更新时间：2024-09-20 20:59
增程器（Ranger Extender，RE），又称为APU系统（Auxiliary 功率 Unit，APU），是一种用于延长电动汽车续驶里程的车载供电装置。增程器是增程式电动汽车的核心动力装置之一，以内燃机和发电机组成的内燃发电增程器为主。增程器发电功率的响应速度、控制精度、发电效率等指标直接影响增程式电动汽车的整车动力性、经济性和排放水平。
2009年，日本铃木公司公司首先推出了旗下首款增程式电动车的概念车型。2010年，通用汽车汽车推出了全球第一款量产的增程式电动汽车，标志着增程式电动汽车从概念阶段发展到量产阶段。2017年，江苏公爵新能源公司推出第三代增程技术-发电直驱技术，大幅提升了车辆续航里程。增程器主要用在固定式发电装置、增程式电动车、移动充电车等方面。其中在增程式电动车方面的应用非常广泛，如增程式轻卡，增程式SUV，增程式电动公交车，增程式客车，增程式出租车等领域。
增程器的工作原理主要是将化学能（如汽油的燃烧）转化为动能，再进一步转化为电能。这部分电能既可以用于驱动电动机，也可以向蓄电池充电。当电动汽车的电池电量不足时，增程器会自动启动，为电池提供电能，从而延长电动汽车的行驶距离。增程器由发动机、起动发电电机(IntegratedStarter and Generator，ISG)和控制器组成，通常选择单活塞转子或两缸汽油机，根据使用的燃料不同，一般可分为燃气增程器和汽油增程器两种。
第一代增程式fcv单纯是为了增加行驶里程而加装了一个增程器，等到电池原来的电用完之后，增程器就以发动机带动电动机，从而发挥效能。然而第一代增程器的电池具有重量大且油耗高的缺点。
2009年，日本铃木公司公司首先推出了旗下首款增程式电动车的概念车型—“Swift plug-in Hybrid ”。
2010年，通用汽车汽车推出了全球第一款量产的增程式电动汽车，增程模式的续驶里程可达500公里，标志着增程式电动汽车从概念阶段发展到量产阶段。同年，英国莲花汽车公司的研究人员从轻量化、低成本和高效率的角度出发，开发了一款插电式混合动力汽车的新型专用增程器。
2013年，中国北汽集团也推出了旗下的增程式车型E150，在纯电平台下开发了一款增程器，将原有的60公里纯电续驶里程提升到接近400公里；2014年广汽集团旗下子品牌传祺推出了GA5增程版电动汽车。
第二代增程式电动汽车是燃油车和电动汽车的融合，既改变了第一代单纯延长续驶里程的局限性，又能够做到节能减排。美中不足的是，第二代增程式电动汽车的电池较多、重量较大，且充电放电过程中具有能量损耗，从而影响电池的寿命。
2011年，德国马勒公司动力总成部门研发了一款30kW紧凑型增程器，这套系统由一台0.9排量的两缸发动机和一台水冷式永磁同步发电机及其控制器组成，额定输出电功率30kW，总重量仅为65kg。2013年，德国的FEV发动机技术公司在一台菲亚特汽车公司汽车上加装了其研发的增程器，由一台排量0.3L，额定功率13kW的转子发动机和电励磁同步发电机组成，增程模式下能实现300km的巡航里程。
第三代增程式fcv和第二代增程式电动汽车不同，它是发动机发电直接驱动电动汽车，简称发电直驱电动汽车，节油率可以达到60%甚至更高。
2016年日产日产汽车公司 Note上市，搭载e-POWER智充电动技术，通过一套由汽油发动机与电机结合的动力总成，燃油发动机负责发电，再由电机、电池组和逆变器等取代传统变速器驱动车辆。
2017年江苏公爵新能源公司也推出了第三代增程技术发电直驱技术，作为该公司第三代技术核心之一，旗下车型公爵EV4.0，实现充电14分钟，续航600km的重大突破。
2018年10月，造车新势力理想汽车发布了旗下的首款车型“理想ONE”，为一款中大型增程式电动汽车，该车搭载的增程器纯电续驶里程180 公里，但在增程模式下可行驶超过700 公里。2019年4月10日，造车新势力厂商车和家的首款量产车型理想ONE正式亮相。
2021年1月，在金康SERES2021技术大会上，赛力斯联手华为研发的“驼峰智能增程系统”正式发布，代表着中国增程器开发技术进入了一个新时代。
增程器的工作原理主要是将化学能（如汽油的燃烧）转化为动能，再进一步转化为电能。这部分电能既可以用于驱动电动机，也可以向蓄电池充电。当电动汽车的电池电量不足时，增程器会自动启动，为电池提供电能，从而延长电动汽车的行驶距离。
增程器（APU）的起动控制需与电控离合器系统的控制相配合，起动过程可以分为3步：脱开离合器、发动机起动至平稳工况和接合离合器。APU发出起动指令后，离合器首先脱开，其过程为VCU向常闭阀A输出高电平信号，使其打开，高压气体通过常闭阀A和常开阀B进入气缸推动活塞运动，使离合器脱开，发动机在离合器脱开后起动，起动成功后，APU发出接合离合器指令。接合过程可以分为3个阶段。第一阶段，离合器压盘与发动机飞轮没有接触，分离轴承位移增加，但离合器不传递扭矩；第二阶段，压盘与飞轮开始接合，随着分离轴承位移增加，离合器传递的扭矩也增加；第三阶段，压盘与飞轮完全接合，离合器传递的扭矩不再增加。
增程器利用内燃机产生的机械能，通过发电机将机械能转换为电能。发电机的工作原理基于电磁感应现象，当内燃机带动发电机定子和转子旋转时，磁场中的导线会切割磁力线，从而在导线中产生感应电动势，进而产生电流。产生的电能通过控制系统进行分配和调节，以满足电动车辆的用电需求。发电机在增程器启动阶段会消耗车载动力电池的电量来驱动发动机旋转帮助发动机点火启动，在增程器发电阶段则会将发动机的输出扭矩转化为电流对动力电池进行充电。
增程器产生的电能主要用于给电动车辆的电池组充电。在电池电量不足时，增程器会自动启动将产生的电能通过充电系统传输到电池组中，为电池组提供持续的充电支持。充电系统通常包括充电器、电池管理单元(BMU)以及相应的控制电路等部分组成，BMS的主要功能包括对动力蓄电池电池电压、电流和温度的监测、动力电池状态分析和动力电池安全保护等。
当电池电量达到预设的充满值时，控制器发出信号停止增程器工作。此外，车辆控制系统根据路况、驾驶模式以及电池状态智能调节增程器的启停和功率输出整个系统的高效运行。
发动机是增程器的动力源，和发电机之间通过转轴实现刚性连接，它由控制器ECU和发动机本体两部分组成，ECU会接收RCU下发的指令，控制发动机的启停和扭矩输出。增程器的系统结构如下所示， VCU通过供电信号（ VBAT）和钥匙信号KEYON）让RCU上电，通过整车CAN通信对RCU进行控制并接收RCU反馈的状态信号。增程器系统由控制器RCU和被控对象两部分组成， 被控对象则是由发动机和发电机组成， RCU通过钥匙信号（ KEYON）控制发动机控制器ECU和发电机控制器GCU的启停，通过内部 CAN通信实现对ECU和GCU的控制。
发电机由控制器GCU和发电机本体两部分组成，GCU负责接收 RCU控制信号并通过电气连接实现对发电机本体的控制，同时GCU还要实现三相电和直流电之间的转换；发电机在增程器启动阶段会消耗车载动力电池的电量来驱动发动机旋转帮助发动机点火启动，在增程器发电阶段则会将发动机的输出扭矩转化为电流对动力电池进行充电。
电源系统主要包括动力电池、电池管理系统(BatteryManagement System，BMS)充电系统和辅助电源。动力电池作为车辆的动力来源，是汽车行业中制约电动汽车发展的一大主要因素。电池管理系统的主要功能包括对动力蓄电池电池电压、电流和温度的监测、动力电池状态分析和动力电池安全保护等。充电系统分为快充和慢充系统。快充的示意图如下图所示，它是将电网的交流电在外部转化成直流电后，由车辆的快充接口将电能直接输送给动力电池。快充充电的功率由电池管理系统和充电桩输出功率共同决定，取两者中的较小值。
增程器的整流器在增程器系统中主要负责将发电机产生的交流电（AC）转换为直流电（DC），以供电池充电或直接为车辆电机提供动力。增程器控制器RCU，它接收VCU下发的控制命令和目标功率，对命令进行解析，同时根据发动机和发电机的工作状态，对发动机和发电机进行控制。状态控制模块的逻辑共分为五种状态，分别是停机状态、启动状态、怠速状态、 发电状态和故障状态 。
停机状态：RCU的初始状态，此时增程器未启动。
启动状态：当RCU接收到 VCU下发的启动控制命令时，会从停机状态切换到启动状态，尝试启动增程器 。此时RCU会给ECU发送启动指令，让发动机尝试启动；同时RCU会给GCU启动指令和转速指令，让发电机旋转倒拖发动机点火启动。
怠速状态：当发动机转速达到一定值时，发动机点火启动成功， ECU会向RCU发送启动成功信号 。 当 RCU确认增程器启成功 会 从启动状态进入怠速状态。
发电状态：增程器启动成功后， 若RCU接收到 VCU的目标功率大于0，则会 从怠速状态 进入发电状态， 通过控制增程器发电维持车载动力电池电量平衡 。此时RCU会通过功率解耦模块将目标功率解耦成 目标扭矩和目标转速，将目标扭矩发送给ECU，目标转速发送给GCU。
增程器目前主要以燃气增程器和汽油增程器为主。汽油增程器因成本低、结构简单等特点主要用于乘用车等小型车；燃气增程器因其体积大、组成比较复杂、经济效益高所以主要用在中大型商用车上。功率也不相同，目前30~80KW的增程器较多。
燃气增程器是燃气增程式电动车的核心组成部分，一般由燃气发动机、发动机控制器、电机、电机控制器、增程器控制器及相关系统等组成。其结构组成比较复杂，一般还包括水路冷却系统、高低压线束系统、气路系统及各种传感器等。燃气增程器与整车进行通信是由增程器控制器来实现的，在电池电量充足时，动力电池驱动电机，提供整车驱动功率需求，此时发动机不参与工作。当电池电量消耗到一定程度时，发动机启动，发动机为电池提供能量对动力电池进行充电。当电池电量充足时，发动机又停止工作，由电池驱动电机，提供整车驱动。
内燃机增程器是一种用于提高内燃机动力输出和延长行驶里程的设备。通常与内燃机一起工作，当锂电池的SOC达到预设最小值时，增程器系统启动，整车工作在增程模式。此时发电机工作在电动状态以最大转矩启动内燃机，当内燃机被拖动至怠速时，发电机不再拖动内燃机，此时内燃机开始供油拖动发电机产生三相电，经发电机控制器整流后供给驱动电机和电池使用。在增程器系统中内燃机和发电机与驱动电机无机械连接，故增程器系统与驱动电机转速及牵引性能无关，增程器系统只需满足驱动电机需求功率即可，此时内燃机以其稳态效率特性图为基础，将优化燃油消耗作为控制的主要目标，使内燃机始终工作在最佳燃油效率区间。
汽油增程器是一种利用汽油作为燃料，通过内燃机燃烧产生能量，进而转化为电能的装置。它通常与电动汽车的电池系统结合使用，为车辆提供额外的电力支持。汽油增程器的工作原理主要包括以下几个步骤：首先，汽油在内燃机中燃烧产生热能；然后，热能转化为机械能驱动发电机旋转；最后，发电机将机械能转化为电能，并通过控制系统将电能输送到电动汽车的电池系统或直接驱动电动机工作。
与汽油增程器类似，柴油增程器是一种利用柴油作为燃料，通过内燃机燃烧产生能量，进而转化为电能的装置。柴油增程器主要包含动力电池(蓄电池)、驱动电机(Motor Generator)、增程式柴油机(ICE)、发电机(GEN)等机械部件以及驾驶员驱动模块、燃油耗计算模块(燃料 Evaluate)、混合动力电脑板(Supervisory 电动车控制器)、增程式柴油机控制模块(ECU)、驱动电机控制模块(MG Controller)、发电机控制模块(Generator Controller)、制动控制模块(Brake Controller)、电池管理系统(BMS)等。
采用水冷方式进行散热，具有较高的散热效率和稳定性。水冷式增程器的工作原理主要基于水的热传导性和流动性。增程器在运行过程中会产生大量的热量，这些热量通过增程器内部的热传导元件（如散热片）传递给冷却水。冷却水在水泵的作用下循环流动，将热量带至散热器进行散热。散热器通常位于车辆的前部或后部，通过空气对流将热量散发到空气中。
通过空气流动进行散热，结构相对简单，但散热效率可能略低于水冷增程器。风冷式增程器的工作原理主要基于内燃机的能量转化和空气冷却的散热机制，当内燃机燃烧燃料时，会产生大量的热能，这些热能通过内燃机的活塞、连杆等部件转化为机械能，进而驱动发电机发电。在这个过程中，发电机本身也会产生一定的热量。为了保持发电机的正常运行温度，风冷式增程器利用空气流动来带走发电机产生的热量，实现散热效果。
微工况型增程器，适用于车辆依赖于充电桩充电实现全工况行驶，车辆行驶时主要为纯电动行驶，在电量较低时通过增程器补电使车辆增加续驶里程，增程器仅起到补电作用，不能支持车辆全工况运行。例如，宝马i3(增程版)就是微工况型增程式电动汽车。
全工况型增程器，适用于车辆不依赖于充电桩或者无需充电桩就可以实现全工况行驶，车辆行驶时主要的电力来自增程器，动力电池只起到电力辅助或短距离行驶时的电量供给作用。对于全工况Ⅱ型车辆，所配动力电池容量很小，正常行驶情况下没有纯电工作模式，所需电力全部由增程器提供，纯电工作模式(静音模式)仅在增程器出现故障或由驾驶人主动选择时才开启。
增程器的额定功率等级按照大小可以分为：3kw、5kw、8kw、10kw、15kw、20kw、30kw、35kw、45kW、55kW、60W、
80kW、100KW等。
为了满足发动机高效运行的需求并兼顾电池功率分配，以减小电池充放电的综合功率损耗，可以设计局部功率跟随控制策略。该策略通过等效燃油消耗模型的建立，获得功率跟随控制的阈值功率。这种控制策略能够确保发动机的输出功率快速均衡实际需求功率、发动机效率及电池电量保持之间的关系。为了实现增程器输出功率跟踪给定功率控制，可以利用PWM变换器在特定坐标系下调节发电机的电流。实验验证表明，这种基于比例谐振控制器的局部功率跟随控制策略具有良好的稳定运行性能及对参数变化的鲁棒性。
增程器发电系统的优化涉及关键元器件的参数匹配设计，以及专用发动机在起动、怠速、稳态工况及瞬态工况下的控制策略优化。通过提高发动机控制精度和效率，可以降低油耗和排放水平。此外，还需要通过仿真分析来优化发动机的进排气结构，以提高其性能。
为了提高增程器发电机的效率，可以选用内置式永磁同步发电机作为增程器发电机。通过利用简化的等效磁路解析算法进行增程器专用发电机设计，可以达到降低成本、减轻重量、提高效率的目标。在解析计算过程中，需要综合考虑电机的电磁参数、尺寸限制以及发电机作为发动机起动电机需要满足的起动转矩要求。
根据德国MAHLE公司对其增程器开发中各项指标权重定义，增程器的主要技术指标可以分为效率、成本、体积、NVH、重量、效率和排放。下表列出的内容体现了目前全工况增程器的先进水平，参考了中国科技部2018年度国家重点研发计划新能源汽车重点专项申报指南“插电/增程式混合动力系统”技术方向关于“增程器系统开发与整车集成”的相关考核要求。
参考资料：
在电动汽车领域，增程器主要用于增加电动车的行驶里程。当主电池的能量耗尽时，增程器可以继续提供动力，延长电动车的使用时间。例如，2021年1月25日，SERES2021技术大会上赛力斯联手华为推出了“驼峰”智能增程系统，通过硬件的升级与软件的全面优化，开启了DriveONE三合一电驱动系统的市场化。
增程器还可以应用于移动电源领域，为移动设备提供电能。通过燃料电池或锂电池等能源进行增程发电，可以有效提高手持移动设备的电能储存能力，延长电池寿命，为移动设备提供长时间的稳定电源。比如，在户外的移动电源领域，就有人开发了一种直流增程式混动移动电源，他包括设备架、发动机、发电机和电池组，解决现有技术中移动电源容量较小无法满足需求、移动电源抗震效果较差的问题。
随着增程式fcv普及应用，纯电续航里程也随着电池包容量增加而提升，当前普遍纯电续航里程在200km左右，甚至有的车型已经超过300km，如搭载43.7kwh电池包的零跑C01 CLTC纯电续航达到了316km。因此增程器小型化与集成化成为了当前各车企追求的技术指标之一。首先，带来的效益就是轻量化与低能耗，对续航里程也有优化；其次，小型化增程器与大电池包互为补充，凸显增程器的辅助补能作用；再次，集成化增程器可以拓展机舱布置空间的冗余度，比如优化的Y向空间利于配置更大轮胎并预留双叉臂悬架升级空间，同时增大前轮包络，提升转弯半径。甚至可以在BEV架构直接改制REV车型也是得益于小型化增程器的应用。
发电机与电控集成化，从传统的电控、电机分体式过渡为多合一集成式发电机，由于取消了三相高压线以及相关支架、冷却管路、低压线束等，平均减重约3-5kg。进一步的，也可将控制器与发电机进一步集成，比如共用壳体、水道、铜排等。
增程专用发动机高效化，随着附件电气化、350bar高压直喷、水冷中冷、低压EGR、DLC减摩技术的普及应用，高效发动机的热效率普遍在41%-43%区间。后期随着绝热及稀薄燃烧技术应用，热效率可进一步提升至47%左右。
得益于整车纯电续航里程接近300公里以及大电池包的普遍应用，在纯电动800V高压化应用的背景下，整车企业对于增程高压化的开发及研究成为了当前增程系统的技术制高点，其主要特点有：一方面是高压化带来1%-2%系统效率的潜在提升；另一方面是系统绝缘等级升级、宽禁带功率元器件碳化硅应用所带来的成本增加。这将导致REEV相对BEV的成本优势区间降低。因此行业普遍呈观望态度或采用高压IGBT作为过渡方案，当然随着BEV 800V的批量应用，SiC的成本降低将是REEV增程器高压化应用的最佳契机。
标准规定了fcv用增程器的术语和定义、要求、试验方法和检验规则等要求，标准适用于由内燃机和发电机及控制器组成的车载式增程器（内燃机特指压燃式和点燃式发动机）。
规定了电动汽车用增程器的工作模式、定额、环境条件、技术要求、试验方法、检查试验项目、型式试验等要求。标准适合电动汽车用增程发电系统。
规定了增程器台架试验的术语和定义、试验条件、试验方法、试验结果评价。适用于柴油、汽油内燃机和发电机及其控制器组成的增程器台架试验。
T/CICEIA /CAMS62—2023《增程器台架试验方法》团体标准.全国团体标准信息平台.2024-07-24
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