增程式电动汽车是指一种在纯电动模式下可以达到其所有的动力性能,而当车载可充电储能系统无法满足续航里程要求时,打开车载辅助供电装置为动力系统提供电能,且该车载辅助供电装置与驱动系统没有传动轴(带)等传动连接,以延长续航里程的电动汽车。
增程式电动汽车介于混合动力电动汽车和纯电动汽车之间,兼有纯电动汽车和混合动力电动汽车的特点。增程式电动汽车是一种特殊的混合动力电动汽车。
增程式电动汽车中存在三种能量源:一是动力电池,为增程式电动汽车主要能量源,负责纯电动行驶中的能量供给;二是增程器,为增程式电动汽车的备用能量源,负责动力电池以及驱动电机的能量补给;三是驱动电机,为增程式电动」汽车的回收能量源,是指在制动能量回馈过程中驱动电机回馈的能量增程式电动汽车动力传动系统的组成如图4-75所示,主要由驱动电机系统电源系统、增程器和整车控制器等组成。与纯电动汽车相比,増加了增程器。
图4-75增程式电动汽车动力传动系统的组成驱动电机系统与纯电动汽车的类似,也是由驱动电机及电机控制器组成。区别在于驱动电机能量来源除动力电池外,还有增程器。发动机到驱动电机之间没有机械连接,通过发电机发电将发动机发出的机械能转化为电能,然后电机控制器根据车辆工况的需求将电能分配给驱动电机,如果有多余的电能将被储存到动力电池中。
增程式电动汽车驱动电机应该具备较高的功率密度,而且在较宽的转速和转矩范围内具备较好的效率特性,同时驱动电机控制器能实现双向控制,以实现制动能量回收。
增程式电动汽车驱动电机参数匹配方法与纯电动汽车一样,根据整车动力性匹配驱动电机的峰值功率。在满足动力性前提下,为提高驱动电机工作效率并减轻质量,尽量选择较小峰值功率以及高转速的电机。
⒉电源系统。
电源系统与纯电动汽车的类似,也是由动力电池、电池管理系统、车载充电机等组成。区别在于动力电池的要求需兼顾纯电动和混合动力两种模式,具体要求如下:在深度放电的情况下,依然有较长的循环寿命:在较低的SOC值状态下,可输出大功率的电能,使增程式电动汽车在低SOC下加速性能仍然良好:在高SOC状态下,可以接受大电流充电,以保证制动能量回收的效率不受SOC状态的影响:在保持高SOC状态下,可延长其使用寿命:能量密度及比能量高,以减小电池组的体积和质量:安全性好动力电池是整车驱动的主要能量源,是能量储存装置,应具有良好的充放电性能,用以保证车辆的动力性和再生制动回收的能力:;其容量应能够满足增程式电动汽车性能要求的纯电动续航里程:其电压等级要与电力系统电压等级和变化范围一致;其充放电功率应能够满足整车驱动和电器负载的功率要求。
增程式电动汽车纯电动模式的续航里程较短,动力电池容量要求比纯电动汽车。
3.增程器。
发动机、发电机及其控制器共同组成了増程器(APU)。增程器是增程式电动汽车动力传动系统的关键组件,发动机/发电机系统与驱动车轮在机械上是分离的,发动机的转速和转矩与速度和牵引转矩的需求无关,因此可控制发动机运行在其转速一转矩平面上的任意点。通常应控制发动机使其运行在最佳工况区,此时发动机的油耗和排放降到最低程度,由于发动机和驱动车轮没有机械连接,因此最佳的发动机运行状态是可以实现的,与驱动电机系统的运行模式和控制策略密切相关。
增程器只提供电能,电能用来驱动电机或者为动力电池充电,增加电动汽车的续航里程,发动机到驱动电机之间的动力传动路线没有机械连接,可以将电能用于驱动车辆,不经过动力电池的充放电过程,降低了从增程器到动力电池的能
量传递损失。
增程器根据电能来源的不同可分为发动机/发电机组、燃料电池和超级电容等,其中发动机/发电机组的增程器是目前应用最多和技术最成熟的增程器。增程器用发动机的选型目前主要有往复式发动机和转子式发动机。往复式发动机属于传统发动机,是最为常见的一种发动机。转子式发动机一般燃烧效率较低,但其特殊的结构使其具有旋转顺畅、利于小型化的优点,符合增程器的设计要求且在增程器上转子式发动机是在一定条件下启动,因此并不比往复式发动机逊色。
增程器中发动机与发电机连接方式主要有两种:弹性联轴器结构连接和直接刚性连接件连接。前者轴线尺寸会较大,对定位安装工艺要求高;后者发电机惯量及动态加载会给轴系带来冲击,存在动力过载损坏轴系的危险增程器要稳定可靠,可以立刻启动并进入正常工作状态。为了实现高效率和低排放的要求,要求系统处在最优工作点工作,因此控制器非常关键,通过控制策略和优化措施,在保证整车动力性前提下提高经济性和效率。
4.整车控制器。
整车控制器通过CAN网络与发动机控制器、发电机控制器、驱动电机控制器以及电池管理系统进行信息交互,实现增程的控制。增程器、驱动电机、动力电池三者之间通过整车控制器进行电能交互,实现能量的最优分配。同时动力电池通过车载充电机充电,保证纯电动模式下的行驶增程式电动汽车与纯电动汽车相比,可以随时在加油站加油,续航里程得到很大提高。在相同的续航里程条件下,增程式电动汽车动力电池的容量只需要纯电动汽车的30%~40%,无须配备大容量的动力电池,制造成本大幅降低。当动力电池SOC值降低到阈值时,转为增程模式运行,避免了动力电池的过放电,寿命可以得到延长。
增程式电动汽车与常规混合动力电动汽车相比,由于混合动力电动汽车采用了复杂的机械动力混合结构,发动机和电机复合驱动,电池能量很小,只起到辅助驱动和制动能量回收的作用。增程式电动汽车采取电池扩容的方式解决了电池驱动的续驶能力问题。增程式电动汽车能外接充电,尽可能利用晚间低谷电力充电,进一步提高了能源利用率增程式电动汽车与插电式混合动力电动汽车相比,增程式电动汽车在电能充足条件下行驶时发动机不参与工作。因此,增程式电动汽车并不需要像插电式混合动力电动汽车那样对其工作模式进行特定的说明。增程式电动汽车所使用的动力电池、驱动电机以及动力系统的用电功率都必须从满足整车性能的要求而加以设计,车辆所搭载的动力电池及其容量也必须从能够满足纯电动汽车整车性能需要的角度加以考虑。在动力电池电能充足的情况下,增程式电动汽车必须在所有
的工作模式下维持纯电动模式。在增程器设计方面,增程式电动汽车允许将发动机的功率显著降低,发动机所提供的动力不需要达到车辆动力性能所需的峰值功率,仅满足车辆行驶所需要的持续动力需求即可。
增程式电动汽车能够有效提高燃料利用率,主要有以下几点原因。
①由于发动机不是直接与机械系统相连,发动机的工作状态相对独立,可将发动机设定于最佳效率点工作。
②在电量保持模式下,主要由发动机驱动整车行驶,当需求功率较小时,发动机关闭,由动力电池驱动整车行驶;当需求功率较大时,动力电池提供发动机功率不足的部分,这样可避免发动机的工作点波动,保证发动机工作于最佳效率点。
③当车辆制动时,动力电池能有效回收制动能量综上所述,增程式电动汽车是一种可增加续航里程的纯电动汽车,兼有混合动力电动汽车和纯电动汽车的特征,是现阶段解决新能源汽车技术问题最切实可行的方案之一。增程式电动汽车具有以下特点:
①在纯电动模式下,发动机不启动,由动力电池驱动整车行驶,这样可减少整车对石油的依赖,缓解石油危机。
②在动力电池电能不足时,为了保证车辆性能和动力电池的安全性,进入电量保持模式,由动力电池和发动机联合驱动整车行驶。
③整车纯电动续航里程满足大部分人员每天行驶里程的要求,动力电池可利用晚间低谷电力充电,缓解供电压力。
④整车大部分情况下在电量消耗模式下行驶,能达到零排放和低噪声的效果。
⑤发动机与机械系统不直接相连,发动机可工作于最佳效率点,大大提高了整车燃料效率。
