中國新能源汽車分為三類，純電動汽車、插電式(含増程式)混合動力汽車、燃料電池汽車。目前動力電池技術(shù)水平明顯提升，但其瓶頸還沒有真正突破。正如交通運(yùn)輸部有關(guān)領(lǐng)導(dǎo)在電動汽車百人會2016年度會議上抱怨的那樣：目前的新能源汽車整車的技術(shù)水平離終端用戶的要求距離較遠(yuǎn)，是在折騰基層的駕駛員。新能源汽車必須滿足用戶的基本要求，讓以交通運(yùn)輸部為代表的客戶滿意是必須的，要完成這一任務(wù)十分很艱巨。唯一可以做的是不斷地創(chuàng)新，加快創(chuàng)新速度。本文對電動汽車用富氫增増程器予以介紹與研究，其基本意圖，對破解目前新能源汽車破解瓶頸有較大的幫助。

一、増程器的概念

增程器只是個廣義的名稱。純電動汽車對用戶而言一次充電后續(xù)駛里程短的瓶頸。為了增加純電動汽車行一次性行駛駛里程，業(yè)界已經(jīng)提出較大的方案，其中在純電動汽車上加裝一個附加儲能部件的技術(shù)方案，這比混合動力方案有了明顯的優(yōu)化。確保了“純電驅(qū)動”技術(shù)路線得到貫徹執(zhí)行，在純電動汽車的基礎(chǔ)上增加一個增程器，國家是有補(bǔ)貼的。

增程器的形式通常有：小型發(fā)電機(jī)、蓄電池和燃料電池等。普遍的做法是用小型發(fā)電機(jī)，來做増程器。技術(shù)上，増程器是小型發(fā)電機(jī)系統(tǒng)，來給動力電池補(bǔ)充電能。

二、増程器汽車能量傳遞路徑

増程器(小型發(fā)電機(jī))發(fā)的電，是給車載動力電池進(jìn)行充電用的，不直接給電機(jī)供電。從整車上來講，是在純電動汽車基礎(chǔ)上，加了一個發(fā)電機(jī)系統(tǒng)而已，其能量專遞路徑邏輯如圖1所示。

圖1 増程器汽車能量傳遞路徑

能量傳遞路徑是串聯(lián)的，結(jié)構(gòu)簡單。増程器(小型發(fā)電機(jī))可以高度集成一個總成，安裝位置較為靈活。増程器(小型發(fā)電機(jī))電能輸入動力電池的接口按照國家有關(guān)現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)即可。

増程器汽車是以純電動汽車為基礎(chǔ)的，不同的地方是，比純電動汽車動力電池容量要低得多，一次續(xù)駛里程比純電動汽車要長許多，與傳統(tǒng)燃料車基本相同。目前一些的電動汽車?yán)锍潭蹋脩羰遣粷M意的，即使高頻次充電也是不得已的辦法。這個水平的電動汽車是無法取代傳統(tǒng)汽車的。

三、増程器電動汽車動力總成邏輯關(guān)系圖

増程器電動汽車動力總成邏輯關(guān)系如圖2所示：

圖2 電動汽車増程器動力總成邏輯關(guān)系

從圖2的邏輯關(guān)系上可以看出：

増程器是一個相對獨(dú)立的總成，由發(fā)動機(jī)+發(fā)電機(jī)組成。増程器不工作時，此車就是一臺純電動汽車，從功能上看，増程器是一個載充電機(jī)裝置。

配増程器的電動汽車，發(fā)動機(jī)(內(nèi)燃機(jī))僅為發(fā)電機(jī)提供動力，可以采用電機(jī)直驅(qū)，無需變速箱離合器等機(jī)械結(jié)構(gòu)，與車輛無機(jī)械連接，實(shí)現(xiàn)了動力解耦，機(jī)械結(jié)構(gòu)簡單，車輛性能更加穩(wěn)定可靠。

配増程器的電動汽車，全工況范圍內(nèi)電機(jī)無級調(diào)速驅(qū)動，具有純電動車輛同等的平順性及舒適性，為駕乘帶來最佳體驗(yàn)；低速時自動切換到純電動模式，在堵車、低速工況，更加安靜、節(jié)能。

四、市面目前増程器產(chǎn)品基本情況

1)市面目前不同品牌増程器產(chǎn)品有汽油、柴油的兩大類：

(1)汽油増程器產(chǎn)品及參數(shù)如圖3、圖4所示：

圖3 市面不同品牌的増程器產(chǎn)品外形圖

圖4 汽油増程器基本參數(shù)

(2)柴油増程器產(chǎn)品外形、基本配置、參數(shù)如圖5、6、7所示：

圖5 柴油増程器產(chǎn)品外形圖(1000*1000*700)

(2)柴油増程器基本配置示意圖

圖6 柴油増程器基本配置示意圖

表1 柴油増程器基本參數(shù)

2)市面目前増程器產(chǎn)品基本特點(diǎn)

①無論汽油還是柴油的増程器都是2缸機(jī)，而發(fā)動機(jī)基本上4缸機(jī)，也有6缸以上的機(jī)器。這一點(diǎn)與目前插電式混合動力是本質(zhì)區(qū)別的。插電式混合動力是配發(fā)動機(jī)的，而増程器陪的小功率內(nèi)燃機(jī)，其已經(jīng)沒有發(fā)動機(jī)的功能了。

②技術(shù)特點(diǎn)：以斯太爾增程器為例。斯太爾增程器的核心部件主要由三個部分構(gòu)成， M12發(fā)動機(jī)、TFM電機(jī)，以及電機(jī)控制系統(tǒng)。 M12 Rex增程器采用臥式2缸柴油機(jī)設(shè)計(jì)，結(jié)合高壓共軌、渦輪增壓、內(nèi)置中冷器等技術(shù)，特別是采用博世最新一代電控高壓共軌噴射系統(tǒng)及SCR尾氣后處理技術(shù)，具有體積小、重量輕、油耗低等特點(diǎn)。其柴油機(jī)輸出功率為40kW，采用一體式設(shè)計(jì)發(fā)電機(jī)，凈功率輸出為37kW?；谶@些獨(dú)特高超的性能，M12 REX增程器應(yīng)用范圍廣泛，可應(yīng)用于新能源專用車、物流車、6-12米客車以及港口碼頭專用車領(lǐng)域等。

③無論汽油還是柴油的増程器都是燃油內(nèi)燃機(jī)技術(shù)，這一點(diǎn)發(fā)動機(jī)沒有區(qū)別，尤其要必須要應(yīng)用尾氣環(huán)保技術(shù)。

④目前市面上，無論汽油還是柴油的増程器都是國外品牌，或者是外資企業(yè)的產(chǎn)品，核心技術(shù)被國外品牌控制。

五、目前市面上燃油増程器的不足

中國發(fā)展新能源汽車，有“彎道超車”的初衷，如何“彎”道？筆者理解，“純電驅(qū)動”基本找到彎道超車的落腳點(diǎn)，已經(jīng)具有“中國特色”。驅(qū)動模式已經(jīng)明確，但是驅(qū)動車載電機(jī)的“電”如何上車，基本是2種，一是動力電池接受電網(wǎng)充電；二是車載燃料發(fā)電。

接受電網(wǎng)充電技術(shù)有了長足的進(jìn)步，但是動力電池比能量太低，純電動汽車一次續(xù)駛里程與燃油汽車、CNG汽車相比，相差太遠(yuǎn)，充電時間與加燃油、加天然氣相比，時間太長。

車載發(fā)電機(jī)發(fā)電基本途徑有：內(nèi)燃機(jī)發(fā)電、燃料電池2種。燃料電池發(fā)電目前已經(jīng)列于國家級示范推廣項(xiàng)目。

而燃油內(nèi)燃機(jī)發(fā)電技術(shù)已經(jīng)很成熟了。但是車載燃油內(nèi)燃機(jī)(増程器)發(fā)電，依然燒的是油，與燃油發(fā)動機(jī)燒油的基本原理是相同的，沒有區(qū)別，不直接驅(qū)動，但是在轉(zhuǎn)成電以后，效率變得更低了。

目前基本有天然氣、氫氣供給車載載燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)發(fā)電。這個技術(shù)方案又面臨氣體如何上車及安全如何保障？如果増程器使用的內(nèi)燃機(jī)使用燃料依然是汽(柴)油，必須要用三元催化技術(shù)，進(jìn)行尾氣處理。目前増程器汽車對燃油的依賴是客觀存在的，達(dá)不到零排放的要求，離發(fā)展新能源汽車的初衷還有相當(dāng)一段的距離。

六、在燃油燃油増程器上的再創(chuàng)新

主要思路是借用甲醇裂解富氫技術(shù)(華中科技大學(xué)能源與機(jī)械工程學(xué)院《甲醇裂解醇?xì)淇蒲许?xiàng)目組》蔣炎坤教授團(tuán)隊(duì)的專利)，對目前市面上的増程器進(jìn)行優(yōu)化。具體思路如下：

1)車載甲醇裂解制富氫的機(jī)理介紹

在車載甲醇裂解制富氫裝置中，熱力學(xué)上的甲醇裂解是一個吸熱反應(yīng)過程，甲醇(CH3OH)在催化劑和一定溫度作用下(吸熱過程反應(yīng))產(chǎn)生C-H和C-O鍵的催化活性及C-C鍵的偶聯(lián)反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)甲醇裂解變成為氫氣(H2)和一氧化碳(CO)(反應(yīng)式：CH3OH→CO+2H2)。

眾所周知，車載內(nèi)燃機(jī)(發(fā)動機(jī))所產(chǎn)生的熱量的1/3在做功、1/3在制冷降溫、1/3因燃燒不充分而通過廢氣排放到外部浪費(fèi)。這個外排能量是可用起來的。

2)車載甲醇裂解制富氫裝置原理介紹

在車輛上把原來的消聲器，用甲醇制氫裝置換即可。利用發(fā)動機(jī)的尾氣余熱，產(chǎn)生約400℃的高溫，使一定純度的甲醇(75%)在隔絕空氣的封閉容器內(nèi)，經(jīng)催化，裂解為氫氣和一氧化碳?xì)?。基本成分有?4%的氫氣、32%的一氧化碳?xì)?、剩余甲烷等的混合氣體。

七、富氫増程器與燃油増程器相比的優(yōu)點(diǎn)

1)可以利用尾氣的自身熱量裂解甲醇，無需在車輛上專設(shè)供熱裝置。既利用了尾氣余熱，又節(jié)省了裂解甲醇所需的能耗。

2)車輛中無需裝設(shè)高壓氣瓶儲氫，也無需到加氫站去加氫續(xù)行。排除了運(yùn)氫和儲氫環(huán)節(jié)中的各項(xiàng)難題。

3)發(fā)動機(jī)啟動和怠速時、尾氣溫度很低，不能完成甲醇裂解的化學(xué)反應(yīng)。但是可利用電動汽車蓄電池的能量，啟動發(fā)動機(jī)，帶動內(nèi)燃機(jī)，內(nèi)燃機(jī)沒有啟動和怠速。

4)無需高純高純度(90%以上)的精甲醇，用75%純度的粗甲醇即可，具有普遍推廣的的經(jīng)濟(jì)價值。

八、當(dāng)前車載甲醇裂解制氣體主要與汽(柴)油參燒

主要原因是：氣態(tài)氫本身的燃燒熱值較高，加上強(qiáng)勁的火焰?zhèn)鞑ニ俣?、能促進(jìn)其他燃料加速燃燒。但是氣態(tài)氫質(zhì)量密度小，無法滿足大型發(fā)動機(jī)做功要求，于是參燒是一個比較靠譜的方案。

不同燃料參燒方案的不足：車上必須要求有兩套不同的燃料供給燃料系統(tǒng)，這也是用戶不能接受的。這說明，即使參燒方案，原理科學(xué)，技術(shù)可行，但是市場上也是行不通的。

九、車載甲醇裂解制氣用于改裝現(xiàn)有的増程器，市場上是完全是可行的

目前市面上増程器基本上是汽油、柴油的2缸內(nèi)燃機(jī)，功率在30Kw-40Kw之間。用甲醇裂解富氫技術(shù)(華中科技大學(xué)能源與機(jī)械工程學(xué)院《甲醇裂解醇?xì)淇蒲许?xiàng)目組》蔣炎坤教授團(tuán)隊(duì)專利)來改裝目前市面上増程器，不用兩種以上燃料的進(jìn)行參燒了。

一般情況下甲醇熱值較低(汽油的40%)，但是在車載式甲醇裂解制氣的幫助下，其熱值較低可以提高到(汽油的90%)以上，再加上増程器功率較小，甲醇與富氫(由甲醇裂解而來)兩種燃料參燒比例由目前的2：8會更高。由于甲醇與富氫參燒過程，對用戶來說是透明的，市場上完全可以接受的。

①甲醇熱值較裂解前提高了27%以上。

②甲醇裂解氣含H2、CO、CH4可燃混合氣體，其產(chǎn)氣率高達(dá)95%及以上。

④汽油摻燒甲醇裂解氣發(fā)動機(jī)動力保持在95%以上；

④用100%甲醇替代汽油，滿足節(jié)約汽油100%的要求。

十、公交車上《車載甲醇裂解制氣裝置系統(tǒng)》介紹

1) 車載甲醇裂解制氣系統(tǒng)組成

圖7 車載甲醇裂解制氣系統(tǒng)組成示意圖

注：(1.電源(蓄電池) 2.點(diǎn)火開關(guān) 3.電磁開關(guān) 4.甲醇泵 5.甲醇箱 6.溫度傳感器 7.甲醇裂解裝置 8.甲醇噴射器 9.發(fā)動機(jī) 10.燃油箱 11.電磁閥 12.氫氣、一氧化碳儲罐 13.壓力傳感器 14.顯示屏 15.電加熱器 16.控制器ECU)

2)甲醇裂解制氣系統(tǒng)工作過程

①點(diǎn)火開關(guān)開啟，甲醇泵4開始工作，甲醇泵4 將甲醇箱5的甲醇導(dǎo)入進(jìn)入預(yù)熱管；

②預(yù)熱后的甲醇經(jīng)尾氣再加熱，由裝置下部的4個甲醇霧化噴入口進(jìn)入甲醇裂解裝置7內(nèi)部；

③甲醇裂解裝置7內(nèi)部的甲醇在耐高溫、耐氧化催化劑和約400℃溫度作用下、分解成氫氣(H2)和一氧化碳(CO)。氫氣(H2)和一氧化碳(CO)；

④進(jìn)入儲氣罐12冷卻、儲存；

⑤依據(jù)發(fā)動機(jī)的工況變化，控制器ECU16發(fā)出指令，在進(jìn)氣門打開時、打開電磁閥11，氫氣(H2)和一氧化碳(CO)噴入進(jìn)氣歧管進(jìn)氣門處，和新鮮空氣(可燃混合氣)一同進(jìn)入發(fā)動機(jī)氣缸，參與燃燒；

⑥溫度傳感器6將溫度信號傳輸給控制器ECU16，按甲醇裂解裝置7內(nèi)的溫度高低，控制電磁閥8的開、閉，調(diào)節(jié)進(jìn)入氣缸的甲醇供給量和電加熱器15的通斷；

⑦當(dāng)發(fā)動機(jī)排出的尾氣不能保證甲醇裂解需要的溫度時，控制器ECU16發(fā)出指令，電加熱裝置導(dǎo)通工作，保證甲醇裂解的正常溫度，使裂解持續(xù)進(jìn)行；

⑧當(dāng)發(fā)動機(jī)尾氣足夠供給裂解裝置所需的熱量時，溫度傳感器輸出信號給控制器ECU16發(fā)出指令，電加熱器15斷電，仍由發(fā)動機(jī)尾氣獨(dú)立供熱。

⑨在發(fā)動機(jī)起動或怠速時，發(fā)動機(jī)尾氣的溫度太低，控制器ECU16發(fā)出指令，電加熱器15導(dǎo)通，由蓄電池供電，保證裂解裝置7的正常裂解溫度，使裂解反應(yīng)正常進(jìn)行。裂解產(chǎn)生的低壓氫氣(H2)和一氧化碳(CO)進(jìn)入不銹鋼的氣體儲罐12；

⑩在控制器ECU16的指令，控制電磁閥11的關(guān)閉，按發(fā)動機(jī)工況、供給不同定量的低壓氫氣(H2)和一氧化碳(CO)，和空氣混合，(可燃混合氣)一起進(jìn)入氣缸參與燃燒。

3)發(fā)動機(jī)尾氣通過裂解器的路徑分析

①甲醇裂解裝置7內(nèi)部結(jié)構(gòu)組成示意圖

圖8 甲醇裂解裝置7內(nèi)部結(jié)構(gòu)組成

注(1.催化劑 2.氫氣(一氧化碳)出口 3.外殼與保溫層; 4.低溫廢氣出口 5.高溫廢氣入口 6.甲醇噴口 7.甲醇預(yù)熱管 8.甲醇入口 9.電加熱器 10.溫度傳感器)

②催化劑布置結(jié)構(gòu)

催化劑布置結(jié)構(gòu)原則，要能充分利用發(fā)動機(jī)尾氣的熱能，從發(fā)動機(jī)尾氣中吸收熱量，催化劑分成三部分、發(fā)動機(jī)尾氣分成4部分，進(jìn)行熱交換，以加大接觸傳熱面積，見圖10。

圖9 發(fā)動機(jī)尾氣通過裂解器的路線示意圖

注：(1.發(fā)動機(jī)尾氣進(jìn)口 2.尾氣4個通道 3.裂解器外殼與保溫層  4.催化劑 5.發(fā)動機(jī)尾氣出口)

十二、富氫増程器推廣的意義

富氫増程器推廣的意義，實(shí)現(xiàn)了發(fā)展新能源汽車的初衷：

1.實(shí)現(xiàn)能完成節(jié)能減排的目標(biāo)，用100%甲醇替代汽油，滿足節(jié)約汽油100%的要求，滿足國五排放要求；

2.鞏固了“純電動驅(qū)動”的技術(shù)路線，彎道突破了目前動力電池比能量瓶頸；

3.為用戶帶來新的價值，75%的甲醇價格是汽油價格五分之一，用戶使用費(fèi)用降低80%；

4.降低新能源汽車制造成本，電動汽車車載動力電池少裝四分之三以上。

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