第十节　增程式纯电动汽车

当前，能源与环境问题的双重压力越来越大，纯电动汽车因具有节能环保的特点而受到各汽车大国的重视。我国也对纯电动汽车的发展给予了政策和财政支持。但是，限制于当前的技术发展水平，特别是动力电池的技术瓶颈，纯电动汽车还有许多方面不能满足用户需求。例如，由于纯电动汽车续驶里程短，用户普遍存在“里程焦虑”问题。为提高电动汽车的续驶里程，国内外近来将目光投向了增程式电动汽车（ExtendedRangeElectricVehicle,EREV）。

一、增程式纯电动汽车动力总成基本结构

增程式纯电动汽车是以提高纯电动汽车的续驶里程为目的，在纯电动汽车的基础上增加增程器而成。它的基本结构由增程器、动力电池、驱动电动机及传动系统组成，如图2-117、图2-118所示。增程器通常由发动机和发电动机组成，当动力电池电量不足时，通过增程器发电为驱动电动机提供电能。动力电池和驱动电动机的类型与其他纯电动车一致，动力电池电量充足时，为驱动电动机提供电能。传动系统中可以是各种变速装置。

二、增程式纯电动汽车基本工作模式

由于当前储能技术的限制，纯电动汽车一次充电的行驶里程比传统汽车少得多。纯电动汽车的这一现状，对于习惯传统汽车的现代社会，会使人们产生“里程焦虑”而影响电动汽车的使用意愿。研究表明，作为代步工具，大多数人日常使用汽车的范围在60km。如果在这一范围内普遍使用电动汽车，将显著减少燃油消耗和降低排放。对于40mile以上的距离，则依靠增程器提供能量，大幅提高电动汽车的行驶里程，克服“里程焦虑”。由此，如果不考虑停车和充电过程，EREV的基本工作模式即分为纯电动模式和增程模式。

①纯电动模式，属于电量消耗阶段。根据动力电池最佳工作区间特性，预先设计一个荷电状态SOC最低阈值SOCLOW，当电池SOC值处于这个阈值以上时，EREV处于纯电动模式。在纯电动模式，车辆与纯电动汽车一样，由动力电池提供能量，由驱动电动机提供行驶动力。

②增程模式，此阶段属于电量维持阶段。随着车辆在纯电动模式下运行，电池SOC逐渐降低，当低于设定阈值时，如果再继续使用电池，将会减少电池的使用寿命。这时，应当启动增程器，利用增程器发出的电能提供驱动电动机行驶，同时，多余的部分电能为电池充电，使电池SOC略微增加至预定阈值SOChi，并保持SOC处于前述两个阈值之间，即满足SOClm≤SOC≤SOCh，直至停车充电，将电池充满，之后车辆行驶时，又进入纯电动模式。

某增程式纯电动汽车电池SOC的仿真时间历程如图2-119所示。从图2-119中可以明显看出前期SOC的下降趋势，此时车辆处于纯电动模式，后期SOC处于波动状态，表明处于增程模式。

三、沃蓝达增程式纯电动汽车结构和参数

美国通用公司的沃蓝达增程式纯电动汽车于2010年7月在北美上市，是世界首款量产增程式汽车，结构框图如图2-120所示。该结构同样由增程器、主驱动电动机、动力电池（内部含有220颗电池，总重大约170kg，可提供16kW·h电量）组成。其T形电池组如图2-121所示。增程器由1.4L汽油发动机和永磁直流发电机组成，如图2-122所示。在沃蓝达中，主驱动电动机和发电机与行星齿轮机构集成设计成为Voltec系统，如图2-123所示。两台电动机之间通过行星机构驱动车辆。与前述基本结构不同的是，沃蓝达还包括3个离合器C1、C2和C3。根据车辆不同的行驶模式，通过控制这些离合器使得发电机处于不同工作状态，Volt的基本参数如表2-4所示。

沃蓝达配备了两个电力驱动电动机，主电动机的最高输出功率为111kW，最大转矩为370N·m，此外还有一个兼作发电机的辅助电动机（55kW），根据行驶工况的不同，它可以进行动力输出或者反转为电池充电。沃蓝达虽有电动驱动，但是它的百公里加速时间只有9s，最高时速可以达到160km/h，这已经足够满足日常驾驶的需求了。

以沃蓝达为例，在纯电动模式下，依靠车载的16kW·h锂电池所储存的电量，沃蓝达可以行驶最高80km（具体里程会根据地形、驾驶技巧和环境温度而有所不同），并且实现零排放和零油耗；当电量快要耗尽时，沃蓝达还有一台1.4L发动机，这台发动机的燃烧方式和普通汽车发动机的燃烧方式不一样，最高转速只有4800r/min，功率也只有63kW。这台发动机的作用只有一个，就是当电池电量不足的时候启动，驱动发动机进行发电。然后驱动车辆，增程行驶里程最高可达490km，使其最大总行驶里程达到570km。

沃蓝达和混合动力车的主要区别是，混合动力车基本还是依靠内燃机在行驶，电力只是补充，无法依靠纯电行驶太远；而沃蓝达是一辆纯电动车，动力来源都是电力，汽油只是用作续航的发电机使用，在前80km的电力驱动里程，都可以纯靠电力行驶。沃蓝达的充电口位置、遥控器、仪表显示如图2-124～图2-126所示。

四、沃蓝达的四种工作模式

在动力系统方面沃蓝达由一台1.4L的阿特金森发动机、一台发电机（可转换成电动机）、一台电动机三个单元组成。其中，它们通过一组行星齿轮组与三个电控离合器连接，发动机通过离合器C3连接发电机，发电机通过离合器C2连接行星齿轮外齿圈，而电动机则是刚性连接在行星齿轮的太阳轮，其中离合器C1并不连接任何单元，用途是锁止行星齿轮的外齿圈，而行星齿轮组中的行星架则刚性连接着输出轴，传动比例为7:1。通过离合器的控制可以完成四种驱动模式的转换，这四种工作模式在纯电动与纯燃油模式各有两种，它们分别为纯电动低速单一电动机行驶模式、纯电动高速双电动机行驶模式、纯燃油低速单一电动机行驶模式、纯燃油高速双电动机行驶模式。总体而言，它的工作状态分为以下4种。

1.纯电动工作模式一：低速单一电动机行驶模式

在此模式中，离合器C1接合如图2-127所示，C2和C3分离，行星齿轮齿圈锁止。发动机处于关闭状态，离合器C1锁止行星齿轮外齿圈，离合器C2与C3都处于分离状态，此时电池输出电量至电动机驱动行星齿轮的太阳轮，由于行星齿轮的外齿圈锁止，所以全部动力均输出至行星架，通过行星架输出至输出轴再到车轮。发动机和发电动机不工作，主驱动电动机提供所有车辆所需的驱动力矩。这是沃蓝达最为重要的行驶模式，也是沃蓝达区别于混合动力车型的要点。在该模式下，车辆只由主电动机驱动，这时候的沃蓝达是一台不折不扣的电动车，在路况良好的情况下，电池的续航能力大约为80km。

这种传动方式非常简单，由于没有任何变速机构，所以车速与电动机的转速有直接关系，当车辆达到较高时速时，电动机也只能被迫进入高转速的低能效工况，这是目前电动车辆最头疼的问题之一，所以工程师针对这种情况设计了高速双电动机行驶模式。

2.纯电动工作模式二：高速双电动机行驶模式

在此模式中，离合器C2接合，C1和C3分离，如图2-128所示。在该种工况下，发动机依然处于关闭状态，系统会锁止离合器C2，从而把发电机（可转换成电动机）与行星齿轮的外齿圈连接，然后再松开离合器C1，此时电子系统会把发电机转换成小电动机，然后电池组供电给电动机与小电动机（发电机转换而成）分别驱动太阳轮以及外齿圈，以达到共同驱动行星架的目的。发电机变为电动机与主驱动电动机共同为整车提供驱动力，这种方式提高了整个驱动系统的效率，能够在车辆高速行驶时提供更多的行驶里程。为了应付高速巡航的需求，2台电动机同时带动车辆前进。这样做的好处是让单台电动机的负荷减少，提高用电效率，减少用电量，增加航程。此时由于传动比例的变化，电动机可以大幅度降低转速，协同小发电机一同工作又不用担心改变齿比后转矩与功率的不足，在高速行驶模式下，该种工况可以比单一的电动机驱动工况让沃蓝达多跑1.6～3.2km的里程。

3.纯燃油工作模式一：低速单一电动机行驶模式

当SOC低于预定阈值时，整车进入增程模式，在车速较低时，离合器C1、C3接合，C2分离，如图2-129所示。

此时发动机处于启动状态，这种工况就大致如同电动模式下的单一电动机行驶模式，唯一的区别是锁止的离合器C3连接了发动机与发电动机，从而进行发电，产生的电量供给能源管理模块后会再次供给电动机驱动整部车辆。此模式下，只有主驱动电动机提供整车行驶动力。发动机带动发电机发电，维持电池SOC处于最小荷电状态，待停车后使用电网为电池充电，增程器和动力电池共同为主驱动电动机提供电能。这时候的车辆由主电动机驱动，发电机只管为电池充电。这种模式只能用于电动机中低负荷的运转，毕竟发电量有限。

4.纯燃油工作模式一：高速双电动机行驶模式

在纯燃油下的双电动机模式，离合器C1分离，从而让行星齿轮的外齿圈可以被驱动，待电动机转速降低、发电动机转速上升之后，也可以说整个系统的转速在行星齿轮组得到匹配之后，离合器C2、C3接合，如图2-130所示。进而把发动机、电动机都锁止在外齿圈上，此时三个动力系统的单元都被刚性连接，均可以输出动力到车轮，但此时电动机依然是主要做功机构，发动机主要带动发电动机产生电能，以及输出少量的动能到齿轮组驱动车轮，但由于整个行星齿轮组系统拥有配速功能，所以发动机的转速与车轮转速可以没有直接关系。与混合动力汽车不同的是，如果没有主电动机参与驱动，发动机是不能直接驱动车辆的。这时候的发动机和电动机一起承担了驱动车辆的任务，同时也为电池充电。

该种模式主要应对纯燃油模式在高速行驶时的工况，三个单元同时介入可以让其比单一电动机工况能源效率提升10％～15％，这套系统虽然非常复杂，但是能够获得这样的能源收益绝对是不错的设计。