新能源汽車增程式電動(dòng)汽車的研究

1增程式電動(dòng)汽車模型此外，在純電動(dòng)汽車的基礎(chǔ)上增加了增程器，并將增程器和電動(dòng)汽車管理系統(tǒng)有機(jī)結(jié)合，以延長電動(dòng)汽車的連續(xù)里程。增程式電動(dòng)汽車通常搭載由動(dòng)力電池組和一個(gè)由“內(nèi)燃機(jī)+發(fā)電機(jī)”組成的輔助動(dòng)力系統(tǒng)(車載發(fā)電機(jī)組,又稱增程器,簡稱APU)。增程式電動(dòng)汽車與純電動(dòng)汽車和串聯(lián)式混合動(dòng)力汽車一樣采用純電驅(qū)動(dòng)的方式工作,與插電式混合動(dòng)力汽車一樣可以外接插電,增程式電動(dòng)汽車典型結(jié)構(gòu)見圖1。從圖1中可以看出,在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中移除增程器及車載燃油箱部分,該車就是一款典型的純電動(dòng)汽車。2增程式電動(dòng)汽車增程式電動(dòng)車在電池充滿電的初期行駛階段,整車的需求功率完全由動(dòng)力電池提供,發(fā)動(dòng)機(jī)不參與工作,此時(shí)增程式電動(dòng)車相當(dāng)于純電動(dòng)汽車;當(dāng)電池組的能量消耗到一定程度時(shí),發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng),與動(dòng)力電池協(xié)同工作,此時(shí)增程式電動(dòng)車相當(dāng)于混合動(dòng)力汽車。與純電動(dòng)汽車相比,增程式電動(dòng)車電池成本大幅下降;增程式電動(dòng)車發(fā)動(dòng)機(jī)的使用,主要是為了在電池電量不足時(shí)延長續(xù)駛里程,發(fā)動(dòng)機(jī)不直接驅(qū)動(dòng)車輪,因此,發(fā)動(dòng)機(jī)可以始終工作在高效率區(qū),發(fā)動(dòng)機(jī)的功率顯著降低。增程式電動(dòng)汽車可以通過系統(tǒng)的設(shè)定使其按照以下3種不同模式進(jìn)行工作:1)純電動(dòng)工作模式。使用外部充電樁或者家用電源插座為車輛充電,在動(dòng)力電池組的容量范圍內(nèi)車輛采用純電動(dòng)模式運(yùn)行,與純電動(dòng)汽車相同。2)混合動(dòng)力模式。完全依靠車載發(fā)電機(jī)組提供電能,動(dòng)力電池組起到儲能、車輛起步、加速助力和制動(dòng)能量回收的作用,與串聯(lián)式混合動(dòng)力電動(dòng)車工作原理相同。其另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)就是在特殊情況下,外部無法為車輛提供電能補(bǔ)充的時(shí)候,此工作模式能夠保證車輛的正常行駛。該模式下節(jié)油率為20%~30%。3)插電工作模式。晚上充電樁充電,白天有計(jì)劃使用電池能量,降低燃油發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力,顯著提高節(jié)油率,同時(shí)具有起動(dòng)助力和剎車能量回收功能,可使節(jié)油率達(dá)50%以上。通過對增程式電動(dòng)車3種工作模式進(jìn)行分析,可以看出增程式電動(dòng)車完全不同于純電動(dòng)車和串聯(lián)式混合動(dòng)力車(非插電式),它所具有的3種工作模式正是與純電動(dòng)車和串聯(lián)式混合動(dòng)力車(非插電式)的不同之處。3動(dòng)力電池驅(qū)動(dòng)電機(jī)增程式電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu),如圖2所示。主要由動(dòng)力電池、增程器(APU)及驅(qū)動(dòng)電機(jī)等組成。其中,動(dòng)力電池和增程器并聯(lián),通過功率轉(zhuǎn)換器向驅(qū)動(dòng)電機(jī)輸出功率;動(dòng)力電池作為主要?jiǎng)恿υ匆ＷC車輛的動(dòng)力性能、吸收制動(dòng)回饋能量和提供一定的蓄電池純電動(dòng)續(xù)駛里程。驅(qū)動(dòng)電機(jī)將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能,通過傳動(dòng)裝置將轉(zhuǎn)矩傳至車輪;驅(qū)動(dòng)電機(jī)應(yīng)具有制動(dòng)再生功能,當(dāng)車輛制動(dòng)時(shí),將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能,輸送到動(dòng)力電池。4電動(dòng)汽車和其他電動(dòng)汽車之間的差異4.1發(fā)展水平純電動(dòng)汽車的能量全部來源于電池,為了滿足整車性能和使用需求,所需電池技術(shù)己經(jīng)超出目前電池發(fā)展的技術(shù)水平。為了保證續(xù)行能力,純電動(dòng)汽車對電池將采用80%深度放電,大大地縮短了電池使用壽命。增程式電動(dòng)車可以通過車載發(fā)電單元的工作,彌補(bǔ)由于電池能量密度較低導(dǎo)致續(xù)駛里程不足的缺陷,同時(shí)在電池電量較低時(shí)保證車輛行駛的動(dòng)力性,大大降低電池容量,有利于降低電動(dòng)車的成本。4.2增程式純電動(dòng)汽車混合動(dòng)力電動(dòng)汽車采用了復(fù)雜的機(jī)械動(dòng)力混合結(jié)構(gòu),發(fā)動(dòng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)復(fù)合驅(qū)動(dòng),電池能量很小,只起到輔助驅(qū)動(dòng)和制動(dòng)能量回收的作用。增程式純電動(dòng)車采取電池?cái)U(kuò)容的方式解決了電池驅(qū)動(dòng)的續(xù)行能力問題。雖然車輛成本略有提高,但是在正常的運(yùn)行工況下,有了電能補(bǔ)充裝置的作用,電池處于良性平臺充放,保證了電池的使用壽命,減少了維護(hù)成本。發(fā)動(dòng)機(jī)一直處于最佳工作狀態(tài)。4.3影響因素分析增程式純電動(dòng)汽車與插電式混合動(dòng)力汽車都屬于可充電混合動(dòng)力汽車。插電式混合動(dòng)力汽車?yán)^承了混合動(dòng)力汽車大部分特點(diǎn),將混合動(dòng)力汽車的功率型電池替換為比容量更大的能量型電池,從而保證車輛在零排放、無油耗的純電動(dòng)模式下行駛一定距離。從驅(qū)動(dòng)的角度分析,增程式純電動(dòng)汽車在任何模式下車輪始終僅由電機(jī)獨(dú)立驅(qū)動(dòng),而插電式混合動(dòng)力汽車在混合動(dòng)力模式下,發(fā)動(dòng)機(jī)會與電機(jī)一起(經(jīng)動(dòng)力耦合)驅(qū)動(dòng)車輪。從系統(tǒng)選型角度分析,增程式純電動(dòng)汽車必須是串聯(lián)式混合動(dòng)力形式,而插電式混合動(dòng)力汽車可以是并聯(lián)式或者混聯(lián)式混合動(dòng)力形式。從性能角度分析,增程式純電動(dòng)汽車可以發(fā)揮純電動(dòng)車的最大潛力。增程式純電動(dòng)汽車的動(dòng)力電池以及驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的選型必須匹配設(shè)計(jì)性能,增程器的存在與否不影響整車設(shè)計(jì)性能。而插電式混合動(dòng)力汽車因?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)也參與驅(qū)動(dòng)的緣故,對電池與驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的要求不會很高。5正在開發(fā)中5.1發(fā)動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)、功率電機(jī)的組成傳統(tǒng)汽車的動(dòng)力系統(tǒng)是由發(fā)動(dòng)機(jī)來承擔(dān),而對于增程式電動(dòng)汽車來說,其動(dòng)力系統(tǒng)是由發(fā)動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)、電池組和驅(qū)動(dòng)電機(jī)構(gòu)成。通過發(fā)動(dòng)機(jī)與發(fā)電機(jī)的最佳匹配,使得發(fā)動(dòng)機(jī)在最佳燃油點(diǎn)的轉(zhuǎn)速下帶動(dòng)發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn),達(dá)到節(jié)省燃油的目的,這就需要做大量試驗(yàn)來尋求其最佳匹配點(diǎn),用最少的能源消耗完成對電池的充電。5.2電池組管理為了保持電池組性能、延長電池組壽命、提高電池使用效率,就必須有一套電池管理系統(tǒng)來對電池組進(jìn)行有效的管理。在增程式電動(dòng)汽車中,電池處于邊充邊放的狀態(tài),如果電池不能達(dá)到均衡的充放電,則會造成單體電池之間的差異,進(jìn)而導(dǎo)致電池組壽命縮短。5.3發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元增程器開發(fā)水平成為代表增程式純電動(dòng)車整車技術(shù)水平的重要標(biāo)志。動(dòng)力系統(tǒng)通過加裝“應(yīng)急”電源———增程器,可對整車成本、性能做較好的權(quán)衡。增程器提高了電動(dòng)汽車的續(xù)航能力,專用發(fā)動(dòng)機(jī)是增程器提高效率、降低排放、減小發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲和小型化的關(guān)鍵。發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)趨于專用化、小型化,輸出功率可調(diào)。增程器用發(fā)電機(jī)多采用永磁同步電機(jī)。一般發(fā)動(dòng)機(jī)廠家都會有自帶的控制單元,設(shè)計(jì)增程控制器時(shí),需要通過與發(fā)動(dòng)機(jī)ECU的通信來完成控制發(fā)動(dòng)機(jī)的目的。同時(shí),控制單元還需要與電池管理系統(tǒng)進(jìn)行通信,從而獲得電池的充放電狀態(tài)。6增程式電動(dòng)汽車發(fā)展路徑2012年頒布的《節(jié)能與新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃(2012—2020年)》將純電動(dòng)汽車(純電驅(qū)動(dòng))作為我國汽車工業(yè)轉(zhuǎn)型的主要戰(zhàn)略取向?，F(xiàn)今各國電動(dòng)汽車發(fā)展之路,基本上都經(jīng)歷了從普通混合動(dòng)力車到插電式混合動(dòng)力車,再到增程式電動(dòng)車,最終向純電動(dòng)車發(fā)展的路徑。文章分別從結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、工作模式、動(dòng)力系統(tǒng)、技術(shù)關(guān)鍵及發(fā)展前景等方面分析了增程式電動(dòng)汽車,得到以下結(jié)論:1)增程器通過消耗燃油可以延長其續(xù)駛里程,避開了電池技術(shù)對續(xù)駛里程的限制。而且,發(fā)電單元的作用僅為延長續(xù)駛里程而不需要給電池充電,因此對發(fā)電單元的功率需求較小。2)與其他電動(dòng)汽車相比,增程式電動(dòng)汽車可減少整車對石油的依賴,節(jié)油率高達(dá)50%;整車大部分情況下在電量消耗模式下行駛,能達(dá)到零排放和低噪聲的效