增程式电动汽车技术、市场及主流车型

原标题:增程式电动汽车技术、市场及主流车型

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增程式电动汽车是指在纯电动汽车基础上,增加一个内燃机给动力电池充电或直接驱动电机增加续航里程,从而克服纯电动汽车行驶里程短的电动汽车。

通常情况下,增程式电动汽车的动力电池存储有足够的电量,这时驱动电机的动力来源主要是动力电池。在一定的行驶时间范围内,汽车的行驶特性与纯电动汽车相同,真正实现了“零油耗,零污染,零排放”。当动力电池的SOC值下降到某一设定下限值后,车载发电机组(增程模式)开始工作,继续延长其续驶里程。

与燃油汽车、纯电动汽车相比,增程式电动汽车主要有以下优势:

图表1 增程式电动汽车的优缺点

动力系统结构

增程式电动汽车动力系统主要由四部分组成:动力电池系统、动力驱动系统、增程器和整车控制系统

  • 动力电池系统为电机驱动系统提供动力的同时,也为增程器发动机的启动提供反拖电流。驱动系统为车辆提供动力输出,由电机控制器接受整车控制器的命令控制车辆行驶。
  • 小排量的发动机和与之直接相连的发电机组成增程器,通过将发电机的交流电整流成与动力电池电压相匹配的直流给动力电池充电。
  • 整车控制系统提供包括增程器的控制、驾驶员输入信息处理、各动力部件的协调控制等整车控制功能。

图表2 增程式电动汽车动力系统典型结构

核心技术

由于动力部件的增加,动力系统结构的改变,使得增程式电动汽车动力部件的选型标准具有自己的特点。虽然动力耦合的减少,减低了部分能量损耗;但频繁的电力转换也带来了效率的降低。怎样选择动力部件类型、配置动力部件的参数,在保证系统动力性能的情况下使经济性能最优,成为增程式电动汽车首先要解决的问题。

图表3 各种动力汽车动力对比图

增程式电动汽车动力系统的核心技术包括:发动机与发电机的匹配、电池管理系统和车载增程器等。

  • 发动机与发电机的匹配

传统汽车的动力系统是由发动机来承担,而增程式电动汽车动力系统是由发动机、发电机、电池组和驱动电机构成,其动力的根本来源仍为发动机。从能量守恒角度来说,经过发动机、电池组和驱动电机后能量必然有所损耗,不能达到节省能源的目的。如果不能达到节省能源的目的,研究此电动汽车就失去了意义,于是只能从发动机与发电机的匹配角度来入手,使得发动机在最佳燃油点转速下带动发电机旋转,且发动机能与发电机达到最佳匹配,这就需要做大量实验来寻求其最佳匹配点,达到用最少的能源完成对电池的充电,这样就可以达到节省能源的目的。

  • 电池管理系统

为了保持电池组性能、延长电池组寿命、提高电池使用效率就必须有一套电池管理系统来对电池组进行有效的管理。

  • 车载增程器

增程式电动汽车有两种运行模式,在“增程式”模式运行状态下需要控制发动机的转速来带动发电机给电池组充电,这其中就需要一个控制器来控制发动机的运行。一般发动机厂家都会有自带的ECU控制器,在进行增程控制器的设计时,需要通过与发动机ECU的通信来完成控制发动机的目的。同时,它还需要与电池管理系统进行通信从而获得电池的充放电状态。

主流车型

国外在增程式电动汽车研发生产上相对国内较早,以雪佛兰Volt和Bolt以及宝马i3为代表。

一直以来,国内增程式电动车型主要以奇瑞S18D-REEV、吉利GPECS-EC7、传祺GA5增程式电动车等为代表。由于技术及政策等原因,增程式电动汽车逐渐被“遗忘”,但车企并没有停止研发的脚步。从车企自身规划来看,汉腾汽车、万向电动汽车、广汽等企业未来几年也将有增程式新车型上市。

在商用车领域,国内如重汽、沈阳华龙新能源等企业目前也开始布局。

市场前景

2018年1月21日召开的中国电动汽车百人会论坛上,中国工程院院士杨裕生表示,要想让中国成为汽车强国就必须依靠自主知识产权,生产油耗最低、排放最少的电动汽车,同时兼顾其他的性能。“发展电动汽车的目的是节油减排,不是为发展纯电动汽车或者是发展电动汽车而发展电动汽车。”

杨院士认为,用成熟的电池做第三代增程式电动汽车是补贴退坡之后电动汽车发展的关键。在技术路线上,要以微小型纯电动汽车为突破口,而大中型车要发展纯电驱动的增程式。“增程式是电动汽车销售补贴退坡影响走向市场化的最佳技术路线,是建设汽车强国的利器。”

同时万钢部长也强调:从现在发展的趋势上看起来,内燃机与电动化的相结合,将成为车用动力技术发展的一个新方向。研发高效率增程式机电混合的系统,将是今后的重点研发内容之一。我们的混合动力,也会把重点更多的放到增程式等更高效率的混合动力方向。

另外,伴随着“双积分”政策临近,新能源汽车市场百花齐放的局面已逐渐到来,这对于增程式电动车而言,无疑将是一个利好。

增程式电动

1增程式电动名词解释

● 增程式电动(又叫串联式混合动力,在太平洋汽车网中归类到电动车分类)

只靠发电机行驶的电气汽车,配置的发动机输出的动力仅用于推动发电机发电。系统输出动力等于电动机输出动力。其中最出名的是雪佛兰Voltec、宝马i3。

这一类车型,严格来说仍然是电动车。车内只有一套电力驱动系统,包括电机、控制电路、电池。增程型插电混合动力车的电动机直接驱动车轮,发动机则用来于驱动发电机给电池进行充电。因为发动机并不直接驱动车轮,因此也不需要变速箱。这相当于在普通的电动车上装载了一台汽油/柴油发电机。

优点:

1.具有电动车的安静、起步扭矩大的优点,可以当纯电动车使用,在充电方便的条件下只充电、不加油,使用成本较低;

2.相比其他混合动力模式,增程型混合动力可以不用变速箱,成本略有降低。由于带有发动机发电,只要有加油站就可以一直跑下去,在不方便充电的地方不会被迫拖车,解决基础设施不足的问题;

3.因为发动机不直接驱动车轮,发动机转速和车轮转速、汽车速度没有直接关系,通过控制系统优化,可以让发动机一直工作在最佳转速,即使在充电不便时,市内堵车路况下油耗也比较低,发动机噪音也可以控制的非常小。

缺点:

1.造成功率浪费。由于发动机和发电机并不直接驱动车轮,造成了这部分功率的浪费,而发动机和发电机带来的重量并不减少。譬如:一辆增程式插电混合动力汽车发动机功率50KW,发电机功率50KW,电动机功率100KW,整车携带了总功率200KW发动机和电机,但是能驱动车轮的功率只有100KW。

2.在高速路况下,油耗反而偏高。这是因为高速路况下,如果发动机直接驱动车轮,可以一直工作在最佳工作模式,而增程式插电混合动力多了一个转换过程,转换本身要消耗能量,造成油耗反而偏高。

车型代表:这一类的代表车型有宝马i3(可选装增程模块),雪佛兰沃蓝达(有隐藏的直接驱动模式),Fisker卡玛和奥迪A1 e-tron。

宝马i3

2增程式电动结构特点

系统构成

一般来说这一类车型,严格来说仍然是电动车。车内只有一套电力驱动系统,包括电机、控制电路、电池。增程型插电混合动力车的电动机直接驱动车轮,发动机则用来于驱动发电机给电池进行充电。因为发动机并不直接驱动车轮,因此也不需要变速箱。这相当于在普通的电动车上装载了一台汽油/柴油发电机。

对于增程式电动这个类型,我们在这里选择具有代表特征的沃蓝达作为列子进行讲解。

雪佛兰沃蓝达技术解析

Voltec混合动力系统是通用汽车的E-Flex插座充电式混合动力驱动系统的最新版本,采用1台小型的发动机、2台电动机对车辆进行综合驱动的系统。沃蓝达上采用的是容量为16kWh的360V锂电池组,电池组成T型布置,隐藏于后排座椅下及车身中部,纯电动最高行驶里程可达80km。整个Voltec混合动力系统包括汽油发动机、综合动力分配系统、高容量锂电池以及电力控制单元。

部件解析

沃蓝达的动力系统由2台电动机(最大功率分别为111kW和55kW)和1台发动机(最大功率为63kW)组成,发动机仅用于发电。其中功率较大的电动机主要用于驱动车辆,而功率较小的电动机主要用于发电。

2台电动机和1台发动机通过1个行星齿轮机构以及3个离合器组成了动力产生/回收/分配系统。和丰田THS系统一样,Voltec系统同样使用行星齿轮组巧妙地实现了动力的综合分配。所不同的是,在Voltec系统中,太阳轮连接到电动机,行星架连接到减速机构直接输出动力到车轮,而齿圈则根据实际情况连接到动力分配系统的壳体(固定)或者连接到发电机和发动机。

3增程式电动工作逻辑

工作逻辑

要了解系统的工作逻辑,首先要了解动力分配系统的结构。从Voltec的动力分配系统的控制方式与THS系统有一定的区别,Voltec系统通过3个离合器来控制动力的分配。我们把这三个离合器分别命名为C1、C2、C3。C1用于连接行星齿轮齿圈与动力分配机构壳体(固定);C2用于连接发电机与行星齿轮齿圈;C3用于连接发动机与发电机。系统结构简图可参看下图。

Voltec混合动力系统一共有5种工作模式,分别为:EV低速模式、EV高速模式、EREV混合低速模式、EREV混合高速模式以及能量回收模式。

处于EV低速模式时,C1吸合,C2、C3松开,发动机停转。齿圈被固定,电动机推动太阳轮转动,行星架因太阳轮的转动而转动,把动力传输到减速齿轮并传递到车轮。

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处于EV高速模式时,C2吸合,C1、C3松开,发动机停转。发电机此时充当电动机工作,推动齿圈转动。同时,功率较大的另一个电动机推动太阳轮转动。齿圈和太阳轮同时转动,带动行星架转动,从而把动力传到车轮。发电机充当电动机推动齿圈转动,降低了与太阳轮连接的另一电动机的转速,提高了其能源使用率。

处于EREV低速模式时,C1、C3吸合,C2松开,发动机运转。此时,发动机推动发电机发电,并为电池充电;同时电池为电动机供电推动太阳轮转动,由于齿圈固定,行星架跟随太阳轮转动,从而把动力传到车轮。

处于EREV高速模式时,C2、C3吸合,C1松开,发动机运转。此时,发动机与发电机转子连接后推动齿圈转动同时发电,电动机推动太阳轮转动。齿圈和太阳轮同时转动,带动行星架转动,从而把动力传到车轮。发动机推动齿圈转动,降低了与太阳轮连接的另一电动机的转速,提高了其能源使用率。

处于能量回收模式时,C1吸合,C2、C3松开,发动机停转。车轮带动行星架转动,由于齿圈固定,太阳轮随着行星架转动。此时,功率较大的电动机作为发电机对电池充电。

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接下来的舞台就是您的

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