淺析乘用車增程技術現狀與發展趨勢

鄧湘 范鵬 畢帥 廖顯敏 張星宇

摘? 要：目前，新能源汽車主要以純電動、混合動力、燃料電池等多種技術路線并行發展，在產業加速變革和支持政策持續調整完善過程中，各種技術路線發展的比較優勢也在不斷變化。企業為迎合市場需求，正積極謀劃研究符合未來變革趨勢的技術路線及發展方向，亟需在多種路線競相發展中選擇符合企業自身實際的技術路線。本文通過分析新能源汽車技術路線關系，概述了當前新能源汽車發展趨勢及主流技術路徑，著重闡述了增程式電動汽車的市場需求、技術構型、優劣勢對比分析，同時對于未來增程核心技術的發展方向進行了判斷與分析，并提出了觀點及建議。

關鍵詞：新能源汽車；技術路徑；增程式電動汽車；增程器

中圖分類號：U461? ? ? ?文獻標志碼：A? ? ? 文章編號：1005-2550（2024）02-0056-08

Analysis of Technology Status and Development Tendency for Range Extended Electric Passenger Vehicle

DENG Xiang， FAN Peng， BI Shuai， LIAO Xian-min， ZHANG Xing-yu

（VOYAH Automobile Technology Co.， Ltd.， Wuhan 430056， China）

Abstract： At present， a variety of routes of new energy vehicles （BEV， HEV， FCEV） are developing in parallel， the comparative advantages of the development of various technical routes are also changing in the process of accelerating industrial change and the continuous adjustment of policies. In order to meet the market demand， enterprises are actively planning the technical route and development direction that meet the future change trend， and it is urgent to choose the technical route that meets the actual situation of enterprises in the competitive development of various routes. By analyzing relationship among the technology routes， this paper summarizes the current development trend and mainstream technology path of new energy vehicles， focuses on the market demand， technical configuration， advantages comparative analysis of range extended electric vehicle （REEV）， evaluates and analyzes the development direction of range-extender technology， and puts forward views and suggestions.

Key Words： New Energy Vehicle; Technology Path; Range Extended Electric Vehicle; Range Extender

引? ? 言

當前，在國家政策支持和市場需求驅動下，中國汽車先進動力系統技術取得了顯著的進步和突破，特別是在純電動、混合動力和氫能動力等方面，涌現出了一批具有國際競爭力的技術和產品，市場化漸趨成熟。且國內廠家對各動力的技術路徑也均有布局和規劃。展現出了中國汽車產業的創新能力和活力。

REEV（Range Extended Electric Vehicle）即增程式電動汽車，作為插電式混動技術中重要分支，成為了新能源汽車的發展亮點，其增長速度在新能源汽車細分類型中表現突出，近兩年來銷量增長明顯，市場占有率也逐年攀升。這說明技術路線只是決定產品銷量因素之一，如果產品整體競爭力強、價值體驗感佳，即使小眾市場也能帶來令人驚喜增量，甚至技術和產品也可以反過來引導消費需求。

另外隨著購置補貼退坡以及后補貼政策體系的重新構建，增程式電動汽車憑借其無里程焦慮、電池用量少、不依賴充電基礎設施、綜合油耗低等優點，并在電池技術尚未實質突破、充電便利性仍需改善、節能減排要求趨嚴的背景下，增程式電動汽車仍會在一段時間內快速增長并成為行業及企業關注的熱點。

1? ? 增程式乘用電動汽車現狀

1.1? ?增程式電動汽車技術路徑概述

當前新能源汽車按其動力形式主要分為純電動、插電混動以及燃料電池三種技術路徑。而插電混動構型主要包含串聯式、并聯式、混聯式三種。

而當前市場較為流行的增程式構型與串聯式混合動力高度關聯。其最大特點為：發動機不直接介入驅動，而是在電池電量不足或功率不足時帶動發電機發電并將電能輸入至電動機驅動車輛，多余電能輸入至電池包存儲起來。

因此增程構型主要凸顯輔助補能的作用，可以理解為在PHEV（Plug-in Hybrid Electric Vehicle）混合動力基礎上的演變，并衍生為特有的技術構型及細分市場。

而且對于不同企業技術路線不盡相同，這與車企本身的產品定位和技術稟賦有關。比如擅長純電動技術的企業，比較容易延伸到增程式路線，因為技術相關性高、平臺架構變化不大。而對于擁有豐富傳統資源的車企，往往升級為混動更加契合，技術改動也相對比較少。

如圖1所示為插電式混合動力PHEV與增程式電動REEV的主要構型及差異。其中PHEV著重發動機與電機系統的串并聯混合匹配，以實現多種駕駛模式，達到動力性與經濟性的最佳兼顧。而REEV則以相對簡化的串聯構型，將發動機與整車機械解耦，使整車控制更加傾向于純電屬性。另外從電流的傳遞角度來看，在整車大功率輸出時，P1發電機與動力電池可以并聯輸出給驅動電機以實現增程補能，因此也可看作是電-電的混聯構型。

進一步的通過對使用場景、布置構型、結構原理、成本及性能對比可以看出增程式電動汽車有如下明顯優勢（如表1）：

a.消除焦慮：長途行駛可以消除客戶續航以及充電不便焦慮，且在市區通勤時基本可以由純電模式覆蓋。

b.動力解耦：由于發動機不參與整車驅動，可實現二者之間的機械、功率、車速、排放解耦。且對整車布置較為靈活，冗余度高。

c.駕乘體驗較好：增程式汽車更傾向于純電車屬性，動力性能、NVH性能較混動更優。

d.策略適應性好：僅通過對增程器的功率跟隨或定點發電的標定策略，及可實現整車的動力性、經濟性、NVH性能匹配，且相對PHEV的控制策略更為簡捷。

然而增程式電動汽車也有一定的技術弊端，比如油電間的二次能量轉換導致效能相對降低且能耗偏高（尤其在高速虧電模式），又比如增程器集成度較低，對整車四驅的布置空間要求更高。

綜上，當前對于新能源汽車的技術路線多元化是必然趨勢，并且未來很長一段時間內BEV、PHEV、REEV等技術將長期并存。

1.2? ?乘用車REV市場現狀分析

根據汽車工業協會2023年發布的《中國增程式電動汽車產業發展報告》，提出了新能源汽車發展和增程式技術路線的優勢逐漸顯現，越來越多的車企開始布局增程式產品（如圖2）。同時也預測2020-2025年增程電動汽車年復合增速達64.7%，到2025年銷量增至約50萬輛。

同時SCI機構預測增程車型未來5-6年的市場占比呈持續上漲態勢，預計2028年滲透率達18%。且在NEV市場中，預計2026年增程車型滲透率最高可達24.6%（如圖3）。

基于乘聯會新能源汽車市場銷售數據，增程車型增長率明顯高于純電動汽車，符合機構預測。截止2023年7月份增程占新能源汽車滲透率增長至29.6%，高于SCI預測20.4%（如圖4）：

對于增程新車型市場呈快速增長態勢，主流增程車型銷量逐步攀升，理想L系列車型月銷量穩居1萬以上；深藍SL03/S7銷量逐步提升，峰值月銷量超過8千且持續增長；嵐圖新FREE、哪吒S和零跑C01銷量穩健，持續月銷量也在3000臺左右（如圖5）：

2? ? 乘用車增程技術現狀

2.1? ?主流增程構型對比

當前增程技術主要解決續航里程短，充電不便等問題，且主流的增程方案為：

a.發動機與P1發電機直聯。

b.基于混合動力專用變速箱（Dedicated Hybrid Transmission，DHT）構型，發動機與P1發電機單級速比耦合，取消發動機與主減速器間的離合器。

通過兩種主流增程構型對比（如表2），可以看出二者在各OEM均有應用。主要差異表現為直聯式增程器由于集成度略差，更多應用在后驅車型中，而帶速比的DHT增程構型則融合了P3前電機，更容易實現四驅功能，甚至可以通過增加離合器功能來進一步實現發動機的直驅功能。

2.2? ?增程器匹配概述

增程器系統的匹配是增程式電動汽車技術的關鍵，主要基于整車VTS（Vehicle Technical Specification）指標對整車動力、控制、通訊、診斷、熱管理等系統進行匹配。

其中對于動力系統匹配，通過對整車不同工況及負載條件下的受力分析，可以計算出整車最大需求功率及扭矩，并據此選型匹配驅動電機峰值功率及峰值扭矩?；趧恿ο到y傳動比及輪胎滾動半徑，計算出驅動電機最高轉速。

根據上述整車需求最大功率及驅動電機峰值功率來選型匹配增程器額定功率及峰值功率。

因此增程器輸出額定功率P可表示為：

式（1）中：m為整車質量，f為滾動阻力系數，CD為風阻系數，A為迎風面積，Vmax為整車最高車速，ηT為電機到驅動輪的傳動效率，ηe為電機效率。同時根據各工況需求，確定增程器的功率響應時間及動力電池的類型匹配。

除動力性之外，增程器匹配也需要考慮如下原則：

a.高效區匹配：控制發動機工作在最佳點火角以及高效區間，同時發電機與發動機高效區盡量重合。

b.功率跟隨匹配：發電機輸出功率需與整車驅動需求功率跟隨。且在增程模式下，動力電池主要起到能量回收、功率增補（加速及爬坡）以及能量緩沖（削峰填谷）的作用。

c. NVH匹配：優化發動機與發電機工作點，盡量降低發動機轉速及扭矩以滿足NVH性能。

2.3? ?增程器技術特征及核心指標

根據增程式電動汽車的工作原理，增程器具有如下技術特征：1.發動機不直接驅動，而是驅動發電機產生電能供給車輛使用；2.增程器啟停頻繁，運行區域相對自由可控；3.增程器動力需求較低，僅需滿足整車驅動功率需求并維持SOC平衡；4.整車采用純電驅動，因此增程器的噪聲更加凸顯。

基于以上特征，當前行業對于增程器技術的共識為：開發高效率、集成化、小型化、低成本、無感化的增程器系統，以匹配整車對于強動力、低能耗、長續航、靜謐性等需求（如圖5）：

其中對于高效增程專用發動機（Dedicated Hybrid Engine，DHE）的研發，各企業主流機型熱效率普遍在40%以上，采用的技術也不盡相同，如350bar高壓直噴，低壓EGR，超低摩擦技術，水冷中冷，高效分區熱管理技術，附件電動化等。其中東風汽車的馬赫動力C15TDE高效發動機更以45.18%的熱效率拔得頭籌。

對于高效發電機及控制器的研發，更是以小型化、高效化進一步集成匹配，并與發動機進一步高效耦合，從而實現效率、重量、NVH、成本的進一步優化。

綜上，增程器的本質屬性是補能發電，其核心指標就是油電轉化率。當前行業主流指標為3.0-3.2kWh/L，且隨著發動機熱效率改善，電機扁線化應用，SiC功率元器件導入，油電轉化率可進一步提升至3.4-3.5kWh/L（如圖6）。

除了經濟性指標，增程器對于動力性、搭載性、排放性、NVH、成本均有明確的開發指標，其中NVH性能及目標成本更為靠前（如表3）。

3? ? 乘用車增程技術未來發展趨勢

3.1? ?增程器小型化與集成化

隨著增程式電動汽車普及應用，純電續航里程也隨著電池包容量增加而提升，當前普遍純電續航里程在200km左右，甚至有的車型已經超過300km，如搭載43.7kwh電池包的零跑C01 CLTC純電續航達到了316km。

因此增程器小型化與集成化成為了當前各車企追求的技術指標之一。首先，帶來的效益就是輕量化與低能耗，對續航里程也有優化；其次，小型化增程器與大電池包互為補充，凸顯增程器的輔助補能作用；再次，集成化增程器可以拓展機艙布置空間的冗余度，比如優化的Y向空間利于配置更大輪胎并預留雙叉臂懸架升級空間，同時增大前輪包絡，提升轉彎半徑（如圖7）。甚至可以在BEV架構直接改制REV車型也是得益于小型化增程器的應用。

基于以上收益分析，當前增程器小型化的主要技術路徑為：

a.發電機與電控集成化：從傳統的電控、電機分體式過渡為多合一集成式發電機（如圖8），由于取消了三相高壓線以及相關支架、冷卻管路、低壓線束等，平均減重約3-5kg。進一步的，也可將控制器與發電機進一步集成，比如共用殼體、水道、銅排等。

b.發電機與發動機一體化集成：一方面取消增程器內部中間飛輪及限扭減振器機構，由發電機轉子代替發動機飛輪同時轉子端部與發動機曲軸直聯，可降低軸向尺寸約10%，同時降本減重也十分可觀，當前主要在<50Kw的增程器應用（如圖9）。另一方面將發電殼體與發動機殼體物理集成一體，從原理上實現增程器的一體化集成，但目前行業尚處于理論分析階段。

因此對于增程器小型化與集成化的研發，當前已逐漸摒棄發動機、發電機、控制器的獨立選型及設計，也不再是傳統產業與新能源產業的簡單組合。更是三者之間從研發、制造、售后全價值鏈的重組融合，并以最低的開發代價、最合適的性能目標，來滿足市場更加嚴酷的競爭與挑戰。

3.2? ?增程器高效化

對于增程器高效化，其核心路徑如下：

a.增程專用發動機高效化：隨著附件電氣化、350bar高壓直噴、水冷中冷、低壓EGR、DLC減摩技術的普及應用，高效發動機的熱效率普遍在41%-43%區間。后期隨著絕熱及稀薄燃燒技術應用，熱效率可進一步提升至47%左右，但由于高投入產出比，大部分廠家目前處于前瞻預研或觀望狀態。

b.增程專用發電機高效化：隨著扁線電機、油冷技術的普遍應用，發電機系統最高效率已經超過93%，且高效區間滿足雙85目標（即85%效率占map比例85%），較傳統水冷扁線技術優化1-2%左右（如圖10）。

c.增程系統高效區間耦合：由于受物理邊界限制，發動機高效中心點一般在3000-3500rpm左右，而發電機高效中心點一般在4000rpm以上，因此二者高效率中心耦合是系統效率提升的關鍵。當前普遍思路是：1.減小氣隙，但對工藝要求更高；2.調整電磁方案，將弱磁拐點往低速區域移動，而電機高效率點一般靠近弱磁拐點；3.在電壓范圍內，增加繞組匝數，提升勵磁性能，從而提升電機轉矩輸出能力，在相同工況下，反電動勢越高，電流越小，有利于提升控制器的效率。

d. 增程最優工況控制策略：不同于燃油車，增程式汽車工況點可以基于發電功率需求、NVH目標在萬有map最佳油耗區間進行選點，當前主流策略為定點發電，功率跟隨（如圖11）。

同時行業提出了根據預測的汽車未來行駛工況進行等效燃油最小控制策略（ECMS）并進行優化擬合。比如針對不同路況與駕駛員意圖進行SOC門限與整車需求功率輸入值的優化調整，對所搭建的能量管理策略在整車上固化，實現最優整車能量管理路徑及策略（如圖12）。

3.3? ?增程器無感化

無感化一般指車輛在日常行駛過程中，增程器瞬間介入或介入后，駕乘人員不會感知到明顯的振動或噪音。尤其在虧電時噪聲與振動較燃油車更大，易引起客戶抱怨。

當前普遍認可的目標為：噪聲總值增加量<1.5dB（A）；發動機階次噪聲<75dB（A）。對于增程器無感化開發的整體思路為：

a.常規方法：對噪音“源、路徑、響應”進行全面優化，如通過諧波注入或斜極優化來降低電機階次噪音，如前圍隔音提升、抗扭懸置NTF優化措施等。

b.控制策略：根據車速與油門開度來設定不同目標轉速，基于多方需求找到最優解。

c.主動降噪：通過ENC/RNC等主動降噪技術進一步降低增程器噪聲中的2階、4階成分，且主動降噪技術不受動力標定及電量平衡的限制，真正實現無感化（如圖13）。

3.4? ?增程器高壓化

如前所述，得益于整車純電續航里程接近300公里以及大電池包的普遍應用，客戶對于純電使用場景占比更高，而且對電池快充的需求也更加凸顯。

因此，在純電動800V高壓化應用的背景下，整車企業對于增程高壓化的開發及研究成為了當前增程系統的技術制高點，其主要特點有：一方面是高壓化帶來1-2%系統效率的潛在提升；另一方面是系統絕緣等級升級、寬禁帶功率元器件SiC應用所帶來的成本增加。這將導致REEV相對BEV的成本優勢區間降低。

因此行業普遍呈觀望態度或采用高壓IGBT作為過渡方案，當然隨著BEV 800V的批量應用，SiC的成本降低將是REEV增程器高壓化應用的最佳契機。

4? ? 小結

本文基于增程式電動汽車的市場需求、著重闡述了增程器技術構型、優劣勢對比分析，同時對于未來增程核心技術的發展方向進行了判斷與分析，并提出了觀點及建議。該文對REV車型增程器的開發提供了借鑒與參考。

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