增程式節(jié)能汽車技術(shù)要點(diǎn)分析

李華文

摘要：增程式電動(dòng)汽車的動(dòng)力來自于驅(qū)動(dòng)電機(jī)，行駛中只消耗電能。其機(jī)械結(jié)構(gòu)介于純電動(dòng)汽車與混合動(dòng)力電動(dòng)汽車之間。增程式電動(dòng)汽車結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可以在多種模式下工作。本文通過對(duì)傳統(tǒng)燃油汽車能耗的介紹，系統(tǒng)分析了增程式電動(dòng)汽車的工作原理及技術(shù)特別，并總結(jié)了其節(jié)能優(yōu)勢(shì)及未來需改進(jìn)的地方，旨在為汽車節(jié)能環(huán)保領(lǐng)域提供考。

關(guān)鍵詞：電動(dòng)汽車；增程式汽車；節(jié)能；油耗

1引言

隨著國民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，我國城市規(guī)模不斷的擴(kuò)大，城鎮(zhèn)人口大幅增加。城市化進(jìn)程的進(jìn)一步加快，使城市機(jī)動(dòng)車數(shù)量不斷增加，由此給環(huán)境帶來了巨大的污染，也造成了能源的大量消耗，而增程式電動(dòng)公交客車低噪聲、低排放，可綜合利用能源等突出優(yōu)點(diǎn)，時(shí)有效解決能源、環(huán)保等突出問題的重要途徑。因此，大力發(fā)展增程式電動(dòng)汽車，對(duì)改善城市環(huán)境，提高人們生活質(zhì)量，以及實(shí)現(xiàn)能源結(jié)構(gòu)多樣化，加強(qiáng)能源安全有著極其重要的意義。

2傳統(tǒng)汽車工作原理

傳統(tǒng)汽車通過發(fā)動(dòng)機(jī)，將燃油化學(xué)能轉(zhuǎn)化成機(jī)械能，經(jīng)過變速箱減速，通過傳動(dòng)軸將機(jī)械能傳至車輪，驅(qū)動(dòng)車輛行駛。傳統(tǒng)車的燃料利用率都不高，以普通轎車（即歐洲標(biāo)準(zhǔn)A級(jí)車）為例，一般油耗在6.5至8.5L/100km。

根據(jù)《世界能源導(dǎo)報(bào)》報(bào)道，美國環(huán)境保護(hù)局以乘用車在城市高速公路上行駛能源分配試驗(yàn)得出以下結(jié)論：設(shè)燃料的總熱能100%，由于能量的轉(zhuǎn)換和功率傳動(dòng)中的損失，轉(zhuǎn)化成機(jī)械功率只相當(dāng)于總熱能的25%，而驅(qū)動(dòng)功率只有12%，可見汽車的燃料經(jīng)濟(jì)性不高。汽車節(jié)能就是要解決如何降低圖中的熱能損失和降低摩擦的問題。

3傳統(tǒng)汽車油耗分析

（1）發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷低，實(shí)際比油耗高，效率低。發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷率為80%～90%時(shí)，油耗最低；一般車輛勻速行駛，發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷只占10%至25%，比油耗310至380g/kwh。

（2）汽車整備質(zhì)量大。傳統(tǒng)車輛零件多，車體結(jié)構(gòu)復(fù)雜。車身大部分采用鋼材制造，整備質(zhì)量一般在1.2至1.5噸，總質(zhì)量增加10%，油耗增加8.8%。

（3）汽車傳統(tǒng)傳動(dòng)系復(fù)雜，損耗大。根據(jù)數(shù)據(jù)分析，傳動(dòng)系損耗約占發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)械能的52%，占發(fā)動(dòng)機(jī)燃料化學(xué)能的13%。

（4）發(fā)動(dòng)機(jī)水溫不穩(wěn)定，發(fā)動(dòng)機(jī)能耗大。傳統(tǒng)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)是唯一動(dòng)力源，冬天早晨發(fā)動(dòng)機(jī)水溫低，需要暖機(jī)；起步、加速時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)做功多，水溫迅速升高，需要風(fēng)扇強(qiáng)制風(fēng)冷；勻速或減速、怠速時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷低，燃料消耗少，產(chǎn)熱少，水溫急劇下降。數(shù)據(jù)顯示，發(fā)動(dòng)機(jī)正常水溫（80～90℃）下降10℃，多耗油2.5%；發(fā)動(dòng)機(jī)水溫降至60℃時(shí)，多耗油8～10%；發(fā)動(dòng)機(jī)水溫降至40℃時(shí)，多耗油12%。

除了發(fā)動(dòng)機(jī)比油耗高，還有其它問題。如傳統(tǒng)車發(fā)動(dòng)機(jī)噪音大，特別是柴油發(fā)動(dòng)機(jī)，NVH技術(shù)難點(diǎn)大。傳統(tǒng)車發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速隨著車速變動(dòng)而變動(dòng)，發(fā)動(dòng)機(jī)工作波動(dòng)大，故障率也偏高。

4增程式介紹

為了解決傳統(tǒng)車發(fā)動(dòng)機(jī)使用比油耗高、整車整備質(zhì)量大、傳動(dòng)系效率低、發(fā)動(dòng)機(jī)水溫不穩(wěn)定，增程成孕育而生。增程式電動(dòng)汽車是一種集外接充電和車載充電的純電驅(qū)動(dòng)汽車，主要由純電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和增程器（APU）組成（如圖1所示）。純電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)由直驅(qū)電機(jī)系統(tǒng)、電源系統(tǒng)和整車控制系統(tǒng)組成，是整車動(dòng)力系統(tǒng)核心，車輛以純電動(dòng)行駛。增程器分燃油增程器、燃?xì)庠龀唐鳌⑷剂想姵叵到y(tǒng)等等。以燃油增程器為例，主要由發(fā)動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)、發(fā)電機(jī)控制器、燃料系統(tǒng)組成。發(fā)動(dòng)機(jī)專職發(fā)電，在整車控制器的指揮下與純電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)協(xié)同工作。在電源系統(tǒng)電量不足時(shí)，自動(dòng)啟動(dòng)APU發(fā)電；當(dāng)電量充裕時(shí)，APU自動(dòng)停止工作。發(fā)動(dòng)機(jī)始終工作在最佳工作點(diǎn)上，保證熱功效率最高，污染物排放最低。

增程式電動(dòng)車異于純電動(dòng)汽車，車載有獨(dú)立的電能補(bǔ)充裝置，電池容量相對(duì)較小，電池可以淺度DOD放電，延長了電池的使用壽命；不要建立充電站即可運(yùn)行，在小型充電設(shè)施的輔助下，更進(jìn)一步提高系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性；車輛續(xù)航能力可以與其它任何型式的混合動(dòng)力汽車相同，避免純電動(dòng)汽車“里程焦慮”。

增程式異于混合動(dòng)力氣車，系統(tǒng)采用電機(jī)直驅(qū)，無離合器、無變速箱，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可靠性高；電池處于良性平臺(tái)淺充放，保證了電池使用壽命；電池容量大，能進(jìn)行純電模式驅(qū)動(dòng)；發(fā)動(dòng)機(jī)一直處于最佳工作轉(zhuǎn)速工作，排放小、效率高；具有PLug-in外接充電模式，能充分利用夜間低谷電。

增程式異于插電式汽車，一般插式汽車系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與混合動(dòng)力汽車無差別，僅增加了外部充電的功能，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)未能得到簡(jiǎn)化，系統(tǒng)復(fù)雜對(duì)機(jī)械及電氣有著更高的要求。增程式電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)100%來自驅(qū)動(dòng)電機(jī)，混合部分僅僅是能源的混合，而不是驅(qū)動(dòng)力的混合，車載輔助發(fā)電系統(tǒng)APU僅為發(fā)電系統(tǒng)。

5案例分析

為了更好對(duì)比增程式的優(yōu)勢(shì)，列舉國內(nèi)某款增程式電動(dòng)汽車進(jìn)行對(duì)比。該車外形尺寸、整備質(zhì)量有效載荷都與上面對(duì)比傳統(tǒng)車相當(dāng)。

該增程式汽車純電續(xù)駛里程104km，滿足日常市區(qū)行駛，能耗費(fèi)用只需0.115元/km，只有傳統(tǒng)車1/4。當(dāng)運(yùn)行里程>100km，增程器自動(dòng)啟動(dòng)，增加續(xù)駛里程。一次加油可以行駛600km，滿足長途運(yùn)行需要。在不外接充電情況下，百km油耗2.56L，能耗費(fèi)用只需0.156元/km，只有傳統(tǒng)車1/3。

不同客戶可以選擇不同運(yùn)根據(jù)不同行駛里程油耗不同：一般日常上下班代步，純電行駛就可以滿足，耗油量0；中等行駛里程（如100～i5300km），先純電行駛，再啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)增程，百km油耗1至1.7升，每km能耗費(fèi)用約0.12至0.14元。

5.1增程式優(yōu)勢(shì)

（1）發(fā)動(dòng)機(jī)單點(diǎn)工況，恒定功率輸出，工作在最佳經(jīng)濟(jì)點(diǎn)，油耗低。

（2）發(fā)動(dòng)機(jī)恒定轉(zhuǎn)速，方便做吸音、減震。

（3）發(fā)動(dòng)機(jī)工作穩(wěn)定，潤滑、散熱良好，延長使用壽命。

5.2增程式預(yù)期及后續(xù)技術(shù)改進(jìn)措施

（1）發(fā)動(dòng)機(jī)采用帕金森循環(huán)，改變壓縮比，延長發(fā)動(dòng)機(jī)做功時(shí)間，可以提高發(fā)動(dòng)機(jī)燃油轉(zhuǎn)發(fā)效率10%～20%。

（2）采用永磁同步發(fā)電機(jī)、定向開發(fā)，可以提高發(fā)電效率2%至5%。

（3）精細(xì)化控制發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣溫度、冷卻水溫度、機(jī)油稠度和溫度、排氣溫度，進(jìn)一步提高發(fā)動(dòng)機(jī)熱工效率2%至12%。

（4）利用新型車體技術(shù)，碳纖維車體，可以使整備質(zhì)量降低30%；單位能耗降低20%至30%。

6結(jié)語

（1）增程式汽車?yán)谜囈惑w化設(shè)計(jì)技術(shù)，整備質(zhì)量比一般混合動(dòng)力汽車輕10%至20%，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)采用低磁間隙技術(shù)，并運(yùn)用汽車級(jí)IGBT技術(shù)的控制器，純電行駛電耗0.115 kwh/km，比其它混合動(dòng)力汽車低10%至25%。

（2）增程式發(fā)動(dòng)機(jī)工作在恒定轉(zhuǎn)速、恒定功率，一直處于最佳經(jīng)濟(jì)點(diǎn)。以國內(nèi)模型發(fā)動(dòng)機(jī)為例，增程式可以用在發(fā)動(dòng)機(jī)最低比油耗244g/kwh，而傳統(tǒng)車平均比油耗只能使用在345g/kwh，效率提高30%；增程式取消傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)附件、離合器、變速箱等傳動(dòng)系，節(jié)約損耗20%至30%。

（3）由于柴油發(fā)動(dòng)機(jī)熱功效率比汽油發(fā)動(dòng)機(jī)高10%至15%。增程式運(yùn)用新型柴油發(fā)動(dòng)機(jī)，集合高效率永磁發(fā)電系統(tǒng)，最后1L燃油可以發(fā)出4.48 kwh電能。

（4）集成車體輕量化、驅(qū)動(dòng)高效率、選用柴油發(fā)動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力源，增程式電動(dòng)汽車百km耗油2.56升（不外接充電情況下）；若充滿一次電，100km內(nèi)不需要耗油；一次性運(yùn)行200km，油耗1.23L/100km。