電機有交流三相感應電機 ( 以下簡稱感應電機 ) 、表貼永磁同步電機、內置式永磁同步電機、開關磁阻電機等。感應電機具有應用廣泛、維修方便等優點；但也存在功率因素較低、變壓變頻控制較複雜的缺點。永磁交流同步電機具有較高的效率和較好的動力特性；但存在著製造工藝複雜，受成本影響比較大等問題。對於永磁交流同步電機而言，內置式永磁同步電機特性要優於表貼永磁同步電機，但電機複雜度卻增加很多。開關磁阻電機結構簡單、抗擾性強，但存在轉矩脈衝和噪聲，以及振動問題 [15] 。以雙凸極永磁電機為代表的定子永磁電機對上述優點進行了融合，雖然增加了複雜度，也是電機的可選方案之一 [16-17] 。
增程式電動車以純電驅動為主的城市道路作為主要應用環境，電機效率和功率密度被作為主要考量標準。在相似工況環境和驅動系統功率情況下，幾種適用電動車的驅動電機效率比較如圖 3 所示。由於電機的性能受到氣隙、極弧係數、磁鋼性能、極對數等因素的影響，電機的優劣比較具有較大爭議。儘管如此，內置式永磁同步電機效率高、調速範圍寬的優勢仍然得以體現，是當前增程式電動汽車驅動電機的較優選擇 [18] 。
2.2 動力電池的選型比較
電池技術是電動汽車發展的主要瓶頸技術。伴隨著陽極材料、陰極材料、隔膜以及電解液材料等電池主要部件的新材料和新工藝的研發，電池性能不斷得到提升。不同材料的電壓和容量的特性如圖 4 所示 [19-20] 。
鋰電池磷酸鐵鋰、鈷酸鋰、錳酸鋰及其複合材料是當前動力電池正極材料的主流。其中，磷酸鐵鋰電池相對於鈷酸鋰、錳酸鋰具有較高的比容量，較長的壽命週期和較低的成本。負極材料中，碳和石墨材料是主流，鈦酸鋰、鋰單質負極材料也已經得到應用。磷酸鐵鋰和碳材料組成的電池單體，是當前增程式電動汽車電池較為理想的選擇 [21] 。隨著三元複合材料、固溶體材料組成的新型電池，以及金屬鋰材料組成的空氣鋰電池技術的完善與推廣，將會帶來動力電池性能的大幅提升，也是未來增程式和純電動汽車動力電池的發展趨勢 [22] 。
2.3 增程器發動機的選型比較
由於增程式電動汽車的增程器用發動機只與發電機有機械連接，對發動機的工況和性能要求降低，發動機選型自由度增加。幾種可用型號發動機的振動噪聲 (noise vibration and harshness ， NVH) 等性能對比如表 1 所示。表 1 中，“ 0 ”為基準線；“+”表示好；“−”表示差。
單活塞轉子發動機和兩缸四衝程汽油機被認為是在增程發電應用中最有前景的發動機。雖然轉子發動機比兩缸四衝程汽油機單體成本要低，但兩缸四衝程比轉子發動機的平臺更為通用化，降低了製造成本。兩缸四衝程發動機的成熟技術使得其具有明顯的優勢，是當前增程器用發動機較為理想的選擇。隨著轉子發動機的應用增多，其在車載發電中的優越性能將逐步得到體現 [26] 。除了常用的發動機以外，原動機還有許多新穎的選擇，比如斯特林發動機、小型蒸汽輪機、直線發動機等 [23-25] 。採用均質混合氣壓燃技術的發動機，因為集合了柴油機和汽油機的優點，也有望在未來的增程器上得到應用 [26] 。
由於增程發動機的工作點比較單一，系統能夠極大簡化，超負荷超速以及複雜的瞬態工作條件可以不予完全考慮。曲柄和閥都可以做降低摩擦和質量的優化。由於與負載和轉速需求相獨立，也允許啟動和催化劑加熱過程的排放優化 [27-28] 。
2.4 ISG 啟動發電機的選型比較啟動發電一體機 (integrated starter generator ， ISG)的選型依據與驅動電機類似，發電和啟動一體化設計的永磁電機提供啟動和發電兩個不同的工況。感應電機具有低成本、高可靠性的特點。開關磁阻發電機具有魯棒性和高速操作能力，但發電工況較低效，且存在較大的紋波。永磁電機比較高效，但有超速電壓失控的危險。一體化啟動發電機對電機的安裝尺寸、啟動力矩、輸出電壓和電流質量、工作溫度範圍都有比較苛刻的要求。增程器應用中，發電轉速能夠通過發動機調速得到主動控制，效率較高的永磁電機是較好的選擇。但是，帶有旋轉變壓器的繞線轉子同步發電機、永磁和激磁繞組混合轉子電機也因特殊的特性受到較大的關注 [29-31] 。與驅動電機工作在驅動工況相比， ISG 電機大部分時間工作在發電工況。發動機和發電機的工況協調與優化，以及綜合考慮高效工作區和功率因素是提高增程式電動汽車燃油性能的關鍵 [32] 。
3 增程式電動汽車動力系統配置
3.1 增程式電動汽車動力配置的要素
增程式電動汽車動力系統的配置包括：驅動電機、動力電池、增程器用發動機和發電機匹配。同時，還應考慮空調和電附件對整車的影響。雖然動力配置首先基於車輛的大小與定位，但動力系統的配置仍然具有一定的通用準則 [33] 。已經上市和正在研發的幾款增程式電動汽車的動力系統配置如表 2所示。
摘要：增程式電動汽車又稱里程延長式電動汽車，作為純電動汽車的平穩過渡車型，以其效率高，電池容量小，不會因缺電拋錨等優點受到了廣泛的關注。該文針對燃油增程式電動汽車的動力部件選型、動力系統配置、系統協調控制與效率優化等關鍵技術問題進行了分析研究。對比分析國內外相關技術方案的同時，結合自主研發的一款增程式電動汽車進行了動力系統關鍵技術的探討。最後，展望了增程式電動汽車的技術發展，提出了幾個值得關注的相關重要研究課題與研究方向。
0 引言
面對日益嚴峻的氣候和能源形勢，電動汽車以其節能環保的巨大優勢，受到各國政府越來越多的重視。但是，當前動力電池存在價格高昂、能量密度較低，以及充電時間較長等問題，限制了電動汽車的大規模推廣應用。在動力電池短期內不能獲得較大性能提升的背景下，各種形式的混合動力汽車應運而生。其中，增程式電動汽車作為純電動汽車的平穩過渡車型，以其效率高、電池容量小，不會因缺電拋錨等優點受到了廣泛的關注。
增程式電動汽車是一種純電動驅動行駛的插電式串聯混合動力汽車，其動力系統由動力電池系統、動力驅動系統，以及增程器和整車控制系統組成。廣義的增程式電動汽車的增程器動力源應包含燃料電池、發動機等多種形式。本文主要論述以發動機為動力源的燃油增程式電動汽車，即狹義的增程式電動汽車。其與傳統燃油車相比，增程器的發動機能夠控制在最優工作狀態，具有排放量小的特點。與純電動汽車相比，所需電池容量要小很多，成本較低且不會缺電拋錨。與強混合動力車相比，電機與發動機沒有機械耦合，避免了頻繁的工作模式切換。而且，增程器輸出功率和電流可控，能夠採用更靈活的電池充放策略，有利於延長電池使用壽命 [1-2] 。
國家電動汽車科技發展“十二五”規劃將純電動汽車、增程式電動汽車和插電式混合動力汽車歸為一個大類，並制定了以小型純電動汽車關鍵技術研發作為純電動汽車產業化突破口，開發純電動和增程式小型轎車系列產品，實現大規模商業化的技術路線 [3] 。
國外，通用汽車的 VOLT 增程式電動汽車已經上市，歐寶也推出了自己的增程式電動廂式車。近期，寶馬、馬自達等汽車企業也加入了增程式電動汽車的研發和生產的行列。國內，增程式汽車的概念首先在南車時代電動、寧波神馬等企業的電動大巴上得到應用。長城、奇瑞、廣汽和北汽等汽車企業也相繼投入到了增程式電動汽車的研發當中 [4] 。
增程式電動汽車由於動力模塊的增加，整車的控制難度也相應地增加。增程式電動汽車整車的動力協調和最優控制，是增程式電動汽車的關鍵技術問題。尤其隨著增程式電動汽車的小型化，提高增程式電動汽車的經濟性能和單位效率變得尤為重要 [5-8] 。動力部件效率是增程式電動汽車整車效率的決定因素之一。由於增程模塊對電池充放電的影響，增程式電動汽車對電池的選型和控制策略也提出了新的要求。怎樣在變化的工況下提高驅動部件的效率，延長部件壽命，是增程式電動汽車的主要研究方向 [9-12] 。
增程式電動汽車與純電動和傳統混合動力相比，既有技術上的通用性，又有其特殊之處。下文將針對增程式電動汽車的動力部件選型、動力系統配置、系統協調控制與效率優化等關鍵技術問題進行分析。在對國內外最新的相關技術解決方案進行比較分析的同時，指出幾個今後值得關注的研究方向。
1 增程式電動汽車動力系統介紹
動力電池系統、動力驅動系統、增程器和整車控制系統是增程式電動汽車動力系統的 4 大重要組成部分。動力電池系統為電機驅動系統提供動力的同時，也為增程器發動機的啟動提供反拖電流；驅動系統為車輛提供動力輸出，由電機控制器接受整車控制器的命令控制車輛行駛；小排量的發動機和與之直接相連的發電機組成增程器，通過將發電機的交流電整流成與動力電池電壓相匹配的直流給動力電池充電；整車控制系統提供包括增程器的控制、駕駛員輸入信息處理、各動力部件的協調控制等整車控制功能。增程式電動汽車的動力系統結構如圖 1 所示 [1] 。
由於發動機並非常開狀態，也不直接參與動力輸出。增程式電動汽車與其他混合動力車在動力配置上，具有一定的區別。有別於傳統串聯混合車型採用較大的發動機來提供所有電力源，和較小的電池來實現能效的提高；增程式電動汽車的插電式充電模塊實現電池的外部充電，而只配置小功率的發電機滿足擴展里程需求。電池容量相對純電動要小，相對其他混合動力車要大。動力配置對比如圖 2 所示 [2, 12] 。
由於動力部件的增加，動力系統結構的改變，使得增程式電動汽車動力部件的選型標準具有自己的特點。雖然動力耦合的減少，減低了部分能量損耗；但頻繁的電力轉換也帶來了效率的降低。怎樣選擇動力部件類型、配置動力部件的參數，在保證系統動力性能的情況下使經濟性能最優，成為增程式電動汽車首先要解決的問題。
2 增程式電動汽車動力部件的選型比較
2.1 驅動電機的選型比較
增程式電動汽車驅動電機的配置與純電動汽車的配置相同 [13-14] 。電動汽車比較高效，且常用的驅動電機有交流三相感應電機 ( 以下簡稱感應電機 ) 、表貼永磁同步電機、內置式永磁同步電機、開關磁阻電機等。感應電機具有應用廣泛、維修方便等優點；但也存在功率因素較低、變壓變頻控制較複雜的缺點。永磁交流同步電機具有較高的效率和較好的動力特性；但存在著製造工藝複雜，受成本影響比較大等問題。對於永磁交流同步電機而言，內置式永磁同步電機特性要優於表貼永磁同步電機，但電機複雜度卻增加很多。開關磁阻電機結構簡單、抗擾性強，但存在轉矩脈衝和噪聲，以及振動問題 [15] 。以雙凸極永磁電機為代表的定子永磁電機對上述優點進行了融合，雖然增加了複雜度，也是電機的可選方案之一 [16-17] 。
增程式電動車以純電驅動為主的城市道路作為主要應用環境，電機效率和功率密度被作為主要考量標準。在相似工況環境和驅動系統功率情況下，幾種適用電動車的驅動電機效率比較如圖 3 所示。由於電機的性能受到氣隙、極弧係數、磁鋼性能、極對數等因素的影響，電機的優劣比較具有較大爭議。儘管如此，內置式永磁同步電機效率高、調速範圍寬的優勢仍然得以體現，是當前增程式電動汽車驅動電機的較優選擇 [18] 。
2.2 動力電池的選型比較
電池技術是電動汽車發展的主要瓶頸技術。伴隨著陽極材料、陰極材料、隔膜以及電解液材料等電池主要部件的新材料和新工藝的研發，電池性能不斷得到提升。不同材料的電壓和容量的特性如圖 4 所示 [19-20] 。
鋰電池磷酸鐵鋰、鈷酸鋰、錳酸鋰及其複合材料是當前動力電池正極材料的主流。其中，磷酸鐵鋰電池相對於鈷酸鋰、錳酸鋰具有較高的比容量，較長的壽命週期和較低的成本。負極材料中，碳和石墨材料是主流，鈦酸鋰、鋰單質負極材料也已經得到應用。磷酸鐵鋰和碳材料組成的電池單體，是當前增程式電動汽車電池較為理想的選擇 [21] 。隨著三元複合材料、固溶體材料組成的新型電池，以及金屬鋰材料組成的空氣鋰電池技術的完善與推廣，將會帶來動力電池性能的大幅提升，也是未來增程式和純電動汽車動力電池的發展趨勢 [22] 。
2.3 增程器發動機的選型比較
由於增程式電動汽車的增程器用發動機只與發電機有機械連接，對發動機的工況和性能要求降低，發動機選型自由度增加。幾種可用型號發動機的振動噪聲 (noise vibration and harshness ， NVH) 等性能對比如表 1 所示。表 1 中，“ 0 ”為基準線；“+”表示好；“−”表示差。
單活塞轉子發動機和兩缸四衝程汽油機被認為是在增程發電應用中最有前景的發動機。雖然轉子發動機比兩缸四衝程汽油機單體成本要低，但兩缸四衝程比轉子發動機的平臺更為通用化，降低了製造成本。兩缸四衝程發動機的成熟技術使得其具有明顯的優勢，是當前增程器用發動機較為理想的選擇。隨著轉子發動機的應用增多，其在車載發電中的優越性能將逐步得到體現 [26] 。除了常用的發動機以外，原動機還有許多新穎的選擇，比如斯特林發動機、小型蒸汽輪機、直線發動機等 [23-25] 。採用均質混合氣壓燃技術的發動機，因為集合了柴油機和汽油機的優點，也有望在未來的增程器上得到應用 [26] 。
由於增程發動機的工作點比較單一，系統能夠極大簡化，超負荷超速以及複雜的瞬態工作條件可以不予完全考慮。曲柄和閥都可以做降低摩擦和質量的優化。由於與負載和轉速需求相獨立，也允許啟動和催化劑加熱過程的排放優化 [27-28] 。
2.4 ISG 啟動發電機的選型比較啟動發電一體機 (integrated starter generator ， ISG)的選型依據與驅動電機類似，發電和啟動一體化設計的永磁電機提供啟動和發電兩個不同的工況。感應電機具有低成本、高可靠性的特點。開關磁阻發電機具有魯棒性和高速操作能力，但發電工況較低效，且存在較大的紋波。永磁電機比較高效，但有超速電壓失控的危險。一體化啟動發電機對電機的安裝尺寸、啟動力矩、輸出電壓和電流質量、工作溫度範圍都有比較苛刻的要求。增程器應用中，發電轉速能夠通過發動機調速得到主動控制，效率較高的永磁電機是較好的選擇。但是，帶有旋轉變壓器的繞線轉子同步發電機、永磁和激磁繞組混合轉子電機也因特殊的特性受到較大的關注 [29-31] 。與驅動電機工作在驅動工況相比， ISG 電機大部分時間工作在發電工況。發動機和發電機的工況協調與優化，以及綜合考慮高效工作區和功率因素是提高增程式電動汽車燃油性能的關鍵 [32] 。
3 增程式電動汽車動力系統配置
3.1 增程式電動汽車動力配置的要素
增程式電動汽車動力系統的配置包括：驅動電機、動力電池、增程器用發動機和發電機匹配。同時，還應考慮空調和電附件對整車的影響。雖然動力配置首先基於車輛的大小與定位，但動力系統的配置仍然具有一定的通用準則 [33] 。已經上市和正在研發的幾款增程式電動汽車的動力系統配置如表 2所示。
3.2 驅動電機的動力配置
驅動電機的選擇在考慮功率因素、效率的同時，還需要考慮電機特性的影響。效率分佈的高效區域應該與電機常態工作區儘可能相一致。驅動電機的配置依據如圖 5 所示 [34-37] 。恆轉矩的大小決定了車的啟動性能；切換點決定了車的加速性能；最大功率輸出決定了車的車速範圍。功率密度、動態性能等指標在驅動電機的選擇中要綜合考慮 [33, 36-37] 。
摘要：增程式電動汽車又稱里程延長式電動汽車，作為純電動汽車的平穩過渡車型，以其效率高，電池容量小，不會因缺電拋錨等優點受到了廣泛的關注。該文針對燃油增程式電動汽車的動力部件選型、動力系統配置、系統協調控制與效率優化等關鍵技術問題進行了分析研究。對比分析國內外相關技術方案的同時，結合自主研發的一款增程式電動汽車進行了動力系統關鍵技術的探討。最後，展望了增程式電動汽車的技術發展，提出了幾個值得關注的相關重要研究課題與研究方向。
0 引言
面對日益嚴峻的氣候和能源形勢，電動汽車以其節能環保的巨大優勢，受到各國政府越來越多的重視。但是，當前動力電池存在價格高昂、能量密度較低，以及充電時間較長等問題，限制了電動汽車的大規模推廣應用。在動力電池短期內不能獲得較大性能提升的背景下，各種形式的混合動力汽車應運而生。其中，增程式電動汽車作為純電動汽車的平穩過渡車型，以其效率高、電池容量小，不會因缺電拋錨等優點受到了廣泛的關注。
增程式電動汽車是一種純電動驅動行駛的插電式串聯混合動力汽車，其動力系統由動力電池系統、動力驅動系統，以及增程器和整車控制系統組成。廣義的增程式電動汽車的增程器動力源應包含燃料電池、發動機等多種形式。本文主要論述以發動機為動力源的燃油增程式電動汽車，即狹義的增程式電動汽車。其與傳統燃油車相比，增程器的發動機能夠控制在最優工作狀態，具有排放量小的特點。與純電動汽車相比，所需電池容量要小很多，成本較低且不會缺電拋錨。與強混合動力車相比，電機與發動機沒有機械耦合，避免了頻繁的工作模式切換。而且，增程器輸出功率和電流可控，能夠採用更靈活的電池充放策略，有利於延長電池使用壽命 [1-2] 。
國家電動汽車科技發展“十二五”規劃將純電動汽車、增程式電動汽車和插電式混合動力汽車歸為一個大類，並制定了以小型純電動汽車關鍵技術研發作為純電動汽車產業化突破口，開發純電動和增程式小型轎車系列產品，實現大規模商業化的技術路線 [3] 。
國外，通用汽車的 VOLT 增程式電動汽車已經上市，歐寶也推出了自己的增程式電動廂式車。近期，寶馬、馬自達等汽車企業也加入了增程式電動汽車的研發和生產的行列。國內，增程式汽車的概念首先在南車時代電動、寧波神馬等企業的電動大巴上得到應用。長城、奇瑞、廣汽和北汽等汽車企業也相繼投入到了增程式電動汽車的研發當中 [4] 。
增程式電動汽車由於動力模塊的增加，整車的控制難度也相應地增加。增程式電動汽車整車的動力協調和最優控制，是增程式電動汽車的關鍵技術問題。尤其隨著增程式電動汽車的小型化，提高增程式電動汽車的經濟性能和單位效率變得尤為重要 [5-8] 。動力部件效率是增程式電動汽車整車效率的決定因素之一。由於增程模塊對電池充放電的影響，增程式電動汽車對電池的選型和控制策略也提出了新的要求。怎樣在變化的工況下提高驅動部件的效率，延長部件壽命，是增程式電動汽車的主要研究方向 [9-12] 。
增程式電動汽車與純電動和傳統混合動力相比，既有技術上的通用性，又有其特殊之處。下文將針對增程式電動汽車的動力部件選型、動力系統配置、系統協調控制與效率優化等關鍵技術問題進行分析。在對國內外最新的相關技術解決方案進行比較分析的同時，指出幾個今後值得關注的研究方向。
1 增程式電動汽車動力系統介紹
動力電池系統、動力驅動系統、增程器和整車控制系統是增程式電動汽車動力系統的 4 大重要組成部分。動力電池系統為電機驅動系統提供動力的同時，也為增程器發動機的啟動提供反拖電流；驅動系統為車輛提供動力輸出，由電機控制器接受整車控制器的命令控制車輛行駛；小排量的發動機和與之直接相連的發電機組成增程器，通過將發電機的交流電整流成與動力電池電壓相匹配的直流給動力電池充電；整車控制系統提供包括增程器的控制、駕駛員輸入信息處理、各動力部件的協調控制等整車控制功能。增程式電動汽車的動力系統結構如圖 1 所示 [1] 。
由於發動機並非常開狀態，也不直接參與動力輸出。增程式電動汽車與其他混合動力車在動力配置上，具有一定的區別。有別於傳統串聯混合車型採用較大的發動機來提供所有電力源，和較小的電池來實現能效的提高；增程式電動汽車的插電式充電模塊實現電池的外部充電，而只配置小功率的發電機滿足擴展里程需求。電池容量相對純電動要小，相對其他混合動力車要大。動力配置對比如圖 2 所示 [2, 12] 。
由於動力部件的增加，動力系統結構的改變，使得增程式電動汽車動力部件的選型標準具有自己的特點。雖然動力耦合的減少，減低了部分能量損耗；但頻繁的電力轉換也帶來了效率的降低。怎樣選擇動力部件類型、配置動力部件的參數，在保證系統動力性能的情況下使經濟性能最優，成為增程式電動汽車首先要解決的問題。
2 增程式電動汽車動力部件的選型比較
2.1 驅動電機的選型比較
增程式電動汽車驅動電機的配置與純電動汽車的配置相同 [13-14] 。電動汽車比較高效，且常用的驅動電機有交流三相感應電機 ( 以下簡稱感應電機 ) 、表貼永磁同步電機、內置式永磁同步電機、開關磁阻電機等。感應電機具有應用廣泛、維修方便等優點；但也存在功率因素較低、變壓變頻控制較複雜的缺點。永磁交流同步電機具有較高的效率和較好的動力特性；但存在著製造工藝複雜，受成本影響比較大等問題。對於永磁交流同步電機而言，內置式永磁同步電機特性要優於表貼永磁同步電機，但電機複雜度卻增加很多。開關磁阻電機結構簡單、抗擾性強，但存在轉矩脈衝和噪聲，以及振動問題 [15] 。以雙凸極永磁電機為代表的定子永磁電機對上述優點進行了融合，雖然增加了複雜度，也是電機的可選方案之一 [16-17] 。
增程式電動車以純電驅動為主的城市道路作為主要應用環境，電機效率和功率密度被作為主要考量標準。在相似工況環境和驅動系統功率情況下，幾種適用電動車的驅動電機效率比較如圖 3 所示。由於電機的性能受到氣隙、極弧係數、磁鋼性能、極對數等因素的影響，電機的優劣比較具有較大爭議。儘管如此，內置式永磁同步電機效率高、調速範圍寬的優勢仍然得以體現，是當前增程式電動汽車驅動電機的較優選擇 [18] 。
2.2 動力電池的選型比較
電池技術是電動汽車發展的主要瓶頸技術。伴隨著陽極材料、陰極材料、隔膜以及電解液材料等電池主要部件的新材料和新工藝的研發，電池性能不斷得到提升。不同材料的電壓和容量的特性如圖 4 所示 [19-20] 。
鋰電池磷酸鐵鋰、鈷酸鋰、錳酸鋰及其複合材料是當前動力電池正極材料的主流。其中，磷酸鐵鋰電池相對於鈷酸鋰、錳酸鋰具有較高的比容量，較長的壽命週期和較低的成本。負極材料中，碳和石墨材料是主流，鈦酸鋰、鋰單質負極材料也已經得到應用。磷酸鐵鋰和碳材料組成的電池單體，是當前增程式電動汽車電池較為理想的選擇 [21] 。隨著三元複合材料、固溶體材料組成的新型電池，以及金屬鋰材料組成的空氣鋰電池技術的完善與推廣，將會帶來動力電池性能的大幅提升，也是未來增程式和純電動汽車動力電池的發展趨勢 [22] 。
2.3 增程器發動機的選型比較
由於增程式電動汽車的增程器用發動機只與發電機有機械連接，對發動機的工況和性能要求降低，發動機選型自由度增加。幾種可用型號發動機的振動噪聲 (noise vibration and harshness ， NVH) 等性能對比如表 1 所示。表 1 中，“ 0 ”為基準線；“+”表示好；“−”表示差。
單活塞轉子發動機和兩缸四衝程汽油機被認為是在增程發電應用中最有前景的發動機。雖然轉子發動機比兩缸四衝程汽油機單體成本要低，但兩缸四衝程比轉子發動機的平臺更為通用化，降低了製造成本。兩缸四衝程發動機的成熟技術使得其具有明顯的優勢，是當前增程器用發動機較為理想的選擇。隨著轉子發動機的應用增多，其在車載發電中的優越性能將逐步得到體現 [26] 。除了常用的發動機以外，原動機還有許多新穎的選擇，比如斯特林發動機、小型蒸汽輪機、直線發動機等 [23-25] 。採用均質混合氣壓燃技術的發動機，因為集合了柴油機和汽油機的優點，也有望在未來的增程器上得到應用 [26] 。
由於增程發動機的工作點比較單一，系統能夠極大簡化，超負荷超速以及複雜的瞬態工作條件可以不予完全考慮。曲柄和閥都可以做降低摩擦和質量的優化。由於與負載和轉速需求相獨立，也允許啟動和催化劑加熱過程的排放優化 [27-28] 。
2.4 ISG 啟動發電機的選型比較啟動發電一體機 (integrated starter generator ， ISG)的選型依據與驅動電機類似，發電和啟動一體化設計的永磁電機提供啟動和發電兩個不同的工況。感應電機具有低成本、高可靠性的特點。開關磁阻發電機具有魯棒性和高速操作能力，但發電工況較低效，且存在較大的紋波。永磁電機比較高效，但有超速電壓失控的危險。一體化啟動發電機對電機的安裝尺寸、啟動力矩、輸出電壓和電流質量、工作溫度範圍都有比較苛刻的要求。增程器應用中，發電轉速能夠通過發動機調速得到主動控制，效率較高的永磁電機是較好的選擇。但是，帶有旋轉變壓器的繞線轉子同步發電機、永磁和激磁繞組混合轉子電機也因特殊的特性受到較大的關注 [29-31] 。與驅動電機工作在驅動工況相比， ISG 電機大部分時間工作在發電工況。發動機和發電機的工況協調與優化，以及綜合考慮高效工作區和功率因素是提高增程式電動汽車燃油性能的關鍵 [32] 。
3 增程式電動汽車動力系統配置
3.1 增程式電動汽車動力配置的要素
增程式電動汽車動力系統的配置包括：驅動電機、動力電池、增程器用發動機和發電機匹配。同時，還應考慮空調和電附件對整車的影響。雖然動力配置首先基於車輛的大小與定位，但動力系統的配置仍然具有一定的通用準則 [33] 。已經上市和正在研發的幾款增程式電動汽車的動力系統配置如表 2所示。
3.2 驅動電機的動力配置
驅動電機的選擇在考慮功率因素、效率的同時，還需要考慮電機特性的影響。效率分佈的高效區域應該與電機常態工作區儘可能相一致。驅動電機的配置依據如圖 5 所示 [34-37] 。恆轉矩的大小決定了車的啟動性能；切換點決定了車的加速性能；最大功率輸出決定了車的車速範圍。功率密度、動態性能等指標在驅動電機的選擇中要綜合考慮 [33, 36-37] 。
由於決定電動機驅動的額定功率的是加速的需求，而不是最高巡航車速或爬坡能力，所以加速性能是電動汽車首先要考慮的指標。加速時間 t a 為時間相對速度變化率的積分，通過如下公式計算：
摘要：增程式電動汽車又稱里程延長式電動汽車，作為純電動汽車的平穩過渡車型，以其效率高，電池容量小，不會因缺電拋錨等優點受到了廣泛的關注。該文針對燃油增程式電動汽車的動力部件選型、動力系統配置、系統協調控制與效率優化等關鍵技術問題進行了分析研究。對比分析國內外相關技術方案的同時，結合自主研發的一款增程式電動汽車進行了動力系統關鍵技術的探討。最後，展望了增程式電動汽車的技術發展，提出了幾個值得關注的相關重要研究課題與研究方向。
0 引言
面對日益嚴峻的氣候和能源形勢，電動汽車以其節能環保的巨大優勢，受到各國政府越來越多的重視。但是，當前動力電池存在價格高昂、能量密度較低，以及充電時間較長等問題，限制了電動汽車的大規模推廣應用。在動力電池短期內不能獲得較大性能提升的背景下，各種形式的混合動力汽車應運而生。其中，增程式電動汽車作為純電動汽車的平穩過渡車型，以其效率高、電池容量小，不會因缺電拋錨等優點受到了廣泛的關注。
增程式電動汽車是一種純電動驅動行駛的插電式串聯混合動力汽車，其動力系統由動力電池系統、動力驅動系統，以及增程器和整車控制系統組成。廣義的增程式電動汽車的增程器動力源應包含燃料電池、發動機等多種形式。本文主要論述以發動機為動力源的燃油增程式電動汽車，即狹義的增程式電動汽車。其與傳統燃油車相比，增程器的發動機能夠控制在最優工作狀態，具有排放量小的特點。與純電動汽車相比，所需電池容量要小很多，成本較低且不會缺電拋錨。與強混合動力車相比，電機與發動機沒有機械耦合，避免了頻繁的工作模式切換。而且，增程器輸出功率和電流可控，能夠採用更靈活的電池充放策略，有利於延長電池使用壽命 [1-2] 。
國家電動汽車科技發展“十二五”規劃將純電動汽車、增程式電動汽車和插電式混合動力汽車歸為一個大類，並制定了以小型純電動汽車關鍵技術研發作為純電動汽車產業化突破口，開發純電動和增程式小型轎車系列產品，實現大規模商業化的技術路線 [3] 。
國外，通用汽車的 VOLT 增程式電動汽車已經上市，歐寶也推出了自己的增程式電動廂式車。近期，寶馬、馬自達等汽車企業也加入了增程式電動汽車的研發和生產的行列。國內，增程式汽車的概念首先在南車時代電動、寧波神馬等企業的電動大巴上得到應用。長城、奇瑞、廣汽和北汽等汽車企業也相繼投入到了增程式電動汽車的研發當中 [4] 。
增程式電動汽車由於動力模塊的增加，整車的控制難度也相應地增加。增程式電動汽車整車的動力協調和最優控制，是增程式電動汽車的關鍵技術問題。尤其隨著增程式電動汽車的小型化，提高增程式電動汽車的經濟性能和單位效率變得尤為重要 [5-8] 。動力部件效率是增程式電動汽車整車效率的決定因素之一。由於增程模塊對電池充放電的影響，增程式電動汽車對電池的選型和控制策略也提出了新的要求。怎樣在變化的工況下提高驅動部件的效率，延長部件壽命，是增程式電動汽車的主要研究方向 [9-12] 。
增程式電動汽車與純電動和傳統混合動力相比，既有技術上的通用性，又有其特殊之處。下文將針對增程式電動汽車的動力部件選型、動力系統配置、系統協調控制與效率優化等關鍵技術問題進行分析。在對國內外最新的相關技術解決方案進行比較分析的同時，指出幾個今後值得關注的研究方向。
1 增程式電動汽車動力系統介紹
動力電池系統、動力驅動系統、增程器和整車控制系統是增程式電動汽車動力系統的 4 大重要組成部分。動力電池系統為電機驅動系統提供動力的同時，也為增程器發動機的啟動提供反拖電流；驅動系統為車輛提供動力輸出，由電機控制器接受整車控制器的命令控制車輛行駛；小排量的發動機和與之直接相連的發電機組成增程器，通過將發電機的交流電整流成與動力電池電壓相匹配的直流給動力電池充電；整車控制系統提供包括增程器的控制、駕駛員輸入信息處理、各動力部件的協調控制等整車控制功能。增程式電動汽車的動力系統結構如圖 1 所示 [1] 。
由於發動機並非常開狀態，也不直接參與動力輸出。增程式電動汽車與其他混合動力車在動力配置上，具有一定的區別。有別於傳統串聯混合車型採用較大的發動機來提供所有電力源，和較小的電池來實現能效的提高；增程式電動汽車的插電式充電模塊實現電池的外部充電，而只配置小功率的發電機滿足擴展里程需求。電池容量相對純電動要小，相對其他混合動力車要大。動力配置對比如圖 2 所示 [2, 12] 。
由於動力部件的增加，動力系統結構的改變，使得增程式電動汽車動力部件的選型標準具有自己的特點。雖然動力耦合的減少，減低了部分能量損耗；但頻繁的電力轉換也帶來了效率的降低。怎樣選擇動力部件類型、配置動力部件的參數，在保證系統動力性能的情況下使經濟性能最優，成為增程式電動汽車首先要解決的問題。
2 增程式電動汽車動力部件的選型比較
2.1 驅動電機的選型比較
增程式電動汽車驅動電機的配置與純電動汽車的配置相同 [13-14] 。電動汽車比較高效，且常用的驅動電機有交流三相感應電機 ( 以下簡稱感應電機 ) 、表貼永磁同步電機、內置式永磁同步電機、開關磁阻電機等。感應電機具有應用廣泛、維修方便等優點；但也存在功率因素較低、變壓變頻控制較複雜的缺點。永磁交流同步電機具有較高的效率和較好的動力特性；但存在著製造工藝複雜，受成本影響比較大等問題。對於永磁交流同步電機而言，內置式永磁同步電機特性要優於表貼永磁同步電機，但電機複雜度卻增加很多。開關磁阻電機結構簡單、抗擾性強，但存在轉矩脈衝和噪聲，以及振動問題 [15] 。以雙凸極永磁電機為代表的定子永磁電機對上述優點進行了融合，雖然增加了複雜度，也是電機的可選方案之一 [16-17] 。
增程式電動車以純電驅動為主的城市道路作為主要應用環境，電機效率和功率密度被作為主要考量標準。在相似工況環境和驅動系統功率情況下，幾種適用電動車的驅動電機效率比較如圖 3 所示。由於電機的性能受到氣隙、極弧係數、磁鋼性能、極對數等因素的影響，電機的優劣比較具有較大爭議。儘管如此，內置式永磁同步電機效率高、調速範圍寬的優勢仍然得以體現，是當前增程式電動汽車驅動電機的較優選擇 [18] 。
2.2 動力電池的選型比較
電池技術是電動汽車發展的主要瓶頸技術。伴隨著陽極材料、陰極材料、隔膜以及電解液材料等電池主要部件的新材料和新工藝的研發，電池性能不斷得到提升。不同材料的電壓和容量的特性如圖 4 所示 [19-20] 。
鋰電池磷酸鐵鋰、鈷酸鋰、錳酸鋰及其複合材料是當前動力電池正極材料的主流。其中，磷酸鐵鋰電池相對於鈷酸鋰、錳酸鋰具有較高的比容量，較長的壽命週期和較低的成本。負極材料中，碳和石墨材料是主流，鈦酸鋰、鋰單質負極材料也已經得到應用。磷酸鐵鋰和碳材料組成的電池單體，是當前增程式電動汽車電池較為理想的選擇 [21] 。隨著三元複合材料、固溶體材料組成的新型電池，以及金屬鋰材料組成的空氣鋰電池技術的完善與推廣，將會帶來動力電池性能的大幅提升，也是未來增程式和純電動汽車動力電池的發展趨勢 [22] 。
2.3 增程器發動機的選型比較
由於增程式電動汽車的增程器用發動機只與發電機有機械連接，對發動機的工況和性能要求降低，發動機選型自由度增加。幾種可用型號發動機的振動噪聲 (noise vibration and harshness ， NVH) 等性能對比如表 1 所示。表 1 中，“ 0 ”為基準線；“+”表示好；“−”表示差。
單活塞轉子發動機和兩缸四衝程汽油機被認為是在增程發電應用中最有前景的發動機。雖然轉子發動機比兩缸四衝程汽油機單體成本要低，但兩缸四衝程比轉子發動機的平臺更為通用化，降低了製造成本。兩缸四衝程發動機的成熟技術使得其具有明顯的優勢，是當前增程器用發動機較為理想的選擇。隨著轉子發動機的應用增多，其在車載發電中的優越性能將逐步得到體現 [26] 。除了常用的發動機以外，原動機還有許多新穎的選擇，比如斯特林發動機、小型蒸汽輪機、直線發動機等 [23-25] 。採用均質混合氣壓燃技術的發動機，因為集合了柴油機和汽油機的優點，也有望在未來的增程器上得到應用 [26] 。
由於增程發動機的工作點比較單一，系統能夠極大簡化，超負荷超速以及複雜的瞬態工作條件可以不予完全考慮。曲柄和閥都可以做降低摩擦和質量的優化。由於與負載和轉速需求相獨立，也允許啟動和催化劑加熱過程的排放優化 [27-28] 。
2.4 ISG 啟動發電機的選型比較啟動發電一體機 (integrated starter generator ， ISG)的選型依據與驅動電機類似，發電和啟動一體化設計的永磁電機提供啟動和發電兩個不同的工況。感應電機具有低成本、高可靠性的特點。開關磁阻發電機具有魯棒性和高速操作能力，但發電工況較低效，且存在較大的紋波。永磁電機比較高效，但有超速電壓失控的危險。一體化啟動發電機對電機的安裝尺寸、啟動力矩、輸出電壓和電流質量、工作溫度範圍都有比較苛刻的要求。增程器應用中，發電轉速能夠通過發動機調速得到主動控制，效率較高的永磁電機是較好的選擇。但是，帶有旋轉變壓器的繞線轉子同步發電機、永磁和激磁繞組混合轉子電機也因特殊的特性受到較大的關注 [29-31] 。與驅動電機工作在驅動工況相比， ISG 電機大部分時間工作在發電工況。發動機和發電機的工況協調與優化，以及綜合考慮高效工作區和功率因素是提高增程式電動汽車燃油性能的關鍵 [32] 。
3 增程式電動汽車動力系統配置
3.1 增程式電動汽車動力配置的要素
增程式電動汽車動力系統的配置包括：驅動電機、動力電池、增程器用發動機和發電機匹配。同時，還應考慮空調和電附件對整車的影響。雖然動力配置首先基於車輛的大小與定位，但動力系統的配置仍然具有一定的通用準則 [33] 。已經上市和正在研發的幾款增程式電動汽車的動力系統配置如表 2所示。
3.2 驅動電機的動力配置
驅動電機的選擇在考慮功率因素、效率的同時，還需要考慮電機特性的影響。效率分佈的高效區域應該與電機常態工作區儘可能相一致。驅動電機的配置依據如圖 5 所示 [34-37] 。恆轉矩的大小決定了車的啟動性能；切換點決定了車的加速性能；最大功率輸出決定了車的車速範圍。功率密度、動態性能等指標在驅動電機的選擇中要綜合考慮 [33, 36-37] 。
由於決定電動機驅動的額定功率的是加速的需求，而不是最高巡航車速或爬坡能力，所以加速性能是電動汽車首先要考慮的指標。加速時間 t a 為時間相對速度變化率的積分，通過如下公式計算：
摘要：增程式電動汽車又稱里程延長式電動汽車，作為純電動汽車的平穩過渡車型，以其效率高，電池容量小，不會因缺電拋錨等優點受到了廣泛的關注。該文針對燃油增程式電動汽車的動力部件選型、動力系統配置、系統協調控制與效率優化等關鍵技術問題進行了分析研究。對比分析國內外相關技術方案的同時，結合自主研發的一款增程式電動汽車進行了動力系統關鍵技術的探討。最後，展望了增程式電動汽車的技術發展，提出了幾個值得關注的相關重要研究課題與研究方向。
0 引言
面對日益嚴峻的氣候和能源形勢，電動汽車以其節能環保的巨大優勢，受到各國政府越來越多的重視。但是，當前動力電池存在價格高昂、能量密度較低，以及充電時間較長等問題，限制了電動汽車的大規模推廣應用。在動力電池短期內不能獲得較大性能提升的背景下，各種形式的混合動力汽車應運而生。其中，增程式電動汽車作為純電動汽車的平穩過渡車型，以其效率高、電池容量小，不會因缺電拋錨等優點受到了廣泛的關注。
增程式電動汽車是一種純電動驅動行駛的插電式串聯混合動力汽車，其動力系統由動力電池系統、動力驅動系統，以及增程器和整車控制系統組成。廣義的增程式電動汽車的增程器動力源應包含燃料電池、發動機等多種形式。本文主要論述以發動機為動力源的燃油增程式電動汽車，即狹義的增程式電動汽車。其與傳統燃油車相比，增程器的發動機能夠控制在最優工作狀態，具有排放量小的特點。與純電動汽車相比，所需電池容量要小很多，成本較低且不會缺電拋錨。與強混合動力車相比，電機與發動機沒有機械耦合，避免了頻繁的工作模式切換。而且，增程器輸出功率和電流可控，能夠採用更靈活的電池充放策略，有利於延長電池使用壽命 [1-2] 。
國家電動汽車科技發展“十二五”規劃將純電動汽車、增程式電動汽車和插電式混合動力汽車歸為一個大類，並制定了以小型純電動汽車關鍵技術研發作為純電動汽車產業化突破口，開發純電動和增程式小型轎車系列產品，實現大規模商業化的技術路線 [3] 。
國外，通用汽車的 VOLT 增程式電動汽車已經上市，歐寶也推出了自己的增程式電動廂式車。近期，寶馬、馬自達等汽車企業也加入了增程式電動汽車的研發和生產的行列。國內，增程式汽車的概念首先在南車時代電動、寧波神馬等企業的電動大巴上得到應用。長城、奇瑞、廣汽和北汽等汽車企業也相繼投入到了增程式電動汽車的研發當中 [4] 。
增程式電動汽車由於動力模塊的增加，整車的控制難度也相應地增加。增程式電動汽車整車的動力協調和最優控制，是增程式電動汽車的關鍵技術問題。尤其隨著增程式電動汽車的小型化，提高增程式電動汽車的經濟性能和單位效率變得尤為重要 [5-8] 。動力部件效率是增程式電動汽車整車效率的決定因素之一。由於增程模塊對電池充放電的影響，增程式電動汽車對電池的選型和控制策略也提出了新的要求。怎樣在變化的工況下提高驅動部件的效率，延長部件壽命，是增程式電動汽車的主要研究方向 [9-12] 。
增程式電動汽車與純電動和傳統混合動力相比，既有技術上的通用性，又有其特殊之處。下文將針對增程式電動汽車的動力部件選型、動力系統配置、系統協調控制與效率優化等關鍵技術問題進行分析。在對國內外最新的相關技術解決方案進行比較分析的同時，指出幾個今後值得關注的研究方向。
1 增程式電動汽車動力系統介紹
動力電池系統、動力驅動系統、增程器和整車控制系統是增程式電動汽車動力系統的 4 大重要組成部分。動力電池系統為電機驅動系統提供動力的同時，也為增程器發動機的啟動提供反拖電流；驅動系統為車輛提供動力輸出，由電機控制器接受整車控制器的命令控制車輛行駛；小排量的發動機和與之直接相連的發電機組成增程器，通過將發電機的交流電整流成與動力電池電壓相匹配的直流給動力電池充電；整車控制系統提供包括增程器的控制、駕駛員輸入信息處理、各動力部件的協調控制等整車控制功能。增程式電動汽車的動力系統結構如圖 1 所示 [1] 。
由於發動機並非常開狀態，也不直接參與動力輸出。增程式電動汽車與其他混合動力車在動力配置上，具有一定的區別。有別於傳統串聯混合車型採用較大的發動機來提供所有電力源，和較小的電池來實現能效的提高；增程式電動汽車的插電式充電模塊實現電池的外部充電，而只配置小功率的發電機滿足擴展里程需求。電池容量相對純電動要小，相對其他混合動力車要大。動力配置對比如圖 2 所示 [2, 12] 。
由於動力部件的增加，動力系統結構的改變，使得增程式電動汽車動力部件的選型標準具有自己的特點。雖然動力耦合的減少，減低了部分能量損耗；但頻繁的電力轉換也帶來了效率的降低。怎樣選擇動力部件類型、配置動力部件的參數，在保證系統動力性能的情況下使經濟性能最優，成為增程式電動汽車首先要解決的問題。
2 增程式電動汽車動力部件的選型比較
2.1 驅動電機的選型比較
增程式電動汽車驅動電機的配置與純電動汽車的配置相同 [13-14] 。電動汽車比較高效，且常用的驅動電機有交流三相感應電機 ( 以下簡稱感應電機 ) 、表貼永磁同步電機、內置式永磁同步電機、開關磁阻電機等。感應電機具有應用廣泛、維修方便等優點；但也存在功率因素較低、變壓變頻控制較複雜的缺點。永磁交流同步電機具有較高的效率和較好的動力特性；但存在著製造工藝複雜，受成本影響比較大等問題。對於永磁交流同步電機而言，內置式永磁同步電機特性要優於表貼永磁同步電機，但電機複雜度卻增加很多。開關磁阻電機結構簡單、抗擾性強，但存在轉矩脈衝和噪聲，以及振動問題 [15] 。以雙凸極永磁電機為代表的定子永磁電機對上述優點進行了融合，雖然增加了複雜度，也是電機的可選方案之一 [16-17] 。
增程式電動車以純電驅動為主的城市道路作為主要應用環境，電機效率和功率密度被作為主要考量標準。在相似工況環境和驅動系統功率情況下，幾種適用電動車的驅動電機效率比較如圖 3 所示。由於電機的性能受到氣隙、極弧係數、磁鋼性能、極對數等因素的影響，電機的優劣比較具有較大爭議。儘管如此，內置式永磁同步電機效率高、調速範圍寬的優勢仍然得以體現，是當前增程式電動汽車驅動電機的較優選擇 [18] 。
2.2 動力電池的選型比較
電池技術是電動汽車發展的主要瓶頸技術。伴隨著陽極材料、陰極材料、隔膜以及電解液材料等電池主要部件的新材料和新工藝的研發，電池性能不斷得到提升。不同材料的電壓和容量的特性如圖 4 所示 [19-20] 。
鋰電池磷酸鐵鋰、鈷酸鋰、錳酸鋰及其複合材料是當前動力電池正極材料的主流。其中，磷酸鐵鋰電池相對於鈷酸鋰、錳酸鋰具有較高的比容量，較長的壽命週期和較低的成本。負極材料中，碳和石墨材料是主流，鈦酸鋰、鋰單質負極材料也已經得到應用。磷酸鐵鋰和碳材料組成的電池單體，是當前增程式電動汽車電池較為理想的選擇 [21] 。隨著三元複合材料、固溶體材料組成的新型電池，以及金屬鋰材料組成的空氣鋰電池技術的完善與推廣，將會帶來動力電池性能的大幅提升，也是未來增程式和純電動汽車動力電池的發展趨勢 [22] 。
2.3 增程器發動機的選型比較
由於增程式電動汽車的增程器用發動機只與發電機有機械連接，對發動機的工況和性能要求降低，發動機選型自由度增加。幾種可用型號發動機的振動噪聲 (noise vibration and harshness ， NVH) 等性能對比如表 1 所示。表 1 中，“ 0 ”為基準線；“+”表示好；“−”表示差。
單活塞轉子發動機和兩缸四衝程汽油機被認為是在增程發電應用中最有前景的發動機。雖然轉子發動機比兩缸四衝程汽油機單體成本要低，但兩缸四衝程比轉子發動機的平臺更為通用化，降低了製造成本。兩缸四衝程發動機的成熟技術使得其具有明顯的優勢，是當前增程器用發動機較為理想的選擇。隨著轉子發動機的應用增多，其在車載發電中的優越性能將逐步得到體現 [26] 。除了常用的發動機以外，原動機還有許多新穎的選擇，比如斯特林發動機、小型蒸汽輪機、直線發動機等 [23-25] 。採用均質混合氣壓燃技術的發動機，因為集合了柴油機和汽油機的優點，也有望在未來的增程器上得到應用 [26] 。
由於增程發動機的工作點比較單一，系統能夠極大簡化，超負荷超速以及複雜的瞬態工作條件可以不予完全考慮。曲柄和閥都可以做降低摩擦和質量的優化。由於與負載和轉速需求相獨立，也允許啟動和催化劑加熱過程的排放優化 [27-28] 。
2.4 ISG 啟動發電機的選型比較啟動發電一體機 (integrated starter generator ， ISG)的選型依據與驅動電機類似，發電和啟動一體化設計的永磁電機提供啟動和發電兩個不同的工況。感應電機具有低成本、高可靠性的特點。開關磁阻發電機具有魯棒性和高速操作能力，但發電工況較低效，且存在較大的紋波。永磁電機比較高效，但有超速電壓失控的危險。一體化啟動發電機對電機的安裝尺寸、啟動力矩、輸出電壓和電流質量、工作溫度範圍都有比較苛刻的要求。增程器應用中，發電轉速能夠通過發動機調速得到主動控制，效率較高的永磁電機是較好的選擇。但是，帶有旋轉變壓器的繞線轉子同步發電機、永磁和激磁繞組混合轉子電機也因特殊的特性受到較大的關注 [29-31] 。與驅動電機工作在驅動工況相比， ISG 電機大部分時間工作在發電工況。發動機和發電機的工況協調與優化，以及綜合考慮高效工作區和功率因素是提高增程式電動汽車燃油性能的關鍵 [32] 。
3 增程式電動汽車動力系統配置
3.1 增程式電動汽車動力配置的要素
增程式電動汽車動力系統的配置包括：驅動電機、動力電池、增程器用發動機和發電機匹配。同時，還應考慮空調和電附件對整車的影響。雖然動力配置首先基於車輛的大小與定位，但動力系統的配置仍然具有一定的通用準則 [33] 。已經上市和正在研發的幾款增程式電動汽車的動力系統配置如表 2所示。
3.2 驅動電機的動力配置
驅動電機的選擇在考慮功率因素、效率的同時，還需要考慮電機特性的影響。效率分佈的高效區域應該與電機常態工作區儘可能相一致。驅動電機的配置依據如圖 5 所示 [34-37] 。恆轉矩的大小決定了車的啟動性能；切換點決定了車的加速性能；最大功率輸出決定了車的車速範圍。功率密度、動態性能等指標在驅動電機的選擇中要綜合考慮 [33, 36-37] 。
由於決定電動機驅動的額定功率的是加速的需求，而不是最高巡航車速或爬坡能力，所以加速性能是電動汽車首先要考慮的指標。加速時間 t a 為時間相對速度變化率的積分，通過如下公式計算：
摘要：增程式電動汽車又稱里程延長式電動汽車，作為純電動汽車的平穩過渡車型，以其效率高，電池容量小，不會因缺電拋錨等優點受到了廣泛的關注。該文針對燃油增程式電動汽車的動力部件選型、動力系統配置、系統協調控制與效率優化等關鍵技術問題進行了分析研究。對比分析國內外相關技術方案的同時，結合自主研發的一款增程式電動汽車進行了動力系統關鍵技術的探討。最後，展望了增程式電動汽車的技術發展，提出了幾個值得關注的相關重要研究課題與研究方向。
0 引言
面對日益嚴峻的氣候和能源形勢，電動汽車以其節能環保的巨大優勢，受到各國政府越來越多的重視。但是，當前動力電池存在價格高昂、能量密度較低，以及充電時間較長等問題，限制了電動汽車的大規模推廣應用。在動力電池短期內不能獲得較大性能提升的背景下，各種形式的混合動力汽車應運而生。其中，增程式電動汽車作為純電動汽車的平穩過渡車型，以其效率高、電池容量小，不會因缺電拋錨等優點受到了廣泛的關注。
增程式電動汽車是一種純電動驅動行駛的插電式串聯混合動力汽車，其動力系統由動力電池系統、動力驅動系統，以及增程器和整車控制系統組成。廣義的增程式電動汽車的增程器動力源應包含燃料電池、發動機等多種形式。本文主要論述以發動機為動力源的燃油增程式電動汽車，即狹義的增程式電動汽車。其與傳統燃油車相比，增程器的發動機能夠控制在最優工作狀態，具有排放量小的特點。與純電動汽車相比，所需電池容量要小很多，成本較低且不會缺電拋錨。與強混合動力車相比，電機與發動機沒有機械耦合，避免了頻繁的工作模式切換。而且，增程器輸出功率和電流可控，能夠採用更靈活的電池充放策略，有利於延長電池使用壽命 [1-2] 。
國家電動汽車科技發展“十二五”規劃將純電動汽車、增程式電動汽車和插電式混合動力汽車歸為一個大類，並制定了以小型純電動汽車關鍵技術研發作為純電動汽車產業化突破口，開發純電動和增程式小型轎車系列產品，實現大規模商業化的技術路線 [3] 。
國外，通用汽車的 VOLT 增程式電動汽車已經上市，歐寶也推出了自己的增程式電動廂式車。近期，寶馬、馬自達等汽車企業也加入了增程式電動汽車的研發和生產的行列。國內，增程式汽車的概念首先在南車時代電動、寧波神馬等企業的電動大巴上得到應用。長城、奇瑞、廣汽和北汽等汽車企業也相繼投入到了增程式電動汽車的研發當中 [4] 。
增程式電動汽車由於動力模塊的增加，整車的控制難度也相應地增加。增程式電動汽車整車的動力協調和最優控制，是增程式電動汽車的關鍵技術問題。尤其隨著增程式電動汽車的小型化，提高增程式電動汽車的經濟性能和單位效率變得尤為重要 [5-8] 。動力部件效率是增程式電動汽車整車效率的決定因素之一。由於增程模塊對電池充放電的影響，增程式電動汽車對電池的選型和控制策略也提出了新的要求。怎樣在變化的工況下提高驅動部件的效率，延長部件壽命，是增程式電動汽車的主要研究方向 [9-12] 。
增程式電動汽車與純電動和傳統混合動力相比，既有技術上的通用性，又有其特殊之處。下文將針對增程式電動汽車的動力部件選型、動力系統配置、系統協調控制與效率優化等關鍵技術問題進行分析。在對國內外最新的相關技術解決方案進行比較分析的同時，指出幾個今後值得關注的研究方向。
1 增程式電動汽車動力系統介紹
動力電池系統、動力驅動系統、增程器和整車控制系統是增程式電動汽車動力系統的 4 大重要組成部分。動力電池系統為電機驅動系統提供動力的同時，也為增程器發動機的啟動提供反拖電流；驅動系統為車輛提供動力輸出，由電機控制器接受整車控制器的命令控制車輛行駛；小排量的發動機和與之直接相連的發電機組成增程器，通過將發電機的交流電整流成與動力電池電壓相匹配的直流給動力電池充電；整車控制系統提供包括增程器的控制、駕駛員輸入信息處理、各動力部件的協調控制等整車控制功能。增程式電動汽車的動力系統結構如圖 1 所示 [1] 。
由於發動機並非常開狀態，也不直接參與動力輸出。增程式電動汽車與其他混合動力車在動力配置上，具有一定的區別。有別於傳統串聯混合車型採用較大的發動機來提供所有電力源，和較小的電池來實現能效的提高；增程式電動汽車的插電式充電模塊實現電池的外部充電，而只配置小功率的發電機滿足擴展里程需求。電池容量相對純電動要小，相對其他混合動力車要大。動力配置對比如圖 2 所示 [2, 12] 。
由於動力部件的增加，動力系統結構的改變，使得增程式電動汽車動力部件的選型標準具有自己的特點。雖然動力耦合的減少，減低了部分能量損耗；但頻繁的電力轉換也帶來了效率的降低。怎樣選擇動力部件類型、配置動力部件的參數，在保證系統動力性能的情況下使經濟性能最優，成為增程式電動汽車首先要解決的問題。
2 增程式電動汽車動力部件的選型比較
2.1 驅動電機的選型比較
增程式電動汽車驅動電機的配置與純電動汽車的配置相同 [13-14] 。電動汽車比較高效，且常用的驅動電機有交流三相感應電機 ( 以下簡稱感應電機 ) 、表貼永磁同步電機、內置式永磁同步電機、開關磁阻電機等。感應電機具有應用廣泛、維修方便等優點；但也存在功率因素較低、變壓變頻控制較複雜的缺點。永磁交流同步電機具有較高的效率和較好的動力特性；但存在著製造工藝複雜，受成本影響比較大等問題。對於永磁交流同步電機而言，內置式永磁同步電機特性要優於表貼永磁同步電機，但電機複雜度卻增加很多。開關磁阻電機結構簡單、抗擾性強，但存在轉矩脈衝和噪聲，以及振動問題 [15] 。以雙凸極永磁電機為代表的定子永磁電機對上述優點進行了融合，雖然增加了複雜度，也是電機的可選方案之一 [16-17] 。
增程式電動車以純電驅動為主的城市道路作為主要應用環境，電機效率和功率密度被作為主要考量標準。在相似工況環境和驅動系統功率情況下，幾種適用電動車的驅動電機效率比較如圖 3 所示。由於電機的性能受到氣隙、極弧係數、磁鋼性能、極對數等因素的影響，電機的優劣比較具有較大爭議。儘管如此，內置式永磁同步電機效率高、調速範圍寬的優勢仍然得以體現，是當前增程式電動汽車驅動電機的較優選擇 [18] 。
2.2 動力電池的選型比較
電池技術是電動汽車發展的主要瓶頸技術。伴隨著陽極材料、陰極材料、隔膜以及電解液材料等電池主要部件的新材料和新工藝的研發，電池性能不斷得到提升。不同材料的電壓和容量的特性如圖 4 所示 [19-20] 。
鋰電池磷酸鐵鋰、鈷酸鋰、錳酸鋰及其複合材料是當前動力電池正極材料的主流。其中，磷酸鐵鋰電池相對於鈷酸鋰、錳酸鋰具有較高的比容量，較長的壽命週期和較低的成本。負極材料中，碳和石墨材料是主流，鈦酸鋰、鋰單質負極材料也已經得到應用。磷酸鐵鋰和碳材料組成的電池單體，是當前增程式電動汽車電池較為理想的選擇 [21] 。隨著三元複合材料、固溶體材料組成的新型電池，以及金屬鋰材料組成的空氣鋰電池技術的完善與推廣，將會帶來動力電池性能的大幅提升，也是未來增程式和純電動汽車動力電池的發展趨勢 [22] 。
2.3 增程器發動機的選型比較
由於增程式電動汽車的增程器用發動機只與發電機有機械連接，對發動機的工況和性能要求降低，發動機選型自由度增加。幾種可用型號發動機的振動噪聲 (noise vibration and harshness ， NVH) 等性能對比如表 1 所示。表 1 中，“ 0 ”為基準線；“+”表示好；“−”表示差。
單活塞轉子發動機和兩缸四衝程汽油機被認為是在增程發電應用中最有前景的發動機。雖然轉子發動機比兩缸四衝程汽油機單體成本要低，但兩缸四衝程比轉子發動機的平臺更為通用化，降低了製造成本。兩缸四衝程發動機的成熟技術使得其具有明顯的優勢，是當前增程器用發動機較為理想的選擇。隨著轉子發動機的應用增多，其在車載發電中的優越性能將逐步得到體現 [26] 。除了常用的發動機以外，原動機還有許多新穎的選擇，比如斯特林發動機、小型蒸汽輪機、直線發動機等 [23-25] 。採用均質混合氣壓燃技術的發動機，因為集合了柴油機和汽油機的優點，也有望在未來的增程器上得到應用 [26] 。
由於增程發動機的工作點比較單一，系統能夠極大簡化，超負荷超速以及複雜的瞬態工作條件可以不予完全考慮。曲柄和閥都可以做降低摩擦和質量的優化。由於與負載和轉速需求相獨立，也允許啟動和催化劑加熱過程的排放優化 [27-28] 。
2.4 ISG 啟動發電機的選型比較啟動發電一體機 (integrated starter generator ， ISG)的選型依據與驅動電機類似，發電和啟動一體化設計的永磁電機提供啟動和發電兩個不同的工況。感應電機具有低成本、高可靠性的特點。開關磁阻發電機具有魯棒性和高速操作能力，但發電工況較低效，且存在較大的紋波。永磁電機比較高效，但有超速電壓失控的危險。一體化啟動發電機對電機的安裝尺寸、啟動力矩、輸出電壓和電流質量、工作溫度範圍都有比較苛刻的要求。增程器應用中，發電轉速能夠通過發動機調速得到主動控制，效率較高的永磁電機是較好的選擇。但是，帶有旋轉變壓器的繞線轉子同步發電機、永磁和激磁繞組混合轉子電機也因特殊的特性受到較大的關注 [29-31] 。與驅動電機工作在驅動工況相比， ISG 電機大部分時間工作在發電工況。發動機和發電機的工況協調與優化，以及綜合考慮高效工作區和功率因素是提高增程式電動汽車燃油性能的關鍵 [32] 。
3 增程式電動汽車動力系統配置
3.1 增程式電動汽車動力配置的要素
增程式電動汽車動力系統的配置包括：驅動電機、動力電池、增程器用發動機和發電機匹配。同時，還應考慮空調和電附件對整車的影響。雖然動力配置首先基於車輛的大小與定位，但動力系統的配置仍然具有一定的通用準則 [33] 。已經上市和正在研發的幾款增程式電動汽車的動力系統配置如表 2所示。
3.2 驅動電機的動力配置
驅動電機的選擇在考慮功率因素、效率的同時，還需要考慮電機特性的影響。效率分佈的高效區域應該與電機常態工作區儘可能相一致。驅動電機的配置依據如圖 5 所示 [34-37] 。恆轉矩的大小決定了車的啟動性能；切換點決定了車的加速性能；最大功率輸出決定了車的車速範圍。功率密度、動態性能等指標在驅動電機的選擇中要綜合考慮 [33, 36-37] 。
由於決定電動機驅動的額定功率的是加速的需求，而不是最高巡航車速或爬坡能力，所以加速性能是電動汽車首先要考慮的指標。加速時間 t a 為時間相對速度變化率的積分，通過如下公式計算：
3.3 電池容量的配置
電動機功率保證了加速和爬坡性能，發動機發電機功率保證車輛在平坦或低坡度路面上的恆速行駛需求。對於增程式電動汽車而言，電池的設計容量應該使得全電動行程 (all electric range ， AER)滿足日常駕駛需求。續駛里程與電池電量和燃油間的關係受到不同駕駛工況、車輛能耗分佈、整車控制策略的影響。針對目標增程式電動汽車車型 ( 具體參數表見附錄 A) ，對幾種典型的駕駛工況下的純電驅動能量消耗進行了仿真，仿真結果如圖 6 所示 [38] 。
摘要：增程式電動汽車又稱里程延長式電動汽車，作為純電動汽車的平穩過渡車型，以其效率高，電池容量小，不會因缺電拋錨等優點受到了廣泛的關注。該文針對燃油增程式電動汽車的動力部件選型、動力系統配置、系統協調控制與效率優化等關鍵技術問題進行了分析研究。對比分析國內外相關技術方案的同時，結合自主研發的一款增程式電動汽車進行了動力系統關鍵技術的探討。最後，展望了增程式電動汽車的技術發展，提出了幾個值得關注的相關重要研究課題與研究方向。
0 引言
面對日益嚴峻的氣候和能源形勢，電動汽車以其節能環保的巨大優勢，受到各國政府越來越多的重視。但是，當前動力電池存在價格高昂、能量密度較低，以及充電時間較長等問題，限制了電動汽車的大規模推廣應用。在動力電池短期內不能獲得較大性能提升的背景下，各種形式的混合動力汽車應運而生。其中，增程式電動汽車作為純電動汽車的平穩過渡車型，以其效率高、電池容量小，不會因缺電拋錨等優點受到了廣泛的關注。
增程式電動汽車是一種純電動驅動行駛的插電式串聯混合動力汽車，其動力系統由動力電池系統、動力驅動系統，以及增程器和整車控制系統組成。廣義的增程式電動汽車的增程器動力源應包含燃料電池、發動機等多種形式。本文主要論述以發動機為動力源的燃油增程式電動汽車，即狹義的增程式電動汽車。其與傳統燃油車相比，增程器的發動機能夠控制在最優工作狀態，具有排放量小的特點。與純電動汽車相比，所需電池容量要小很多，成本較低且不會缺電拋錨。與強混合動力車相比，電機與發動機沒有機械耦合，避免了頻繁的工作模式切換。而且，增程器輸出功率和電流可控，能夠採用更靈活的電池充放策略，有利於延長電池使用壽命 [1-2] 。
國家電動汽車科技發展“十二五”規劃將純電動汽車、增程式電動汽車和插電式混合動力汽車歸為一個大類，並制定了以小型純電動汽車關鍵技術研發作為純電動汽車產業化突破口，開發純電動和增程式小型轎車系列產品，實現大規模商業化的技術路線 [3] 。
國外，通用汽車的 VOLT 增程式電動汽車已經上市，歐寶也推出了自己的增程式電動廂式車。近期，寶馬、馬自達等汽車企業也加入了增程式電動汽車的研發和生產的行列。國內，增程式汽車的概念首先在南車時代電動、寧波神馬等企業的電動大巴上得到應用。長城、奇瑞、廣汽和北汽等汽車企業也相繼投入到了增程式電動汽車的研發當中 [4] 。
增程式電動汽車由於動力模塊的增加，整車的控制難度也相應地增加。增程式電動汽車整車的動力協調和最優控制，是增程式電動汽車的關鍵技術問題。尤其隨著增程式電動汽車的小型化，提高增程式電動汽車的經濟性能和單位效率變得尤為重要 [5-8] 。動力部件效率是增程式電動汽車整車效率的決定因素之一。由於增程模塊對電池充放電的影響，增程式電動汽車對電池的選型和控制策略也提出了新的要求。怎樣在變化的工況下提高驅動部件的效率，延長部件壽命，是增程式電動汽車的主要研究方向 [9-12] 。
增程式電動汽車與純電動和傳統混合動力相比，既有技術上的通用性，又有其特殊之處。下文將針對增程式電動汽車的動力部件選型、動力系統配置、系統協調控制與效率優化等關鍵技術問題進行分析。在對國內外最新的相關技術解決方案進行比較分析的同時，指出幾個今後值得關注的研究方向。
1 增程式電動汽車動力系統介紹
動力電池系統、動力驅動系統、增程器和整車控制系統是增程式電動汽車動力系統的 4 大重要組成部分。動力電池系統為電機驅動系統提供動力的同時，也為增程器發動機的啟動提供反拖電流；驅動系統為車輛提供動力輸出，由電機控制器接受整車控制器的命令控制車輛行駛；小排量的發動機和與之直接相連的發電機組成增程器，通過將發電機的交流電整流成與動力電池電壓相匹配的直流給動力電池充電；整車控制系統提供包括增程器的控制、駕駛員輸入信息處理、各動力部件的協調控制等整車控制功能。增程式電動汽車的動力系統結構如圖 1 所示 [1] 。
由於發動機並非常開狀態，也不直接參與動力輸出。增程式電動汽車與其他混合動力車在動力配置上，具有一定的區別。有別於傳統串聯混合車型採用較大的發動機來提供所有電力源，和較小的電池來實現能效的提高；增程式電動汽車的插電式充電模塊實現電池的外部充電，而只配置小功率的發電機滿足擴展里程需求。電池容量相對純電動要小，相對其他混合動力車要大。動力配置對比如圖 2 所示 [2, 12] 。
由於動力部件的增加，動力系統結構的改變，使得增程式電動汽車動力部件的選型標準具有自己的特點。雖然動力耦合的減少，減低了部分能量損耗；但頻繁的電力轉換也帶來了效率的降低。怎樣選擇動力部件類型、配置動力部件的參數，在保證系統動力性能的情況下使經濟性能最優，成為增程式電動汽車首先要解決的問題。
2 增程式電動汽車動力部件的選型比較
2.1 驅動電機的選型比較
增程式電動汽車驅動電機的配置與純電動汽車的配置相同 [13-14] 。電動汽車比較高效，且常用的驅動電機有交流三相感應電機 ( 以下簡稱感應電機 ) 、表貼永磁同步電機、內置式永磁同步電機、開關磁阻電機等。感應電機具有應用廣泛、維修方便等優點；但也存在功率因素較低、變壓變頻控制較複雜的缺點。永磁交流同步電機具有較高的效率和較好的動力特性；但存在著製造工藝複雜，受成本影響比較大等問題。對於永磁交流同步電機而言，內置式永磁同步電機特性要優於表貼永磁同步電機，但電機複雜度卻增加很多。開關磁阻電機結構簡單、抗擾性強，但存在轉矩脈衝和噪聲，以及振動問題 [15] 。以雙凸極永磁電機為代表的定子永磁電機對上述優點進行了融合，雖然增加了複雜度，也是電機的可選方案之一 [16-17] 。
增程式電動車以純電驅動為主的城市道路作為主要應用環境，電機效率和功率密度被作為主要考量標準。在相似工況環境和驅動系統功率情況下，幾種適用電動車的驅動電機效率比較如圖 3 所示。由於電機的性能受到氣隙、極弧係數、磁鋼性能、極對數等因素的影響，電機的優劣比較具有較大爭議。儘管如此，內置式永磁同步電機效率高、調速範圍寬的優勢仍然得以體現，是當前增程式電動汽車驅動電機的較優選擇 [18] 。
2.2 動力電池的選型比較
電池技術是電動汽車發展的主要瓶頸技術。伴隨著陽極材料、陰極材料、隔膜以及電解液材料等電池主要部件的新材料和新工藝的研發，電池性能不斷得到提升。不同材料的電壓和容量的特性如圖 4 所示 [19-20] 。
鋰電池磷酸鐵鋰、鈷酸鋰、錳酸鋰及其複合材料是當前動力電池正極材料的主流。其中，磷酸鐵鋰電池相對於鈷酸鋰、錳酸鋰具有較高的比容量，較長的壽命週期和較低的成本。負極材料中，碳和石墨材料是主流，鈦酸鋰、鋰單質負極材料也已經得到應用。磷酸鐵鋰和碳材料組成的電池單體，是當前增程式電動汽車電池較為理想的選擇 [21] 。隨著三元複合材料、固溶體材料組成的新型電池，以及金屬鋰材料組成的空氣鋰電池技術的完善與推廣，將會帶來動力電池性能的大幅提升，也是未來增程式和純電動汽車動力電池的發展趨勢 [22] 。
2.3 增程器發動機的選型比較
由於增程式電動汽車的增程器用發動機只與發電機有機械連接，對發動機的工況和性能要求降低，發動機選型自由度增加。幾種可用型號發動機的振動噪聲 (noise vibration and harshness ， NVH) 等性能對比如表 1 所示。表 1 中，“ 0 ”為基準線；“+”表示好；“−”表示差。
單活塞轉子發動機和兩缸四衝程汽油機被認為是在增程發電應用中最有前景的發動機。雖然轉子發動機比兩缸四衝程汽油機單體成本要低，但兩缸四衝程比轉子發動機的平臺更為通用化，降低了製造成本。兩缸四衝程發動機的成熟技術使得其具有明顯的優勢，是當前增程器用發動機較為理想的選擇。隨著轉子發動機的應用增多，其在車載發電中的優越性能將逐步得到體現 [26] 。除了常用的發動機以外，原動機還有許多新穎的選擇，比如斯特林發動機、小型蒸汽輪機、直線發動機等 [23-25] 。採用均質混合氣壓燃技術的發動機，因為集合了柴油機和汽油機的優點，也有望在未來的增程器上得到應用 [26] 。
由於增程發動機的工作點比較單一，系統能夠極大簡化，超負荷超速以及複雜的瞬態工作條件可以不予完全考慮。曲柄和閥都可以做降低摩擦和質量的優化。由於與負載和轉速需求相獨立，也允許啟動和催化劑加熱過程的排放優化 [27-28] 。
2.4 ISG 啟動發電機的選型比較啟動發電一體機 (integrated starter generator ， ISG)的選型依據與驅動電機類似，發電和啟動一體化設計的永磁電機提供啟動和發電兩個不同的工況。感應電機具有低成本、高可靠性的特點。開關磁阻發電機具有魯棒性和高速操作能力，但發電工況較低效，且存在較大的紋波。永磁電機比較高效，但有超速電壓失控的危險。一體化啟動發電機對電機的安裝尺寸、啟動力矩、輸出電壓和電流質量、工作溫度範圍都有比較苛刻的要求。增程器應用中，發電轉速能夠通過發動機調速得到主動控制，效率較高的永磁電機是較好的選擇。但是，帶有旋轉變壓器的繞線轉子同步發電機、永磁和激磁繞組混合轉子電機也因特殊的特性受到較大的關注 [29-31] 。與驅動電機工作在驅動工況相比， ISG 電機大部分時間工作在發電工況。發動機和發電機的工況協調與優化，以及綜合考慮高效工作區和功率因素是提高增程式電動汽車燃油性能的關鍵 [32] 。
3 增程式電動汽車動力系統配置
3.1 增程式電動汽車動力配置的要素
增程式電動汽車動力系統的配置包括：驅動電機、動力電池、增程器用發動機和發電機匹配。同時，還應考慮空調和電附件對整車的影響。雖然動力配置首先基於車輛的大小與定位，但動力系統的配置仍然具有一定的通用準則 [33] 。已經上市和正在研發的幾款增程式電動汽車的動力系統配置如表 2所示。
3.2 驅動電機的動力配置
驅動電機的選擇在考慮功率因素、效率的同時，還需要考慮電機特性的影響。效率分佈的高效區域應該與電機常態工作區儘可能相一致。驅動電機的配置依據如圖 5 所示 [34-37] 。恆轉矩的大小決定了車的啟動性能；切換點決定了車的加速性能；最大功率輸出決定了車的車速範圍。功率密度、動態性能等指標在驅動電機的選擇中要綜合考慮 [33, 36-37] 。
由於決定電動機驅動的額定功率的是加速的需求，而不是最高巡航車速或爬坡能力，所以加速性能是電動汽車首先要考慮的指標。加速時間 t a 為時間相對速度變化率的積分，通過如下公式計算：
3.3 電池容量的配置
電動機功率保證了加速和爬坡性能，發動機發電機功率保證車輛在平坦或低坡度路面上的恆速行駛需求。對於增程式電動汽車而言，電池的設計容量應該使得全電動行程 (all electric range ， AER)滿足日常駕駛需求。續駛里程與電池電量和燃油間的關係受到不同駕駛工況、車輛能耗分佈、整車控制策略的影響。針對目標增程式電動汽車車型 ( 具體參數表見附錄 A) ，對幾種典型的駕駛工況下的純電驅動能量消耗進行了仿真，仿真結果如圖 6 所示 [38] 。
根據國內外的相關調查，城市工況一半以上的每日駕駛行程小於 60 km ，當然具體城市的調查數據有一定差別 [39-40] 。根據增程式電動汽車的設計初衷，電池的容量應該滿足大部分工況純電驅動的需求。與此同時，增程器的發動機開關時刻的選擇，也與電池容量的配置相關 [41] 。電池容量的估算公式如式 (7)—(9) 所示。
摘要：增程式電動汽車又稱里程延長式電動汽車，作為純電動汽車的平穩過渡車型，以其效率高，電池容量小，不會因缺電拋錨等優點受到了廣泛的關注。該文針對燃油增程式電動汽車的動力部件選型、動力系統配置、系統協調控制與效率優化等關鍵技術問題進行了分析研究。對比分析國內外相關技術方案的同時，結合自主研發的一款增程式電動汽車進行了動力系統關鍵技術的探討。最後，展望了增程式電動汽車的技術發展，提出了幾個值得關注的相關重要研究課題與研究方向。
0 引言
面對日益嚴峻的氣候和能源形勢，電動汽車以其節能環保的巨大優勢，受到各國政府越來越多的重視。但是，當前動力電池存在價格高昂、能量密度較低，以及充電時間較長等問題，限制了電動汽車的大規模推廣應用。在動力電池短期內不能獲得較大性能提升的背景下，各種形式的混合動力汽車應運而生。其中，增程式電動汽車作為純電動汽車的平穩過渡車型，以其效率高、電池容量小，不會因缺電拋錨等優點受到了廣泛的關注。
增程式電動汽車是一種純電動驅動行駛的插電式串聯混合動力汽車，其動力系統由動力電池系統、動力驅動系統，以及增程器和整車控制系統組成。廣義的增程式電動汽車的增程器動力源應包含燃料電池、發動機等多種形式。本文主要論述以發動機為動力源的燃油增程式電動汽車，即狹義的增程式電動汽車。其與傳統燃油車相比，增程器的發動機能夠控制在最優工作狀態，具有排放量小的特點。與純電動汽車相比，所需電池容量要小很多，成本較低且不會缺電拋錨。與強混合動力車相比，電機與發動機沒有機械耦合，避免了頻繁的工作模式切換。而且，增程器輸出功率和電流可控，能夠採用更靈活的電池充放策略，有利於延長電池使用壽命 [1-2] 。
國家電動汽車科技發展“十二五”規劃將純電動汽車、增程式電動汽車和插電式混合動力汽車歸為一個大類，並制定了以小型純電動汽車關鍵技術研發作為純電動汽車產業化突破口，開發純電動和增程式小型轎車系列產品，實現大規模商業化的技術路線 [3] 。
國外，通用汽車的 VOLT 增程式電動汽車已經上市，歐寶也推出了自己的增程式電動廂式車。近期，寶馬、馬自達等汽車企業也加入了增程式電動汽車的研發和生產的行列。國內，增程式汽車的概念首先在南車時代電動、寧波神馬等企業的電動大巴上得到應用。長城、奇瑞、廣汽和北汽等汽車企業也相繼投入到了增程式電動汽車的研發當中 [4] 。
增程式電動汽車由於動力模塊的增加，整車的控制難度也相應地增加。增程式電動汽車整車的動力協調和最優控制，是增程式電動汽車的關鍵技術問題。尤其隨著增程式電動汽車的小型化，提高增程式電動汽車的經濟性能和單位效率變得尤為重要 [5-8] 。動力部件效率是增程式電動汽車整車效率的決定因素之一。由於增程模塊對電池充放電的影響，增程式電動汽車對電池的選型和控制策略也提出了新的要求。怎樣在變化的工況下提高驅動部件的效率，延長部件壽命，是增程式電動汽車的主要研究方向 [9-12] 。
增程式電動汽車與純電動和傳統混合動力相比，既有技術上的通用性，又有其特殊之處。下文將針對增程式電動汽車的動力部件選型、動力系統配置、系統協調控制與效率優化等關鍵技術問題進行分析。在對國內外最新的相關技術解決方案進行比較分析的同時，指出幾個今後值得關注的研究方向。
1 增程式電動汽車動力系統介紹
動力電池系統、動力驅動系統、增程器和整車控制系統是增程式電動汽車動力系統的 4 大重要組成部分。動力電池系統為電機驅動系統提供動力的同時，也為增程器發動機的啟動提供反拖電流；驅動系統為車輛提供動力輸出，由電機控制器接受整車控制器的命令控制車輛行駛；小排量的發動機和與之直接相連的發電機組成增程器，通過將發電機的交流電整流成與動力電池電壓相匹配的直流給動力電池充電；整車控制系統提供包括增程器的控制、駕駛員輸入信息處理、各動力部件的協調控制等整車控制功能。增程式電動汽車的動力系統結構如圖 1 所示 [1] 。
由於發動機並非常開狀態，也不直接參與動力輸出。增程式電動汽車與其他混合動力車在動力配置上，具有一定的區別。有別於傳統串聯混合車型採用較大的發動機來提供所有電力源，和較小的電池來實現能效的提高；增程式電動汽車的插電式充電模塊實現電池的外部充電，而只配置小功率的發電機滿足擴展里程需求。電池容量相對純電動要小，相對其他混合動力車要大。動力配置對比如圖 2 所示 [2, 12] 。
由於動力部件的增加，動力系統結構的改變，使得增程式電動汽車動力部件的選型標準具有自己的特點。雖然動力耦合的減少，減低了部分能量損耗；但頻繁的電力轉換也帶來了效率的降低。怎樣選擇動力部件類型、配置動力部件的參數，在保證系統動力性能的情況下使經濟性能最優，成為增程式電動汽車首先要解決的問題。
2 增程式電動汽車動力部件的選型比較
2.1 驅動電機的選型比較
增程式電動汽車驅動電機的配置與純電動汽車的配置相同 [13-14] 。電動汽車比較高效，且常用的驅動電機有交流三相感應電機 ( 以下簡稱感應電機 ) 、表貼永磁同步電機、內置式永磁同步電機、開關磁阻電機等。感應電機具有應用廣泛、維修方便等優點；但也存在功率因素較低、變壓變頻控制較複雜的缺點。永磁交流同步電機具有較高的效率和較好的動力特性；但存在著製造工藝複雜，受成本影響比較大等問題。對於永磁交流同步電機而言，內置式永磁同步電機特性要優於表貼永磁同步電機，但電機複雜度卻增加很多。開關磁阻電機結構簡單、抗擾性強，但存在轉矩脈衝和噪聲，以及振動問題 [15] 。以雙凸極永磁電機為代表的定子永磁電機對上述優點進行了融合，雖然增加了複雜度，也是電機的可選方案之一 [16-17] 。
增程式電動車以純電驅動為主的城市道路作為主要應用環境，電機效率和功率密度被作為主要考量標準。在相似工況環境和驅動系統功率情況下，幾種適用電動車的驅動電機效率比較如圖 3 所示。由於電機的性能受到氣隙、極弧係數、磁鋼性能、極對數等因素的影響，電機的優劣比較具有較大爭議。儘管如此，內置式永磁同步電機效率高、調速範圍寬的優勢仍然得以體現，是當前增程式電動汽車驅動電機的較優選擇 [18] 。
2.2 動力電池的選型比較
電池技術是電動汽車發展的主要瓶頸技術。伴隨著陽極材料、陰極材料、隔膜以及電解液材料等電池主要部件的新材料和新工藝的研發，電池性能不斷得到提升。不同材料的電壓和容量的特性如圖 4 所示 [19-20] 。
鋰電池磷酸鐵鋰、鈷酸鋰、錳酸鋰及其複合材料是當前動力電池正極材料的主流。其中，磷酸鐵鋰電池相對於鈷酸鋰、錳酸鋰具有較高的比容量，較長的壽命週期和較低的成本。負極材料中，碳和石墨材料是主流，鈦酸鋰、鋰單質負極材料也已經得到應用。磷酸鐵鋰和碳材料組成的電池單體，是當前增程式電動汽車電池較為理想的選擇 [21] 。隨著三元複合材料、固溶體材料組成的新型電池，以及金屬鋰材料組成的空氣鋰電池技術的完善與推廣，將會帶來動力電池性能的大幅提升，也是未來增程式和純電動汽車動力電池的發展趨勢 [22] 。
2.3 增程器發動機的選型比較
由於增程式電動汽車的增程器用發動機只與發電機有機械連接，對發動機的工況和性能要求降低，發動機選型自由度增加。幾種可用型號發動機的振動噪聲 (noise vibration and harshness ， NVH) 等性能對比如表 1 所示。表 1 中，“ 0 ”為基準線；“+”表示好；“−”表示差。
單活塞轉子發動機和兩缸四衝程汽油機被認為是在增程發電應用中最有前景的發動機。雖然轉子發動機比兩缸四衝程汽油機單體成本要低，但兩缸四衝程比轉子發動機的平臺更為通用化，降低了製造成本。兩缸四衝程發動機的成熟技術使得其具有明顯的優勢，是當前增程器用發動機較為理想的選擇。隨著轉子發動機的應用增多，其在車載發電中的優越性能將逐步得到體現 [26] 。除了常用的發動機以外，原動機還有許多新穎的選擇，比如斯特林發動機、小型蒸汽輪機、直線發動機等 [23-25] 。採用均質混合氣壓燃技術的發動機，因為集合了柴油機和汽油機的優點，也有望在未來的增程器上得到應用 [26] 。
由於增程發動機的工作點比較單一，系統能夠極大簡化，超負荷超速以及複雜的瞬態工作條件可以不予完全考慮。曲柄和閥都可以做降低摩擦和質量的優化。由於與負載和轉速需求相獨立，也允許啟動和催化劑加熱過程的排放優化 [27-28] 。
2.4 ISG 啟動發電機的選型比較啟動發電一體機 (integrated starter generator ， ISG)的選型依據與驅動電機類似，發電和啟動一體化設計的永磁電機提供啟動和發電兩個不同的工況。感應電機具有低成本、高可靠性的特點。開關磁阻發電機具有魯棒性和高速操作能力，但發電工況較低效，且存在較大的紋波。永磁電機比較高效，但有超速電壓失控的危險。一體化啟動發電機對電機的安裝尺寸、啟動力矩、輸出電壓和電流質量、工作溫度範圍都有比較苛刻的要求。增程器應用中，發電轉速能夠通過發動機調速得到主動控制，效率較高的永磁電機是較好的選擇。但是，帶有旋轉變壓器的繞線轉子同步發電機、永磁和激磁繞組混合轉子電機也因特殊的特性受到較大的關注 [29-31] 。與驅動電機工作在驅動工況相比， ISG 電機大部分時間工作在發電工況。發動機和發電機的工況協調與優化，以及綜合考慮高效工作區和功率因素是提高增程式電動汽車燃油性能的關鍵 [32] 。
3 增程式電動汽車動力系統配置
3.1 增程式電動汽車動力配置的要素
增程式電動汽車動力系統的配置包括：驅動電機、動力電池、增程器用發動機和發電機匹配。同時，還應考慮空調和電附件對整車的影響。雖然動力配置首先基於車輛的大小與定位，但動力系統的配置仍然具有一定的通用準則 [33] 。已經上市和正在研發的幾款增程式電動汽車的動力系統配置如表 2所示。
3.2 驅動電機的動力配置
驅動電機的選擇在考慮功率因素、效率的同時，還需要考慮電機特性的影響。效率分佈的高效區域應該與電機常態工作區儘可能相一致。驅動電機的配置依據如圖 5 所示 [34-37] 。恆轉矩的大小決定了車的啟動性能；切換點決定了車的加速性能；最大功率輸出決定了車的車速範圍。功率密度、動態性能等指標在驅動電機的選擇中要綜合考慮 [33, 36-37] 。
由於決定電動機驅動的額定功率的是加速的需求，而不是最高巡航車速或爬坡能力，所以加速性能是電動汽車首先要考慮的指標。加速時間 t a 為時間相對速度變化率的積分，通過如下公式計算：
3.3 電池容量的配置
電動機功率保證了加速和爬坡性能，發動機發電機功率保證車輛在平坦或低坡度路面上的恆速行駛需求。對於增程式電動汽車而言，電池的設計容量應該使得全電動行程 (all electric range ， AER)滿足日常駕駛需求。續駛里程與電池電量和燃油間的關係受到不同駕駛工況、車輛能耗分佈、整車控制策略的影響。針對目標增程式電動汽車車型 ( 具體參數表見附錄 A) ，對幾種典型的駕駛工況下的純電驅動能量消耗進行了仿真，仿真結果如圖 6 所示 [38] 。
根據國內外的相關調查，城市工況一半以上的每日駕駛行程小於 60 km ，當然具體城市的調查數據有一定差別 [39-40] 。根據增程式電動汽車的設計初衷，電池的容量應該滿足大部分工況純電驅動的需求。與此同時，增程器的發動機開關時刻的選擇，也與電池容量的配置相關 [41] 。電池容量的估算公式如式 (7)—(9) 所示。
3.4 增程器的配置
增程器的配置包括了 ISG 電機和發動機兩部分。除了整體的發電效率滿足整車的基本功率需求之外，增程發動機和發電機的效率分佈應該儘可能的一致，以期達到整體的效率最優。功率需求的估算如下式所示：
摘要：增程式電動汽車又稱里程延長式電動汽車，作為純電動汽車的平穩過渡車型，以其效率高，電池容量小，不會因缺電拋錨等優點受到了廣泛的關注。該文針對燃油增程式電動汽車的動力部件選型、動力系統配置、系統協調控制與效率優化等關鍵技術問題進行了分析研究。對比分析國內外相關技術方案的同時，結合自主研發的一款增程式電動汽車進行了動力系統關鍵技術的探討。最後，展望了增程式電動汽車的技術發展，提出了幾個值得關注的相關重要研究課題與研究方向。
0 引言
面對日益嚴峻的氣候和能源形勢，電動汽車以其節能環保的巨大優勢，受到各國政府越來越多的重視。但是，當前動力電池存在價格高昂、能量密度較低，以及充電時間較長等問題，限制了電動汽車的大規模推廣應用。在動力電池短期內不能獲得較大性能提升的背景下，各種形式的混合動力汽車應運而生。其中，增程式電動汽車作為純電動汽車的平穩過渡車型，以其效率高、電池容量小，不會因缺電拋錨等優點受到了廣泛的關注。
增程式電動汽車是一種純電動驅動行駛的插電式串聯混合動力汽車，其動力系統由動力電池系統、動力驅動系統，以及增程器和整車控制系統組成。廣義的增程式電動汽車的增程器動力源應包含燃料電池、發動機等多種形式。本文主要論述以發動機為動力源的燃油增程式電動汽車，即狹義的增程式電動汽車。其與傳統燃油車相比，增程器的發動機能夠控制在最優工作狀態，具有排放量小的特點。與純電動汽車相比，所需電池容量要小很多，成本較低且不會缺電拋錨。與強混合動力車相比，電機與發動機沒有機械耦合，避免了頻繁的工作模式切換。而且，增程器輸出功率和電流可控，能夠採用更靈活的電池充放策略，有利於延長電池使用壽命 [1-2] 。
國家電動汽車科技發展“十二五”規劃將純電動汽車、增程式電動汽車和插電式混合動力汽車歸為一個大類，並制定了以小型純電動汽車關鍵技術研發作為純電動汽車產業化突破口，開發純電動和增程式小型轎車系列產品，實現大規模商業化的技術路線 [3] 。
國外，通用汽車的 VOLT 增程式電動汽車已經上市，歐寶也推出了自己的增程式電動廂式車。近期，寶馬、馬自達等汽車企業也加入了增程式電動汽車的研發和生產的行列。國內，增程式汽車的概念首先在南車時代電動、寧波神馬等企業的電動大巴上得到應用。長城、奇瑞、廣汽和北汽等汽車企業也相繼投入到了增程式電動汽車的研發當中 [4] 。
增程式電動汽車由於動力模塊的增加，整車的控制難度也相應地增加。增程式電動汽車整車的動力協調和最優控制，是增程式電動汽車的關鍵技術問題。尤其隨著增程式電動汽車的小型化，提高增程式電動汽車的經濟性能和單位效率變得尤為重要 [5-8] 。動力部件效率是增程式電動汽車整車效率的決定因素之一。由於增程模塊對電池充放電的影響，增程式電動汽車對電池的選型和控制策略也提出了新的要求。怎樣在變化的工況下提高驅動部件的效率，延長部件壽命，是增程式電動汽車的主要研究方向 [9-12] 。
增程式電動汽車與純電動和傳統混合動力相比，既有技術上的通用性，又有其特殊之處。下文將針對增程式電動汽車的動力部件選型、動力系統配置、系統協調控制與效率優化等關鍵技術問題進行分析。在對國內外最新的相關技術解決方案進行比較分析的同時，指出幾個今後值得關注的研究方向。
1 增程式電動汽車動力系統介紹
動力電池系統、動力驅動系統、增程器和整車控制系統是增程式電動汽車動力系統的 4 大重要組成部分。動力電池系統為電機驅動系統提供動力的同時，也為增程器發動機的啟動提供反拖電流；驅動系統為車輛提供動力輸出，由電機控制器接受整車控制器的命令控制車輛行駛；小排量的發動機和與之直接相連的發電機組成增程器，通過將發電機的交流電整流成與動力電池電壓相匹配的直流給動力電池充電；整車控制系統提供包括增程器的控制、駕駛員輸入信息處理、各動力部件的協調控制等整車控制功能。增程式電動汽車的動力系統結構如圖 1 所示 [1] 。
由於發動機並非常開狀態，也不直接參與動力輸出。增程式電動汽車與其他混合動力車在動力配置上，具有一定的區別。有別於傳統串聯混合車型採用較大的發動機來提供所有電力源，和較小的電池來實現能效的提高；增程式電動汽車的插電式充電模塊實現電池的外部充電，而只配置小功率的發電機滿足擴展里程需求。電池容量相對純電動要小，相對其他混合動力車要大。動力配置對比如圖 2 所示 [2, 12] 。
由於動力部件的增加，動力系統結構的改變，使得增程式電動汽車動力部件的選型標準具有自己的特點。雖然動力耦合的減少，減低了部分能量損耗；但頻繁的電力轉換也帶來了效率的降低。怎樣選擇動力部件類型、配置動力部件的參數，在保證系統動力性能的情況下使經濟性能最優，成為增程式電動汽車首先要解決的問題。
2 增程式電動汽車動力部件的選型比較
2.1 驅動電機的選型比較
增程式電動汽車驅動電機的配置與純電動汽車的配置相同 [13-14] 。電動汽車比較高效，且常用的驅動電機有交流三相感應電機 ( 以下簡稱感應電機 ) 、表貼永磁同步電機、內置式永磁同步電機、開關磁阻電機等。感應電機具有應用廣泛、維修方便等優點；但也存在功率因素較低、變壓變頻控制較複雜的缺點。永磁交流同步電機具有較高的效率和較好的動力特性；但存在著製造工藝複雜，受成本影響比較大等問題。對於永磁交流同步電機而言，內置式永磁同步電機特性要優於表貼永磁同步電機，但電機複雜度卻增加很多。開關磁阻電機結構簡單、抗擾性強，但存在轉矩脈衝和噪聲，以及振動問題 [15] 。以雙凸極永磁電機為代表的定子永磁電機對上述優點進行了融合，雖然增加了複雜度，也是電機的可選方案之一 [16-17] 。
增程式電動車以純電驅動為主的城市道路作為主要應用環境，電機效率和功率密度被作為主要考量標準。在相似工況環境和驅動系統功率情況下，幾種適用電動車的驅動電機效率比較如圖 3 所示。由於電機的性能受到氣隙、極弧係數、磁鋼性能、極對數等因素的影響，電機的優劣比較具有較大爭議。儘管如此，內置式永磁同步電機效率高、調速範圍寬的優勢仍然得以體現，是當前增程式電動汽車驅動電機的較優選擇 [18] 。
2.2 動力電池的選型比較
電池技術是電動汽車發展的主要瓶頸技術。伴隨著陽極材料、陰極材料、隔膜以及電解液材料等電池主要部件的新材料和新工藝的研發，電池性能不斷得到提升。不同材料的電壓和容量的特性如圖 4 所示 [19-20] 。
鋰電池磷酸鐵鋰、鈷酸鋰、錳酸鋰及其複合材料是當前動力電池正極材料的主流。其中，磷酸鐵鋰電池相對於鈷酸鋰、錳酸鋰具有較高的比容量，較長的壽命週期和較低的成本。負極材料中，碳和石墨材料是主流，鈦酸鋰、鋰單質負極材料也已經得到應用。磷酸鐵鋰和碳材料組成的電池單體，是當前增程式電動汽車電池較為理想的選擇 [21] 。隨著三元複合材料、固溶體材料組成的新型電池，以及金屬鋰材料組成的空氣鋰電池技術的完善與推廣，將會帶來動力電池性能的大幅提升，也是未來增程式和純電動汽車動力電池的發展趨勢 [22] 。
2.3 增程器發動機的選型比較
由於增程式電動汽車的增程器用發動機只與發電機有機械連接，對發動機的工況和性能要求降低，發動機選型自由度增加。幾種可用型號發動機的振動噪聲 (noise vibration and harshness ， NVH) 等性能對比如表 1 所示。表 1 中，“ 0 ”為基準線；“+”表示好；“−”表示差。
單活塞轉子發動機和兩缸四衝程汽油機被認為是在增程發電應用中最有前景的發動機。雖然轉子發動機比兩缸四衝程汽油機單體成本要低，但兩缸四衝程比轉子發動機的平臺更為通用化，降低了製造成本。兩缸四衝程發動機的成熟技術使得其具有明顯的優勢，是當前增程器用發動機較為理想的選擇。隨著轉子發動機的應用增多，其在車載發電中的優越性能將逐步得到體現 [26] 。除了常用的發動機以外，原動機還有許多新穎的選擇，比如斯特林發動機、小型蒸汽輪機、直線發動機等 [23-25] 。採用均質混合氣壓燃技術的發動機，因為集合了柴油機和汽油機的優點，也有望在未來的增程器上得到應用 [26] 。
由於增程發動機的工作點比較單一，系統能夠極大簡化，超負荷超速以及複雜的瞬態工作條件可以不予完全考慮。曲柄和閥都可以做降低摩擦和質量的優化。由於與負載和轉速需求相獨立，也允許啟動和催化劑加熱過程的排放優化 [27-28] 。
2.4 ISG 啟動發電機的選型比較啟動發電一體機 (integrated starter generator ， ISG)的選型依據與驅動電機類似，發電和啟動一體化設計的永磁電機提供啟動和發電兩個不同的工況。感應電機具有低成本、高可靠性的特點。開關磁阻發電機具有魯棒性和高速操作能力，但發電工況較低效，且存在較大的紋波。永磁電機比較高效，但有超速電壓失控的危險。一體化啟動發電機對電機的安裝尺寸、啟動力矩、輸出電壓和電流質量、工作溫度範圍都有比較苛刻的要求。增程器應用中，發電轉速能夠通過發動機調速得到主動控制，效率較高的永磁電機是較好的選擇。但是，帶有旋轉變壓器的繞線轉子同步發電機、永磁和激磁繞組混合轉子電機也因特殊的特性受到較大的關注 [29-31] 。與驅動電機工作在驅動工況相比， ISG 電機大部分時間工作在發電工況。發動機和發電機的工況協調與優化，以及綜合考慮高效工作區和功率因素是提高增程式電動汽車燃油性能的關鍵 [32] 。
3 增程式電動汽車動力系統配置
3.1 增程式電動汽車動力配置的要素
增程式電動汽車動力系統的配置包括：驅動電機、動力電池、增程器用發動機和發電機匹配。同時，還應考慮空調和電附件對整車的影響。雖然動力配置首先基於車輛的大小與定位，但動力系統的配置仍然具有一定的通用準則 [33] 。已經上市和正在研發的幾款增程式電動汽車的動力系統配置如表 2所示。
3.2 驅動電機的動力配置
驅動電機的選擇在考慮功率因素、效率的同時，還需要考慮電機特性的影響。效率分佈的高效區域應該與電機常態工作區儘可能相一致。驅動電機的配置依據如圖 5 所示 [34-37] 。恆轉矩的大小決定了車的啟動性能；切換點決定了車的加速性能；最大功率輸出決定了車的車速範圍。功率密度、動態性能等指標在驅動電機的選擇中要綜合考慮 [33, 36-37] 。
由於決定電動機驅動的額定功率的是加速的需求，而不是最高巡航車速或爬坡能力，所以加速性能是電動汽車首先要考慮的指標。加速時間 t a 為時間相對速度變化率的積分，通過如下公式計算：
3.3 電池容量的配置
電動機功率保證了加速和爬坡性能，發動機發電機功率保證車輛在平坦或低坡度路面上的恆速行駛需求。對於增程式電動汽車而言，電池的設計容量應該使得全電動行程 (all electric range ， AER)滿足日常駕駛需求。續駛里程與電池電量和燃油間的關係受到不同駕駛工況、車輛能耗分佈、整車控制策略的影響。針對目標增程式電動汽車車型 ( 具體參數表見附錄 A) ，對幾種典型的駕駛工況下的純電驅動能量消耗進行了仿真，仿真結果如圖 6 所示 [38] 。
根據國內外的相關調查，城市工況一半以上的每日駕駛行程小於 60 km ，當然具體城市的調查數據有一定差別 [39-40] 。根據增程式電動汽車的設計初衷，電池的容量應該滿足大部分工況純電驅動的需求。與此同時，增程器的發動機開關時刻的選擇，也與電池容量的配置相關 [41] 。電池容量的估算公式如式 (7)—(9) 所示。
3.4 增程器的配置
增程器的配置包括了 ISG 電機和發動機兩部分。除了整體的發電效率滿足整車的基本功率需求之外，增程發動機和發電機的效率分佈應該儘可能的一致，以期達到整體的效率最優。功率需求的估算如下式所示：
由於 APU 單元和其他動力單元間具有較大的干擾，為了規避這種干擾，除了控制方法上的考慮，整流模塊上的優化也是必要的 [1] 。
4 增程式電動汽車協調控制與能效優化
4.1 增程式電動汽車的能量流向
增程器的獨立能量供給提供了多種工作模式的選擇。在日常的使用中，可將增程器關閉，僅由電池提供驅動動力。這樣既可以通過提高增程器功率輸出提升整車動力性能，又可以根據動力消耗發電維持荷電狀態 (SOC) ，還可以通過功率補償方式獲得電池使用壽命的增加。相應控制方式下，各個動力部件的協調既可以通過手動需求輸入實現，也可以通過整車行駛工況的狀態識別來實現。無論採用哪種工作模式，採用適當的策略，在協調控制動力部件工作的同時，提升整車的能效水平是非常重要的。
整車動力部件設計定型後，效率的優化主要通過以下途徑實現：1 ）控制發動機工作在最低油耗區或最低特定汙染物排放的區域，或通過多目標優化方法獲得帕累託 (pareto) 最優解；2 ）最大化再生制動能量利用；3 ）通過需求導向的控制策略降低附加能量消耗。在考慮能量優化的同時，需要對過流、過溫等危險工況進行限制。目標車型典型工況下能量損耗分析如圖 8 所示 [42-43] 。
4.2 充電效率與熱管理
充電效率與負載情況相關，隨著電池 SOC 和其他狀態的改變、動力輸出的變化，充電的效率也會相應發生改變。最新的零電壓隔行掃描 boost 電路，通過適當的策略，使得 AC 到 DC 轉換已經能夠做到如圖 9 所示的效率 [44-46] 。怎樣在變化的工況下提升能量使用效率，是增程式電動汽車控制亟待解決的問題。
由於動力電池不僅有驅動電機的充放電，也有輔助動力裝置 (auxiliary power unit ， APU) 為其充電，使得動力電池的充放電變的更加頻繁，電池的鬆弛效應和滯後效應更加明顯 [47] 。溫度對電池的充放電有很大的影響，在不同的溫度下電池表現出的充放電特性如圖 10 所示 [48-49] 。在不同的荷電狀態下，電池的充放電功率會隨著溫度的變化發生變化。為了保證頻繁充放電情況下電池組的溫度適應性，控制系統的策略需要特別考慮。特殊的電池管理系統和溫度控制系統也有助於電池能效的提升。電池均衡設備和混合儲能系統也是可選的方案 [50-51] 。值得注意的是，電池的熱處理需要綜合考慮多種因素的影響 [52] 。
摘要：增程式電動汽車又稱里程延長式電動汽車，作為純電動汽車的平穩過渡車型，以其效率高，電池容量小，不會因缺電拋錨等優點受到了廣泛的關注。該文針對燃油增程式電動汽車的動力部件選型、動力系統配置、系統協調控制與效率優化等關鍵技術問題進行了分析研究。對比分析國內外相關技術方案的同時，結合自主研發的一款增程式電動汽車進行了動力系統關鍵技術的探討。最後，展望了增程式電動汽車的技術發展，提出了幾個值得關注的相關重要研究課題與研究方向。
0 引言
面對日益嚴峻的氣候和能源形勢，電動汽車以其節能環保的巨大優勢，受到各國政府越來越多的重視。但是，當前動力電池存在價格高昂、能量密度較低，以及充電時間較長等問題，限制了電動汽車的大規模推廣應用。在動力電池短期內不能獲得較大性能提升的背景下，各種形式的混合動力汽車應運而生。其中，增程式電動汽車作為純電動汽車的平穩過渡車型，以其效率高、電池容量小，不會因缺電拋錨等優點受到了廣泛的關注。
增程式電動汽車是一種純電動驅動行駛的插電式串聯混合動力汽車，其動力系統由動力電池系統、動力驅動系統，以及增程器和整車控制系統組成。廣義的增程式電動汽車的增程器動力源應包含燃料電池、發動機等多種形式。本文主要論述以發動機為動力源的燃油增程式電動汽車，即狹義的增程式電動汽車。其與傳統燃油車相比，增程器的發動機能夠控制在最優工作狀態，具有排放量小的特點。與純電動汽車相比，所需電池容量要小很多，成本較低且不會缺電拋錨。與強混合動力車相比，電機與發動機沒有機械耦合，避免了頻繁的工作模式切換。而且，增程器輸出功率和電流可控，能夠採用更靈活的電池充放策略，有利於延長電池使用壽命 [1-2] 。
國家電動汽車科技發展“十二五”規劃將純電動汽車、增程式電動汽車和插電式混合動力汽車歸為一個大類，並制定了以小型純電動汽車關鍵技術研發作為純電動汽車產業化突破口，開發純電動和增程式小型轎車系列產品，實現大規模商業化的技術路線 [3] 。
國外，通用汽車的 VOLT 增程式電動汽車已經上市，歐寶也推出了自己的增程式電動廂式車。近期，寶馬、馬自達等汽車企業也加入了增程式電動汽車的研發和生產的行列。國內，增程式汽車的概念首先在南車時代電動、寧波神馬等企業的電動大巴上得到應用。長城、奇瑞、廣汽和北汽等汽車企業也相繼投入到了增程式電動汽車的研發當中 [4] 。
增程式電動汽車由於動力模塊的增加，整車的控制難度也相應地增加。增程式電動汽車整車的動力協調和最優控制，是增程式電動汽車的關鍵技術問題。尤其隨著增程式電動汽車的小型化，提高增程式電動汽車的經濟性能和單位效率變得尤為重要 [5-8] 。動力部件效率是增程式電動汽車整車效率的決定因素之一。由於增程模塊對電池充放電的影響，增程式電動汽車對電池的選型和控制策略也提出了新的要求。怎樣在變化的工況下提高驅動部件的效率，延長部件壽命，是增程式電動汽車的主要研究方向 [9-12] 。
增程式電動汽車與純電動和傳統混合動力相比，既有技術上的通用性，又有其特殊之處。下文將針對增程式電動汽車的動力部件選型、動力系統配置、系統協調控制與效率優化等關鍵技術問題進行分析。在對國內外最新的相關技術解決方案進行比較分析的同時，指出幾個今後值得關注的研究方向。
1 增程式電動汽車動力系統介紹
動力電池系統、動力驅動系統、增程器和整車控制系統是增程式電動汽車動力系統的 4 大重要組成部分。動力電池系統為電機驅動系統提供動力的同時，也為增程器發動機的啟動提供反拖電流；驅動系統為車輛提供動力輸出，由電機控制器接受整車控制器的命令控制車輛行駛；小排量的發動機和與之直接相連的發電機組成增程器，通過將發電機的交流電整流成與動力電池電壓相匹配的直流給動力電池充電；整車控制系統提供包括增程器的控制、駕駛員輸入信息處理、各動力部件的協調控制等整車控制功能。增程式電動汽車的動力系統結構如圖 1 所示 [1] 。
由於發動機並非常開狀態，也不直接參與動力輸出。增程式電動汽車與其他混合動力車在動力配置上，具有一定的區別。有別於傳統串聯混合車型採用較大的發動機來提供所有電力源，和較小的電池來實現能效的提高；增程式電動汽車的插電式充電模塊實現電池的外部充電，而只配置小功率的發電機滿足擴展里程需求。電池容量相對純電動要小，相對其他混合動力車要大。動力配置對比如圖 2 所示 [2, 12] 。
由於動力部件的增加，動力系統結構的改變，使得增程式電動汽車動力部件的選型標準具有自己的特點。雖然動力耦合的減少，減低了部分能量損耗；但頻繁的電力轉換也帶來了效率的降低。怎樣選擇動力部件類型、配置動力部件的參數，在保證系統動力性能的情況下使經濟性能最優，成為增程式電動汽車首先要解決的問題。
2 增程式電動汽車動力部件的選型比較
2.1 驅動電機的選型比較
增程式電動汽車驅動電機的配置與純電動汽車的配置相同 [13-14] 。電動汽車比較高效，且常用的驅動電機有交流三相感應電機 ( 以下簡稱感應電機 ) 、表貼永磁同步電機、內置式永磁同步電機、開關磁阻電機等。感應電機具有應用廣泛、維修方便等優點；但也存在功率因素較低、變壓變頻控制較複雜的缺點。永磁交流同步電機具有較高的效率和較好的動力特性；但存在著製造工藝複雜，受成本影響比較大等問題。對於永磁交流同步電機而言，內置式永磁同步電機特性要優於表貼永磁同步電機，但電機複雜度卻增加很多。開關磁阻電機結構簡單、抗擾性強，但存在轉矩脈衝和噪聲，以及振動問題 [15] 。以雙凸極永磁電機為代表的定子永磁電機對上述優點進行了融合，雖然增加了複雜度，也是電機的可選方案之一 [16-17] 。
增程式電動車以純電驅動為主的城市道路作為主要應用環境，電機效率和功率密度被作為主要考量標準。在相似工況環境和驅動系統功率情況下，幾種適用電動車的驅動電機效率比較如圖 3 所示。由於電機的性能受到氣隙、極弧係數、磁鋼性能、極對數等因素的影響，電機的優劣比較具有較大爭議。儘管如此，內置式永磁同步電機效率高、調速範圍寬的優勢仍然得以體現，是當前增程式電動汽車驅動電機的較優選擇 [18] 。
2.2 動力電池的選型比較
電池技術是電動汽車發展的主要瓶頸技術。伴隨著陽極材料、陰極材料、隔膜以及電解液材料等電池主要部件的新材料和新工藝的研發，電池性能不斷得到提升。不同材料的電壓和容量的特性如圖 4 所示 [19-20] 。
鋰電池磷酸鐵鋰、鈷酸鋰、錳酸鋰及其複合材料是當前動力電池正極材料的主流。其中，磷酸鐵鋰電池相對於鈷酸鋰、錳酸鋰具有較高的比容量，較長的壽命週期和較低的成本。負極材料中，碳和石墨材料是主流，鈦酸鋰、鋰單質負極材料也已經得到應用。磷酸鐵鋰和碳材料組成的電池單體，是當前增程式電動汽車電池較為理想的選擇 [21] 。隨著三元複合材料、固溶體材料組成的新型電池，以及金屬鋰材料組成的空氣鋰電池技術的完善與推廣，將會帶來動力電池性能的大幅提升，也是未來增程式和純電動汽車動力電池的發展趨勢 [22] 。
2.3 增程器發動機的選型比較
由於增程式電動汽車的增程器用發動機只與發電機有機械連接，對發動機的工況和性能要求降低，發動機選型自由度增加。幾種可用型號發動機的振動噪聲 (noise vibration and harshness ， NVH) 等性能對比如表 1 所示。表 1 中，“ 0 ”為基準線；“+”表示好；“−”表示差。
單活塞轉子發動機和兩缸四衝程汽油機被認為是在增程發電應用中最有前景的發動機。雖然轉子發動機比兩缸四衝程汽油機單體成本要低，但兩缸四衝程比轉子發動機的平臺更為通用化，降低了製造成本。兩缸四衝程發動機的成熟技術使得其具有明顯的優勢，是當前增程器用發動機較為理想的選擇。隨著轉子發動機的應用增多，其在車載發電中的優越性能將逐步得到體現 [26] 。除了常用的發動機以外，原動機還有許多新穎的選擇，比如斯特林發動機、小型蒸汽輪機、直線發動機等 [23-25] 。採用均質混合氣壓燃技術的發動機，因為集合了柴油機和汽油機的優點，也有望在未來的增程器上得到應用 [26] 。
由於增程發動機的工作點比較單一，系統能夠極大簡化，超負荷超速以及複雜的瞬態工作條件可以不予完全考慮。曲柄和閥都可以做降低摩擦和質量的優化。由於與負載和轉速需求相獨立，也允許啟動和催化劑加熱過程的排放優化 [27-28] 。
2.4 ISG 啟動發電機的選型比較啟動發電一體機 (integrated starter generator ， ISG)的選型依據與驅動電機類似，發電和啟動一體化設計的永磁電機提供啟動和發電兩個不同的工況。感應電機具有低成本、高可靠性的特點。開關磁阻發電機具有魯棒性和高速操作能力，但發電工況較低效，且存在較大的紋波。永磁電機比較高效，但有超速電壓失控的危險。一體化啟動發電機對電機的安裝尺寸、啟動力矩、輸出電壓和電流質量、工作溫度範圍都有比較苛刻的要求。增程器應用中，發電轉速能夠通過發動機調速得到主動控制，效率較高的永磁電機是較好的選擇。但是，帶有旋轉變壓器的繞線轉子同步發電機、永磁和激磁繞組混合轉子電機也因特殊的特性受到較大的關注 [29-31] 。與驅動電機工作在驅動工況相比， ISG 電機大部分時間工作在發電工況。發動機和發電機的工況協調與優化，以及綜合考慮高效工作區和功率因素是提高增程式電動汽車燃油性能的關鍵 [32] 。
3 增程式電動汽車動力系統配置
3.1 增程式電動汽車動力配置的要素
增程式電動汽車動力系統的配置包括：驅動電機、動力電池、增程器用發動機和發電機匹配。同時，還應考慮空調和電附件對整車的影響。雖然動力配置首先基於車輛的大小與定位，但動力系統的配置仍然具有一定的通用準則 [33] 。已經上市和正在研發的幾款增程式電動汽車的動力系統配置如表 2所示。
3.2 驅動電機的動力配置
驅動電機的選擇在考慮功率因素、效率的同時，還需要考慮電機特性的影響。效率分佈的高效區域應該與電機常態工作區儘可能相一致。驅動電機的配置依據如圖 5 所示 [34-37] 。恆轉矩的大小決定了車的啟動性能；切換點決定了車的加速性能；最大功率輸出決定了車的車速範圍。功率密度、動態性能等指標在驅動電機的選擇中要綜合考慮 [33, 36-37] 。
由於決定電動機驅動的額定功率的是加速的需求，而不是最高巡航車速或爬坡能力，所以加速性能是電動汽車首先要考慮的指標。加速時間 t a 為時間相對速度變化率的積分，通過如下公式計算：
3.3 電池容量的配置
電動機功率保證了加速和爬坡性能，發動機發電機功率保證車輛在平坦或低坡度路面上的恆速行駛需求。對於增程式電動汽車而言，電池的設計容量應該使得全電動行程 (all electric range ， AER)滿足日常駕駛需求。續駛里程與電池電量和燃油間的關係受到不同駕駛工況、車輛能耗分佈、整車控制策略的影響。針對目標增程式電動汽車車型 ( 具體參數表見附錄 A) ，對幾種典型的駕駛工況下的純電驅動能量消耗進行了仿真，仿真結果如圖 6 所示 [38] 。
根據國內外的相關調查，城市工況一半以上的每日駕駛行程小於 60 km ，當然具體城市的調查數據有一定差別 [39-40] 。根據增程式電動汽車的設計初衷，電池的容量應該滿足大部分工況純電驅動的需求。與此同時，增程器的發動機開關時刻的選擇，也與電池容量的配置相關 [41] 。電池容量的估算公式如式 (7)—(9) 所示。
3.4 增程器的配置
增程器的配置包括了 ISG 電機和發動機兩部分。除了整體的發電效率滿足整車的基本功率需求之外，增程發動機和發電機的效率分佈應該儘可能的一致，以期達到整體的效率最優。功率需求的估算如下式所示：
由於 APU 單元和其他動力單元間具有較大的干擾，為了規避這種干擾，除了控制方法上的考慮，整流模塊上的優化也是必要的 [1] 。
4 增程式電動汽車協調控制與能效優化
4.1 增程式電動汽車的能量流向
增程器的獨立能量供給提供了多種工作模式的選擇。在日常的使用中，可將增程器關閉，僅由電池提供驅動動力。這樣既可以通過提高增程器功率輸出提升整車動力性能，又可以根據動力消耗發電維持荷電狀態 (SOC) ，還可以通過功率補償方式獲得電池使用壽命的增加。相應控制方式下，各個動力部件的協調既可以通過手動需求輸入實現，也可以通過整車行駛工況的狀態識別來實現。無論採用哪種工作模式，採用適當的策略，在協調控制動力部件工作的同時，提升整車的能效水平是非常重要的。
整車動力部件設計定型後，效率的優化主要通過以下途徑實現：1 ）控制發動機工作在最低油耗區或最低特定汙染物排放的區域，或通過多目標優化方法獲得帕累託 (pareto) 最優解；2 ）最大化再生制動能量利用；3 ）通過需求導向的控制策略降低附加能量消耗。在考慮能量優化的同時，需要對過流、過溫等危險工況進行限制。目標車型典型工況下能量損耗分析如圖 8 所示 [42-43] 。
4.2 充電效率與熱管理
充電效率與負載情況相關，隨著電池 SOC 和其他狀態的改變、動力輸出的變化，充電的效率也會相應發生改變。最新的零電壓隔行掃描 boost 電路，通過適當的策略，使得 AC 到 DC 轉換已經能夠做到如圖 9 所示的效率 [44-46] 。怎樣在變化的工況下提升能量使用效率，是增程式電動汽車控制亟待解決的問題。
由於動力電池不僅有驅動電機的充放電，也有輔助動力裝置 (auxiliary power unit ， APU) 為其充電，使得動力電池的充放電變的更加頻繁，電池的鬆弛效應和滯後效應更加明顯 [47] 。溫度對電池的充放電有很大的影響，在不同的溫度下電池表現出的充放電特性如圖 10 所示 [48-49] 。在不同的荷電狀態下，電池的充放電功率會隨著溫度的變化發生變化。為了保證頻繁充放電情況下電池組的溫度適應性，控制系統的策略需要特別考慮。特殊的電池管理系統和溫度控制系統也有助於電池能效的提升。電池均衡設備和混合儲能系統也是可選的方案 [50-51] 。值得注意的是，電池的熱處理需要綜合考慮多種因素的影響 [52] 。
摘要：增程式電動汽車又稱里程延長式電動汽車，作為純電動汽車的平穩過渡車型，以其效率高，電池容量小，不會因缺電拋錨等優點受到了廣泛的關注。該文針對燃油增程式電動汽車的動力部件選型、動力系統配置、系統協調控制與效率優化等關鍵技術問題進行了分析研究。對比分析國內外相關技術方案的同時，結合自主研發的一款增程式電動汽車進行了動力系統關鍵技術的探討。最後，展望了增程式電動汽車的技術發展，提出了幾個值得關注的相關重要研究課題與研究方向。
0 引言
面對日益嚴峻的氣候和能源形勢，電動汽車以其節能環保的巨大優勢，受到各國政府越來越多的重視。但是，當前動力電池存在價格高昂、能量密度較低，以及充電時間較長等問題，限制了電動汽車的大規模推廣應用。在動力電池短期內不能獲得較大性能提升的背景下，各種形式的混合動力汽車應運而生。其中，增程式電動汽車作為純電動汽車的平穩過渡車型，以其效率高、電池容量小，不會因缺電拋錨等優點受到了廣泛的關注。
增程式電動汽車是一種純電動驅動行駛的插電式串聯混合動力汽車，其動力系統由動力電池系統、動力驅動系統，以及增程器和整車控制系統組成。廣義的增程式電動汽車的增程器動力源應包含燃料電池、發動機等多種形式。本文主要論述以發動機為動力源的燃油增程式電動汽車，即狹義的增程式電動汽車。其與傳統燃油車相比，增程器的發動機能夠控制在最優工作狀態，具有排放量小的特點。與純電動汽車相比，所需電池容量要小很多，成本較低且不會缺電拋錨。與強混合動力車相比，電機與發動機沒有機械耦合，避免了頻繁的工作模式切換。而且，增程器輸出功率和電流可控，能夠採用更靈活的電池充放策略，有利於延長電池使用壽命 [1-2] 。
國家電動汽車科技發展“十二五”規劃將純電動汽車、增程式電動汽車和插電式混合動力汽車歸為一個大類，並制定了以小型純電動汽車關鍵技術研發作為純電動汽車產業化突破口，開發純電動和增程式小型轎車系列產品，實現大規模商業化的技術路線 [3] 。
國外，通用汽車的 VOLT 增程式電動汽車已經上市，歐寶也推出了自己的增程式電動廂式車。近期，寶馬、馬自達等汽車企業也加入了增程式電動汽車的研發和生產的行列。國內，增程式汽車的概念首先在南車時代電動、寧波神馬等企業的電動大巴上得到應用。長城、奇瑞、廣汽和北汽等汽車企業也相繼投入到了增程式電動汽車的研發當中 [4] 。
增程式電動汽車由於動力模塊的增加，整車的控制難度也相應地增加。增程式電動汽車整車的動力協調和最優控制，是增程式電動汽車的關鍵技術問題。尤其隨著增程式電動汽車的小型化，提高增程式電動汽車的經濟性能和單位效率變得尤為重要 [5-8] 。動力部件效率是增程式電動汽車整車效率的決定因素之一。由於增程模塊對電池充放電的影響，增程式電動汽車對電池的選型和控制策略也提出了新的要求。怎樣在變化的工況下提高驅動部件的效率，延長部件壽命，是增程式電動汽車的主要研究方向 [9-12] 。
增程式電動汽車與純電動和傳統混合動力相比，既有技術上的通用性，又有其特殊之處。下文將針對增程式電動汽車的動力部件選型、動力系統配置、系統協調控制與效率優化等關鍵技術問題進行分析。在對國內外最新的相關技術解決方案進行比較分析的同時，指出幾個今後值得關注的研究方向。
1 增程式電動汽車動力系統介紹
動力電池系統、動力驅動系統、增程器和整車控制系統是增程式電動汽車動力系統的 4 大重要組成部分。動力電池系統為電機驅動系統提供動力的同時，也為增程器發動機的啟動提供反拖電流；驅動系統為車輛提供動力輸出，由電機控制器接受整車控制器的命令控制車輛行駛；小排量的發動機和與之直接相連的發電機組成增程器，通過將發電機的交流電整流成與動力電池電壓相匹配的直流給動力電池充電；整車控制系統提供包括增程器的控制、駕駛員輸入信息處理、各動力部件的協調控制等整車控制功能。增程式電動汽車的動力系統結構如圖 1 所示 [1] 。
由於發動機並非常開狀態，也不直接參與動力輸出。增程式電動汽車與其他混合動力車在動力配置上，具有一定的區別。有別於傳統串聯混合車型採用較大的發動機來提供所有電力源，和較小的電池來實現能效的提高；增程式電動汽車的插電式充電模塊實現電池的外部充電，而只配置小功率的發電機滿足擴展里程需求。電池容量相對純電動要小，相對其他混合動力車要大。動力配置對比如圖 2 所示 [2, 12] 。
由於動力部件的增加，動力系統結構的改變，使得增程式電動汽車動力部件的選型標準具有自己的特點。雖然動力耦合的減少，減低了部分能量損耗；但頻繁的電力轉換也帶來了效率的降低。怎樣選擇動力部件類型、配置動力部件的參數，在保證系統動力性能的情況下使經濟性能最優，成為增程式電動汽車首先要解決的問題。
2 增程式電動汽車動力部件的選型比較
2.1 驅動電機的選型比較
增程式電動汽車驅動電機的配置與純電動汽車的配置相同 [13-14] 。電動汽車比較高效，且常用的驅動電機有交流三相感應電機 ( 以下簡稱感應電機 ) 、表貼永磁同步電機、內置式永磁同步電機、開關磁阻電機等。感應電機具有應用廣泛、維修方便等優點；但也存在功率因素較低、變壓變頻控制較複雜的缺點。永磁交流同步電機具有較高的效率和較好的動力特性；但存在著製造工藝複雜，受成本影響比較大等問題。對於永磁交流同步電機而言，內置式永磁同步電機特性要優於表貼永磁同步電機，但電機複雜度卻增加很多。開關磁阻電機結構簡單、抗擾性強，但存在轉矩脈衝和噪聲，以及振動問題 [15] 。以雙凸極永磁電機為代表的定子永磁電機對上述優點進行了融合，雖然增加了複雜度，也是電機的可選方案之一 [16-17] 。
增程式電動車以純電驅動為主的城市道路作為主要應用環境，電機效率和功率密度被作為主要考量標準。在相似工況環境和驅動系統功率情況下，幾種適用電動車的驅動電機效率比較如圖 3 所示。由於電機的性能受到氣隙、極弧係數、磁鋼性能、極對數等因素的影響，電機的優劣比較具有較大爭議。儘管如此，內置式永磁同步電機效率高、調速範圍寬的優勢仍然得以體現，是當前增程式電動汽車驅動電機的較優選擇 [18] 。
2.2 動力電池的選型比較
電池技術是電動汽車發展的主要瓶頸技術。伴隨著陽極材料、陰極材料、隔膜以及電解液材料等電池主要部件的新材料和新工藝的研發，電池性能不斷得到提升。不同材料的電壓和容量的特性如圖 4 所示 [19-20] 。
鋰電池磷酸鐵鋰、鈷酸鋰、錳酸鋰及其複合材料是當前動力電池正極材料的主流。其中，磷酸鐵鋰電池相對於鈷酸鋰、錳酸鋰具有較高的比容量，較長的壽命週期和較低的成本。負極材料中，碳和石墨材料是主流，鈦酸鋰、鋰單質負極材料也已經得到應用。磷酸鐵鋰和碳材料組成的電池單體，是當前增程式電動汽車電池較為理想的選擇 [21] 。隨著三元複合材料、固溶體材料組成的新型電池，以及金屬鋰材料組成的空氣鋰電池技術的完善與推廣，將會帶來動力電池性能的大幅提升，也是未來增程式和純電動汽車動力電池的發展趨勢 [22] 。
2.3 增程器發動機的選型比較
由於增程式電動汽車的增程器用發動機只與發電機有機械連接，對發動機的工況和性能要求降低，發動機選型自由度增加。幾種可用型號發動機的振動噪聲 (noise vibration and harshness ， NVH) 等性能對比如表 1 所示。表 1 中，“ 0 ”為基準線；“+”表示好；“−”表示差。
單活塞轉子發動機和兩缸四衝程汽油機被認為是在增程發電應用中最有前景的發動機。雖然轉子發動機比兩缸四衝程汽油機單體成本要低，但兩缸四衝程比轉子發動機的平臺更為通用化，降低了製造成本。兩缸四衝程發動機的成熟技術使得其具有明顯的優勢，是當前增程器用發動機較為理想的選擇。隨著轉子發動機的應用增多，其在車載發電中的優越性能將逐步得到體現 [26] 。除了常用的發動機以外，原動機還有許多新穎的選擇，比如斯特林發動機、小型蒸汽輪機、直線發動機等 [23-25] 。採用均質混合氣壓燃技術的發動機，因為集合了柴油機和汽油機的優點，也有望在未來的增程器上得到應用 [26] 。
由於增程發動機的工作點比較單一，系統能夠極大簡化，超負荷超速以及複雜的瞬態工作條件可以不予完全考慮。曲柄和閥都可以做降低摩擦和質量的優化。由於與負載和轉速需求相獨立，也允許啟動和催化劑加熱過程的排放優化 [27-28] 。
2.4 ISG 啟動發電機的選型比較啟動發電一體機 (integrated starter generator ， ISG)的選型依據與驅動電機類似，發電和啟動一體化設計的永磁電機提供啟動和發電兩個不同的工況。感應電機具有低成本、高可靠性的特點。開關磁阻發電機具有魯棒性和高速操作能力，但發電工況較低效，且存在較大的紋波。永磁電機比較高效，但有超速電壓失控的危險。一體化啟動發電機對電機的安裝尺寸、啟動力矩、輸出電壓和電流質量、工作溫度範圍都有比較苛刻的要求。增程器應用中，發電轉速能夠通過發動機調速得到主動控制，效率較高的永磁電機是較好的選擇。但是，帶有旋轉變壓器的繞線轉子同步發電機、永磁和激磁繞組混合轉子電機也因特殊的特性受到較大的關注 [29-31] 。與驅動電機工作在驅動工況相比， ISG 電機大部分時間工作在發電工況。發動機和發電機的工況協調與優化，以及綜合考慮高效工作區和功率因素是提高增程式電動汽車燃油性能的關鍵 [32] 。
3 增程式電動汽車動力系統配置
3.1 增程式電動汽車動力配置的要素
增程式電動汽車動力系統的配置包括：驅動電機、動力電池、增程器用發動機和發電機匹配。同時，還應考慮空調和電附件對整車的影響。雖然動力配置首先基於車輛的大小與定位，但動力系統的配置仍然具有一定的通用準則 [33] 。已經上市和正在研發的幾款增程式電動汽車的動力系統配置如表 2所示。
3.2 驅動電機的動力配置
驅動電機的選擇在考慮功率因素、效率的同時，還需要考慮電機特性的影響。效率分佈的高效區域應該與電機常態工作區儘可能相一致。驅動電機的配置依據如圖 5 所示 [34-37] 。恆轉矩的大小決定了車的啟動性能；切換點決定了車的加速性能；最大功率輸出決定了車的車速範圍。功率密度、動態性能等指標在驅動電機的選擇中要綜合考慮 [33, 36-37] 。
由於決定電動機驅動的額定功率的是加速的需求，而不是最高巡航車速或爬坡能力，所以加速性能是電動汽車首先要考慮的指標。加速時間 t a 為時間相對速度變化率的積分，通過如下公式計算：
3.3 電池容量的配置
電動機功率保證了加速和爬坡性能，發動機發電機功率保證車輛在平坦或低坡度路面上的恆速行駛需求。對於增程式電動汽車而言，電池的設計容量應該使得全電動行程 (all electric range ， AER)滿足日常駕駛需求。續駛里程與電池電量和燃油間的關係受到不同駕駛工況、車輛能耗分佈、整車控制策略的影響。針對目標增程式電動汽車車型 ( 具體參數表見附錄 A) ，對幾種典型的駕駛工況下的純電驅動能量消耗進行了仿真，仿真結果如圖 6 所示 [38] 。
根據國內外的相關調查，城市工況一半以上的每日駕駛行程小於 60 km ，當然具體城市的調查數據有一定差別 [39-40] 。根據增程式電動汽車的設計初衷，電池的容量應該滿足大部分工況純電驅動的需求。與此同時，增程器的發動機開關時刻的選擇，也與電池容量的配置相關 [41] 。電池容量的估算公式如式 (7)—(9) 所示。
3.4 增程器的配置
增程器的配置包括了 ISG 電機和發動機兩部分。除了整體的發電效率滿足整車的基本功率需求之外，增程發動機和發電機的效率分佈應該儘可能的一致，以期達到整體的效率最優。功率需求的估算如下式所示：
由於 APU 單元和其他動力單元間具有較大的干擾，為了規避這種干擾，除了控制方法上的考慮，整流模塊上的優化也是必要的 [1] 。
4 增程式電動汽車協調控制與能效優化
4.1 增程式電動汽車的能量流向
增程器的獨立能量供給提供了多種工作模式的選擇。在日常的使用中，可將增程器關閉，僅由電池提供驅動動力。這樣既可以通過提高增程器功率輸出提升整車動力性能，又可以根據動力消耗發電維持荷電狀態 (SOC) ，還可以通過功率補償方式獲得電池使用壽命的增加。相應控制方式下，各個動力部件的協調既可以通過手動需求輸入實現，也可以通過整車行駛工況的狀態識別來實現。無論採用哪種工作模式，採用適當的策略，在協調控制動力部件工作的同時，提升整車的能效水平是非常重要的。
整車動力部件設計定型後，效率的優化主要通過以下途徑實現：1 ）控制發動機工作在最低油耗區或最低特定汙染物排放的區域，或通過多目標優化方法獲得帕累託 (pareto) 最優解；2 ）最大化再生制動能量利用；3 ）通過需求導向的控制策略降低附加能量消耗。在考慮能量優化的同時，需要對過流、過溫等危險工況進行限制。目標車型典型工況下能量損耗分析如圖 8 所示 [42-43] 。
4.2 充電效率與熱管理
充電效率與負載情況相關，隨著電池 SOC 和其他狀態的改變、動力輸出的變化，充電的效率也會相應發生改變。最新的零電壓隔行掃描 boost 電路，通過適當的策略，使得 AC 到 DC 轉換已經能夠做到如圖 9 所示的效率 [44-46] 。怎樣在變化的工況下提升能量使用效率，是增程式電動汽車控制亟待解決的問題。
由於動力電池不僅有驅動電機的充放電，也有輔助動力裝置 (auxiliary power unit ， APU) 為其充電，使得動力電池的充放電變的更加頻繁，電池的鬆弛效應和滯後效應更加明顯 [47] 。溫度對電池的充放電有很大的影響，在不同的溫度下電池表現出的充放電特性如圖 10 所示 [48-49] 。在不同的荷電狀態下，電池的充放電功率會隨著溫度的變化發生變化。為了保證頻繁充放電情況下電池組的溫度適應性，控制系統的策略需要特別考慮。特殊的電池管理系統和溫度控制系統也有助於電池能效的提升。電池均衡設備和混合儲能系統也是可選的方案 [50-51] 。值得注意的是，電池的熱處理需要綜合考慮多種因素的影響 [52] 。
4.3 控制策略研究
增程式電動汽車作為串混車的一種，與串混車一樣，為了達到整體的狀態最優，需要通過發動機的工作點切換來實現增程式電動汽車的能量管理 [53] 。針對增程式電動汽車，電池充放電策略的示意如圖 11 所示。
摘要：增程式電動汽車又稱里程延長式電動汽車，作為純電動汽車的平穩過渡車型，以其效率高，電池容量小，不會因缺電拋錨等優點受到了廣泛的關注。該文針對燃油增程式電動汽車的動力部件選型、動力系統配置、系統協調控制與效率優化等關鍵技術問題進行了分析研究。對比分析國內外相關技術方案的同時，結合自主研發的一款增程式電動汽車進行了動力系統關鍵技術的探討。最後，展望了增程式電動汽車的技術發展，提出了幾個值得關注的相關重要研究課題與研究方向。
0 引言
面對日益嚴峻的氣候和能源形勢，電動汽車以其節能環保的巨大優勢，受到各國政府越來越多的重視。但是，當前動力電池存在價格高昂、能量密度較低，以及充電時間較長等問題，限制了電動汽車的大規模推廣應用。在動力電池短期內不能獲得較大性能提升的背景下，各種形式的混合動力汽車應運而生。其中，增程式電動汽車作為純電動汽車的平穩過渡車型，以其效率高、電池容量小，不會因缺電拋錨等優點受到了廣泛的關注。
增程式電動汽車是一種純電動驅動行駛的插電式串聯混合動力汽車，其動力系統由動力電池系統、動力驅動系統，以及增程器和整車控制系統組成。廣義的增程式電動汽車的增程器動力源應包含燃料電池、發動機等多種形式。本文主要論述以發動機為動力源的燃油增程式電動汽車，即狹義的增程式電動汽車。其與傳統燃油車相比，增程器的發動機能夠控制在最優工作狀態，具有排放量小的特點。與純電動汽車相比，所需電池容量要小很多，成本較低且不會缺電拋錨。與強混合動力車相比，電機與發動機沒有機械耦合，避免了頻繁的工作模式切換。而且，增程器輸出功率和電流可控，能夠採用更靈活的電池充放策略，有利於延長電池使用壽命 [1-2] 。
國家電動汽車科技發展“十二五”規劃將純電動汽車、增程式電動汽車和插電式混合動力汽車歸為一個大類，並制定了以小型純電動汽車關鍵技術研發作為純電動汽車產業化突破口，開發純電動和增程式小型轎車系列產品，實現大規模商業化的技術路線 [3] 。
國外，通用汽車的 VOLT 增程式電動汽車已經上市，歐寶也推出了自己的增程式電動廂式車。近期，寶馬、馬自達等汽車企業也加入了增程式電動汽車的研發和生產的行列。國內，增程式汽車的概念首先在南車時代電動、寧波神馬等企業的電動大巴上得到應用。長城、奇瑞、廣汽和北汽等汽車企業也相繼投入到了增程式電動汽車的研發當中 [4] 。
增程式電動汽車由於動力模塊的增加，整車的控制難度也相應地增加。增程式電動汽車整車的動力協調和最優控制，是增程式電動汽車的關鍵技術問題。尤其隨著增程式電動汽車的小型化，提高增程式電動汽車的經濟性能和單位效率變得尤為重要 [5-8] 。動力部件效率是增程式電動汽車整車效率的決定因素之一。由於增程模塊對電池充放電的影響，增程式電動汽車對電池的選型和控制策略也提出了新的要求。怎樣在變化的工況下提高驅動部件的效率，延長部件壽命，是增程式電動汽車的主要研究方向 [9-12] 。
增程式電動汽車與純電動和傳統混合動力相比，既有技術上的通用性，又有其特殊之處。下文將針對增程式電動汽車的動力部件選型、動力系統配置、系統協調控制與效率優化等關鍵技術問題進行分析。在對國內外最新的相關技術解決方案進行比較分析的同時，指出幾個今後值得關注的研究方向。
1 增程式電動汽車動力系統介紹
動力電池系統、動力驅動系統、增程器和整車控制系統是增程式電動汽車動力系統的 4 大重要組成部分。動力電池系統為電機驅動系統提供動力的同時，也為增程器發動機的啟動提供反拖電流；驅動系統為車輛提供動力輸出，由電機控制器接受整車控制器的命令控制車輛行駛；小排量的發動機和與之直接相連的發電機組成增程器，通過將發電機的交流電整流成與動力電池電壓相匹配的直流給動力電池充電；整車控制系統提供包括增程器的控制、駕駛員輸入信息處理、各動力部件的協調控制等整車控制功能。增程式電動汽車的動力系統結構如圖 1 所示 [1] 。
由於發動機並非常開狀態，也不直接參與動力輸出。增程式電動汽車與其他混合動力車在動力配置上，具有一定的區別。有別於傳統串聯混合車型採用較大的發動機來提供所有電力源，和較小的電池來實現能效的提高；增程式電動汽車的插電式充電模塊實現電池的外部充電，而只配置小功率的發電機滿足擴展里程需求。電池容量相對純電動要小，相對其他混合動力車要大。動力配置對比如圖 2 所示 [2, 12] 。
由於動力部件的增加，動力系統結構的改變，使得增程式電動汽車動力部件的選型標準具有自己的特點。雖然動力耦合的減少，減低了部分能量損耗；但頻繁的電力轉換也帶來了效率的降低。怎樣選擇動力部件類型、配置動力部件的參數，在保證系統動力性能的情況下使經濟性能最優，成為增程式電動汽車首先要解決的問題。
2 增程式電動汽車動力部件的選型比較
2.1 驅動電機的選型比較
增程式電動汽車驅動電機的配置與純電動汽車的配置相同 [13-14] 。電動汽車比較高效，且常用的驅動電機有交流三相感應電機 ( 以下簡稱感應電機 ) 、表貼永磁同步電機、內置式永磁同步電機、開關磁阻電機等。感應電機具有應用廣泛、維修方便等優點；但也存在功率因素較低、變壓變頻控制較複雜的缺點。永磁交流同步電機具有較高的效率和較好的動力特性；但存在著製造工藝複雜，受成本影響比較大等問題。對於永磁交流同步電機而言，內置式永磁同步電機特性要優於表貼永磁同步電機，但電機複雜度卻增加很多。開關磁阻電機結構簡單、抗擾性強，但存在轉矩脈衝和噪聲，以及振動問題 [15] 。以雙凸極永磁電機為代表的定子永磁電機對上述優點進行了融合，雖然增加了複雜度，也是電機的可選方案之一 [16-17] 。
增程式電動車以純電驅動為主的城市道路作為主要應用環境，電機效率和功率密度被作為主要考量標準。在相似工況環境和驅動系統功率情況下，幾種適用電動車的驅動電機效率比較如圖 3 所示。由於電機的性能受到氣隙、極弧係數、磁鋼性能、極對數等因素的影響，電機的優劣比較具有較大爭議。儘管如此，內置式永磁同步電機效率高、調速範圍寬的優勢仍然得以體現，是當前增程式電動汽車驅動電機的較優選擇 [18] 。
2.2 動力電池的選型比較
電池技術是電動汽車發展的主要瓶頸技術。伴隨著陽極材料、陰極材料、隔膜以及電解液材料等電池主要部件的新材料和新工藝的研發，電池性能不斷得到提升。不同材料的電壓和容量的特性如圖 4 所示 [19-20] 。
鋰電池磷酸鐵鋰、鈷酸鋰、錳酸鋰及其複合材料是當前動力電池正極材料的主流。其中，磷酸鐵鋰電池相對於鈷酸鋰、錳酸鋰具有較高的比容量，較長的壽命週期和較低的成本。負極材料中，碳和石墨材料是主流，鈦酸鋰、鋰單質負極材料也已經得到應用。磷酸鐵鋰和碳材料組成的電池單體，是當前增程式電動汽車電池較為理想的選擇 [21] 。隨著三元複合材料、固溶體材料組成的新型電池，以及金屬鋰材料組成的空氣鋰電池技術的完善與推廣，將會帶來動力電池性能的大幅提升，也是未來增程式和純電動汽車動力電池的發展趨勢 [22] 。
2.3 增程器發動機的選型比較
由於增程式電動汽車的增程器用發動機只與發電機有機械連接，對發動機的工況和性能要求降低，發動機選型自由度增加。幾種可用型號發動機的振動噪聲 (noise vibration and harshness ， NVH) 等性能對比如表 1 所示。表 1 中，“ 0 ”為基準線；“+”表示好；“−”表示差。
單活塞轉子發動機和兩缸四衝程汽油機被認為是在增程發電應用中最有前景的發動機。雖然轉子發動機比兩缸四衝程汽油機單體成本要低，但兩缸四衝程比轉子發動機的平臺更為通用化，降低了製造成本。兩缸四衝程發動機的成熟技術使得其具有明顯的優勢，是當前增程器用發動機較為理想的選擇。隨著轉子發動機的應用增多，其在車載發電中的優越性能將逐步得到體現 [26] 。除了常用的發動機以外，原動機還有許多新穎的選擇，比如斯特林發動機、小型蒸汽輪機、直線發動機等 [23-25] 。採用均質混合氣壓燃技術的發動機，因為集合了柴油機和汽油機的優點，也有望在未來的增程器上得到應用 [26] 。
由於增程發動機的工作點比較單一，系統能夠極大簡化，超負荷超速以及複雜的瞬態工作條件可以不予完全考慮。曲柄和閥都可以做降低摩擦和質量的優化。由於與負載和轉速需求相獨立，也允許啟動和催化劑加熱過程的排放優化 [27-28] 。
2.4 ISG 啟動發電機的選型比較啟動發電一體機 (integrated starter generator ， ISG)的選型依據與驅動電機類似，發電和啟動一體化設計的永磁電機提供啟動和發電兩個不同的工況。感應電機具有低成本、高可靠性的特點。開關磁阻發電機具有魯棒性和高速操作能力，但發電工況較低效，且存在較大的紋波。永磁電機比較高效，但有超速電壓失控的危險。一體化啟動發電機對電機的安裝尺寸、啟動力矩、輸出電壓和電流質量、工作溫度範圍都有比較苛刻的要求。增程器應用中，發電轉速能夠通過發動機調速得到主動控制，效率較高的永磁電機是較好的選擇。但是，帶有旋轉變壓器的繞線轉子同步發電機、永磁和激磁繞組混合轉子電機也因特殊的特性受到較大的關注 [29-31] 。與驅動電機工作在驅動工況相比， ISG 電機大部分時間工作在發電工況。發動機和發電機的工況協調與優化，以及綜合考慮高效工作區和功率因素是提高增程式電動汽車燃油性能的關鍵 [32] 。
3 增程式電動汽車動力系統配置
3.1 增程式電動汽車動力配置的要素
增程式電動汽車動力系統的配置包括：驅動電機、動力電池、增程器用發動機和發電機匹配。同時，還應考慮空調和電附件對整車的影響。雖然動力配置首先基於車輛的大小與定位，但動力系統的配置仍然具有一定的通用準則 [33] 。已經上市和正在研發的幾款增程式電動汽車的動力系統配置如表 2所示。
3.2 驅動電機的動力配置
驅動電機的選擇在考慮功率因素、效率的同時，還需要考慮電機特性的影響。效率分佈的高效區域應該與電機常態工作區儘可能相一致。驅動電機的配置依據如圖 5 所示 [34-37] 。恆轉矩的大小決定了車的啟動性能；切換點決定了車的加速性能；最大功率輸出決定了車的車速範圍。功率密度、動態性能等指標在驅動電機的選擇中要綜合考慮 [33, 36-37] 。
由於決定電動機驅動的額定功率的是加速的需求，而不是最高巡航車速或爬坡能力，所以加速性能是電動汽車首先要考慮的指標。加速時間 t a 為時間相對速度變化率的積分，通過如下公式計算：
3.3 電池容量的配置
電動機功率保證了加速和爬坡性能，發動機發電機功率保證車輛在平坦或低坡度路面上的恆速行駛需求。對於增程式電動汽車而言，電池的設計容量應該使得全電動行程 (all electric range ， AER)滿足日常駕駛需求。續駛里程與電池電量和燃油間的關係受到不同駕駛工況、車輛能耗分佈、整車控制策略的影響。針對目標增程式電動汽車車型 ( 具體參數表見附錄 A) ，對幾種典型的駕駛工況下的純電驅動能量消耗進行了仿真，仿真結果如圖 6 所示 [38] 。
根據國內外的相關調查，城市工況一半以上的每日駕駛行程小於 60 km ，當然具體城市的調查數據有一定差別 [39-40] 。根據增程式電動汽車的設計初衷，電池的容量應該滿足大部分工況純電驅動的需求。與此同時，增程器的發動機開關時刻的選擇，也與電池容量的配置相關 [41] 。電池容量的估算公式如式 (7)—(9) 所示。
3.4 增程器的配置
增程器的配置包括了 ISG 電機和發動機兩部分。除了整體的發電效率滿足整車的基本功率需求之外，增程發動機和發電機的效率分佈應該儘可能的一致，以期達到整體的效率最優。功率需求的估算如下式所示：
由於 APU 單元和其他動力單元間具有較大的干擾，為了規避這種干擾，除了控制方法上的考慮，整流模塊上的優化也是必要的 [1] 。
4 增程式電動汽車協調控制與能效優化
4.1 增程式電動汽車的能量流向
增程器的獨立能量供給提供了多種工作模式的選擇。在日常的使用中，可將增程器關閉，僅由電池提供驅動動力。這樣既可以通過提高增程器功率輸出提升整車動力性能，又可以根據動力消耗發電維持荷電狀態 (SOC) ，還可以通過功率補償方式獲得電池使用壽命的增加。相應控制方式下，各個動力部件的協調既可以通過手動需求輸入實現，也可以通過整車行駛工況的狀態識別來實現。無論採用哪種工作模式，採用適當的策略，在協調控制動力部件工作的同時，提升整車的能效水平是非常重要的。
整車動力部件設計定型後，效率的優化主要通過以下途徑實現：1 ）控制發動機工作在最低油耗區或最低特定汙染物排放的區域，或通過多目標優化方法獲得帕累託 (pareto) 最優解；2 ）最大化再生制動能量利用；3 ）通過需求導向的控制策略降低附加能量消耗。在考慮能量優化的同時，需要對過流、過溫等危險工況進行限制。目標車型典型工況下能量損耗分析如圖 8 所示 [42-43] 。
4.2 充電效率與熱管理
充電效率與負載情況相關，隨著電池 SOC 和其他狀態的改變、動力輸出的變化，充電的效率也會相應發生改變。最新的零電壓隔行掃描 boost 電路，通過適當的策略，使得 AC 到 DC 轉換已經能夠做到如圖 9 所示的效率 [44-46] 。怎樣在變化的工況下提升能量使用效率，是增程式電動汽車控制亟待解決的問題。
由於動力電池不僅有驅動電機的充放電，也有輔助動力裝置 (auxiliary power unit ， APU) 為其充電，使得動力電池的充放電變的更加頻繁，電池的鬆弛效應和滯後效應更加明顯 [47] 。溫度對電池的充放電有很大的影響，在不同的溫度下電池表現出的充放電特性如圖 10 所示 [48-49] 。在不同的荷電狀態下，電池的充放電功率會隨著溫度的變化發生變化。為了保證頻繁充放電情況下電池組的溫度適應性，控制系統的策略需要特別考慮。特殊的電池管理系統和溫度控制系統也有助於電池能效的提升。電池均衡設備和混合儲能系統也是可選的方案 [50-51] 。值得注意的是，電池的熱處理需要綜合考慮多種因素的影響 [52] 。
4.3 控制策略研究
增程式電動汽車作為串混車的一種，與串混車一樣，為了達到整體的狀態最優，需要通過發動機的工作點切換來實現增程式電動汽車的能量管理 [53] 。針對增程式電動汽車，電池充放電策略的示意如圖 11 所示。
針對適用於增程式電動汽車的控制策略，國內外已經有較多的研究。Wirasingba 等將控制策略歸類為基於規則的和基於規劃的 2 個大類，並對電量維持 (charge sustaining ， CS) 和電量耗盡 (chargedepleting ， CD) 兩種模式下的確定性規則、模糊規則、全局優化以及實時優化進行了論述 [54] 。Salmasi等分別對線性規劃、最優控制、隨機動態規劃、遺傳算法進行了比較論述，並提到了一種基於 GPS的整車能量流控制策略 [55] 。同時，對控制策略發展方向進行了說明。Bashash 等提出了綜合考慮排放和電池壽命的控制策略 [56] 。Richter 等提出一種基於路況的增程式電動汽車控制方法 [57] 。動力結構上的通用性，使得一些串聯式混合動力的控制技術也適用於增程式電動汽車 [58-61] 。
由於動力電池具有小電流放電比高電流放電容量大，淺充淺放能夠有效延長電池使用週期的特點。增程器的存在使得動力系統的能量流向能夠通過一定的控制策略得到優化，達到延長續駛里程和提升電池性能的目的 [40] 。優化的有效性已經得到驗證，合適的優化策略能夠相對單點效率最優充電，提升 10%~15% 的系統效率。
5 結論
電動汽車車載充電的增程概念在電動汽車產生之初就已經被提出，其發展受到技術條件的限制，多次的電力轉換，導致了燃油效率的降低。但是，插電式和車載充電的結合，以及能源轉換效率的提高帶來了增程式電動汽車的新生。
隨著技術的不斷提升，成本的不斷降低，環保高效的電動汽車取代傳統燃油車是大勢所趨。但在電池容量，充放電時間還不能完全滿足當前純電動汽車需求的情況下，採用純電驅動的增程式電動汽車具有較大的應用背景。而模塊化，便攜式的增程設備必將是純電動汽車發展道路上的一大亮點。電動汽車，增程式電動汽車安全性和效率的提高，依賴於對動力部件的深入理解。我們需要對動力部件的特性進行更為深入的研究，限制車載充電的不利影響，充分發掘充電能量控制的用途和效益，推進電動汽車普及進程。在未來的研究工作中下列問題應得到特別的關注和研究：
1 ）能源轉換效率的進一步提升。雖然在純電工況下，增程式電動汽車的經濟性要優於其他混合動力汽車。但是，在充電工況下，電流耦合的增程式電動汽車還不能達到機械耦合混合動力車型的水平，仍然具有較大的提升空間。
2 ）模塊化，可拆卸式增程單元的應用研究。由於模塊化涉及到增程單元通信的通用化，對環境的自適應性，動力操控穩定性等問題。安全、高效、通用性好的增程模塊具有較大研究價值。
3 ）與微網、智能電網、車路協同等新技術的結合。增程式電動汽車本身就構成了一個微網系統，其充電方式的多樣化，帶來了接入模式和控制模式靈活性。在微網和大電網相結合的大背景下，增程式電動汽車與智能電網和車路協同控制的結合也是研究方向之一。