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增程器的组成如图2-1所示，增程器总成装置包括增程器本体及各控制器，增程器本体分发动机曲轴与电机轴直连和非直连两种形式。直连式增程器由发动机、飞轮及发电机组成，飞轮固定于发动机曲轴的动力输出端，通过发电机花键轴与发电机相连；非直连式增程器由发动机、飞轮、减振器、齿轮组及高速发电机组成，飞轮通过齿轮组与高速发电机轴相连。增程器的三个控制器包括发动机控制器（Engine Control Unit, ECU）、发电机控制器（Generator Control Unit, GCU）和增程器控制器（Range Extender Control Unit, RECU）。发动机、ECU及其线束合称发动机系统，发电机、GCU及其线束合称发电机系统。
发动机是增程器的核心动力源，其运行方式与传统车用发动机不同，在增程式电动汽车上仅用于发电，不参与车轮的驱动，一般采用增程式专用发动机。增程式发动机无须运行于过高的负荷、转速工况，也不受限于传统燃油车用发动机的排放及油耗测试循环工况，而主要运行于燃油高效区。增程器专用发动机应具有更宽广的高热效率区等技术特征，可充分利用在传统燃油车用发动机上难以实施的一些新型燃烧技术，如稀薄燃烧、均质压燃、废气再循环（Exhaust Gas Re-circulation, EGR）、Miller/Atkinson循环等。近几年，国内外针对高效率、高功率密度以及良好NVH性能的增程器专用发动机进行了大量的研究并推出了一系列的产品，有四冲程、二冲程、转子式、自由活塞式、微型燃气轮机及苏格兰轭等发动机。
图2-1 增程器的组成
飞轮是增程器中发动机和发电机之间动力的连接装置，主要有单质量飞轮和双质量飞轮两种。为达到动力平稳传递的目的，在采用单质量飞轮时需另外搭配一个限矩减振器，其详细工作原理见2.2.1节。图2-1中，直连式和非直连式增程器采用双质量飞轮或单质量飞轮结合限矩减振器在技术上均可行。双质量飞轮减振效果好，但无过载保护功能，不利于增程器轴系的安全可靠性。单质量飞轮结合限矩减振器可进行过载保护，且价格便宜，但减振效果较双质量飞轮差。双质量飞轮的初级飞轮与发动机曲轴通过螺栓连接，次级飞轮与发电机采用花键连接，可减小过度连接带来的能量损失，有助于提高增程器的油电转换效率。双质量飞轮中间的扭转减振器弹性元件和阻尼元件可以布置在较大的空间内，扭转减振器相对转角较大，可以将刚度设计得很小，能有效隔离发动机传递到发电机上的振动。在设计增程器时，可通过优化双质量飞轮的主次级惯量分配、扭转刚度及摩擦阻尼等最大限度地减小增程器轴系的扭转振动，确保增程器平稳运转。
齿轮组是非直连增程器中连接飞轮与发电机的中间增速机构，对发动机输出转速进行增速，用于匹配发电机的高转速高效区。齿轮的数量和速比可根据发动机与发电机的高效区及空间布置要求确定。这种齿轮增速的增程器方案有利于发电机的小型化、轻量化及低成本化。
发电机在增程器起动时作为起动机（增程式发动机取消了起动机）拖动发动机至成功点火运行，在增程器正常工作时作为发电机进行发电，即增程器中的电机具备起动发动机和发电的双重功能，主要是发电功能，故常称之为发电机。增程器发电机一般选用主流的三相（或多相）永磁同步电机，具有体积小、重量轻、免维护、成本低、输出转矩大、运转平稳、控制装置相对简单、效率及功率密度高等优点；分内转子式和外转子式等多种形式，外转子形式有利于加大转动惯量，提高增程器的运转及发电稳定性；目前主要采用液冷方式对电枢绕组进行降温，其壳体通常采用铝合金高压压铸，可以减小体积、减轻重量。直连式增程器中的发电机属于低速电机，被称为曲轴集成式起动发电机（Crankshaft Integrated Starter Generator, CISG）。非直连形式的增程器配备的是高速电机。相比于直连式低速电机，同等功率下的高速电机的转矩小、体积小、重量轻、成本低（磁钢等核心材料用量少）、市场应用广，符合目前永磁同步电机的技术发展趋势。
ECU主要由硬件和软件两部分组成：硬件主要是一个以单片机为核心的微处理器；软件主要是指发动机的控制策略。ECU通过硬件处理来自各个传感器及RECU的输入信号，判断发动机的运行工况，结合控制策略实时向执行机构发出点火、喷油、保护等控制指令，从而保证发动机一直处于最佳和最安全的工作状态。
GCU由控制信号接口电路、发电机控制电路和驱动电路组成，它接收RECU的信号，通过对发电机的控制实现对发动机的起动拖动功能，在发动机拖动发电机发电状态下实现恒压输出模式、恒流输出模式或功率跟随模式。
RECU是增程器控制系统的核心，起到承上启下的控制作用，它对接收的整车控制器（Vehicle Control Unit, VCU）指令进行处理后下达给ECU和GCU，发动机和发电机根据ECU和GCU下达的控制指令做出响应。RECU的另一个主要功能是优化发动机和发电机的工况，保证增程器的高效运行。
随着集成化的需求趋势越来越高及控制技术的提升，增程器各组成部件正在向高度集成的方向发展，如飞轮与发电机转子集成一体式的飞轮式发电机、发动机与发电机集成一体的增程器、增程器各控制器的集成等。增程器中ECU、GCU及RECU甚至与整车其他控制器的集成也是系统架构优化的重要发展方向，此举可通过优化控制算法提高系统响应速度，并可通过减少线束和控制器功能整合以降低成本。根据行业内AUTOSAR（Automotive Open System Architecture，汽车开放系统架构）电子电气架构的技术发展预测及规划，增程器控制器的集成之路大致可分为以下三个阶段：
第一阶段： 分布式（模块化→集成化）。汽车行业传统的电子电气架构采用的是总线结合分散控制器的形式。由于控制功能及控制器数量不多，这种方案是可行的。随着汽车电气化程度的提高，整车需求功能及控制器数量爆发式增长（豪华车辆的控制器甚至超过100个），不同的功能由诸多不同的控制器控制，导致算例不能协同、互相冗余及成本的增加，控制器的整合及功能模块软硬件的集成化势在必行。如前述增程器中ECU、GCU和RECU的某些控制功能有进一步集成的可能性及必要性。
第二阶段： 域集中式（域化→跨域融合）。增程器中ECU、GCU和RECU三个控制器整合为一个域控制器（集成式RECU）。为进一步提升系统性能、满足协同执行、降低成本、减小重量及体积，整车层面的跨域融合集中化方案应运而生，即两个或多个域控制器合并为一个域的方案。增程器集成式域控制器RECU可与整车动力系统集成为动力域控制器。整车其他功能安全、信息安全级别类似的域控制器可合并为新的域控制器，实现协同操作。最终整车中各控制域可以融合成约3个域，如动力域、底盘域和新能源域，域控制器仍为最高决策层。控制域的融合虽有降低成本等优点，但各域之间的功能安全、信息安全差异较大时，很难有避免互相干扰的高效方案。
第三阶段： 中央集中式（车载中央计算机→车载云计算）。整车中仅有的一个中央计算平台为最高决策层，各域控制器受中央计算平台统一管理，有利于协同各域统一执行。通过车载中央计算机、云计算实现机械部件和功率部件深度融合的同时还将智能化带到电控系统中，实现端云协同与控制归一。
直连式增程器中的发动机会将振动传递给发电机，所以发电机的结构强度应该足够高；由于发电机和发动机完全机械耦合，发动机产生的热也会传递给发电机，尤其是在发动机舱，工作环境比较恶劣，对发电机的可靠性要求也非常高；且由于受发动机舱体积限制，发电机的功率密度也要尽可能得高。直连式结构简单，更适合低功率型增程器。宝马i3（增程版）、吉利TX5、吉利RE500、广汽传祺GA5REV、江淮和悦IREV等增程式车型均采用了直连式增程器。
对于非直连式增程器，发动机转速通过齿轮组增速后可以与高速发电机的高效区相匹配，弥补了因齿轮传动导致的效率降低，其总体效率与直连式相当。近年来，随着高速电机的快速发展，非直连式的齿轮增速型增程器更具成本低及设计自由度高的优势，正逐步得以广泛的应用，尤其是高功率增程器，如日产NOTE（e-Power）、理想ONE等。
与纯电动汽车不同，增程式电动汽车无须加装更多动力电池，可以归属于串联式混合动力车型，增程式电动汽车动力系统构型如图2-2所示。增程器实现了燃油化学能到机械能再到电能的转换，输出的两相直流电和高压电源分配单元或整车直流母线直接相连，用于向电机驱动系统供电和动力电池充电。增程器与整车驱动系统之间只需要电力耦合和控制指令的交换，无机械连接。
图2-2 增程式电动汽车动力系统构型
在VCU的协调下，增程式电动汽车实现了双电源的电力供给，即动力电池和增程器分别或同时向电机驱动系统供电，相对应的几种增程式电动汽车的工作模式如图2-3所示。
图2-3 增程式电动汽车的工作模式
（1）纯电模式
当动力电池组电量（State of Charge, SOC）大于增程器起动阈值时，仅由动力电池向驱动电机供电，驱动车辆行驶。即当动力电池的SOC较高，汽车的需求功率不能使发动机运行在高效率区或汽车起动时，发动机处于关闭状态，仅由动力电池供电。如车辆起步、低车速工况等。
（2）混动模式
在车辆爬坡、急加速或巡航行驶等整车大功率输出情况下，仅靠动力电池或增程器为驱动电机供电就会出现供电不足的情况，此时动力电池与增程器联合为驱动电机供电。
（3）增程充电模式
当动力电池的SOC下降至临界值时，增程器起动，消耗燃油发电，为驱动电机提供电能的同时也可为动力电池充电。
（4）制动能量回收模式
当车辆处于制动、滑行状态且动力电池的SOC不高时，增程器可以停止工作，驱动电机作为发电机回收制动能量并向动力电池充电；如果动力电池的SOC很高，则此时利用电制动和机械制动相结合的方法进行制动。
除了上述四种主要工作模式，增程式电动汽车还有增程器单独给驱动电机供电和单独给动力电池充电的模式。理论上，增程式电动汽车若处于相对匀速行驶时，增程器处于功率跟随工作状态，提供驱动电机输出的全部电能。增程式电动汽车也可原地停车由增程器发电仅为动力电池充电。对于混动模式和增程充电模式，增程器和动力电池均参与工作，为尽量避免增程器发出的电力进入动力电池再输出给驱动电机而造成的能量损失，增程器优先为驱动电机供电，实现功率跟随。增程器运行工作点的发电功率若高于整车需求功率，多余电力为动力电池充电，若低于整车需求功率，所缺电力由动力电池补充。即增程器发电功率与整车功率需求的差值可通过整车控制策略协调动力电池加以弥补或接收，动力电池起到对整车电力需求“削峰填谷”的作用。增程器、动力电池和电机驱动系统之间能量流的实际关系当然要复杂得多，将在后续专门的章节中进行论述。
增程器是增程式电动汽车动力系统的主要动力源，而增程器的控制系统更是增程式电动汽车的控制核心。增程器的控制架构如图2-4所示。
图2-4 增程器的控制架构
RECU通过外部公共CAN（即动力CAN）与VCU通信，对接收到的CAN总线信号及硬线信号进行处理，再把处理后的信号通过内部CAN（即增程器内部私网CAN）传递给ECU和GCU，从而控制发动机和发电机。RECU的主要控制功能有：
1）解析上一级整车控制器（VCU）对增程器的起动请求，控制电机拖动发动机起动。
2）接收VCU的功率请求、时间响应命令及状态控制指令等，根据发动机与发电机系统效率、NVH等特性，动态计算增程器的最优工作点，并将工作点的功率值解析成发动机的转速（或转矩）命令与发电机的转矩（或转速）命令，发给ECU和GCU，使增程器的输出电功率满足整车需求。除了外部公共CAN和内部CAN用于RECU与上下游控制器的通信外，增程器控制系统中的调试CAN用于上位机对增程器进行性能调试与标定等。
增程式发动机ECU主要是保证发动机一直处于最佳和最安全的工作状态，应具备的主要控制功能有：
1）常规ECU的控制功能。
2）基于CAN指令的起动、停机控制。RECU通过CAN发送指令给ECU进行发动机的起动、停机，不同于传统车辆需通过起动开关的开闭实现发动机的起停。基于CAN指令的起停控制的优势在于，当ECU检测到有损坏发动机的故障时，会将故障等级发送给RECU，RECU判断后可直接停止发动机运行，减少人为因素不停机而损坏发动机；当RECU检测到其他故障时，也可停止发动机运行，以避免整个系统的损坏。
3）基于CAN指令的转矩控制。与常规发动机将加速踏板作为目标转矩的负荷控制方式不同，增程式发动机的ECU取消了加速踏板信号（加速踏板信号输入VCU），增程式发动机的转矩大小不再通过加速踏板直接控制，其转矩输入改为直接接收CAN上的目标转矩值，即通过将VCU对RECU的功率请求经过解析后通过内部CAN分配给ECU的转矩指令。此控制方式提高了信号稳定性，不易受电磁干扰的影响，使ECU的转矩需求及增程器发电功率输出更精确，发动机可快速、精准地响应增程器需求的目标转矩。
4）满足法规要求的排放控制。
5）满足法规要求的故障诊断（On-Board Diagnostic, OBD）。
6）与RECU的OBD模块通信。将发动机的故障按严重程度进行等级分类，以便于RECU故障管理。
增程器总成装置中的发电机系统具有驱动发动机起动和发电的双重功能，包括发电机、高压三相（或多相）线束、GCU及低压线束等。当增程器需要起动时，GCU将来自动力电池的直流高压电转换为交流高压电输送给电机绕组，电流的大小决定了起动发动机的转矩值，且设计的CAN指令使发动机的起动能完全受控于RECU。相比于常规发动机由自带的起动机进行起动，由CISG起动的转速更高，有良好的节能减排效果；当增程器正常工作时，可将发动机输出的机械能转换成电能，发电机绕组输出三相（或多相）交流高压电通过三相（或多相）高压线束输入给GCU，为了与直流动力电池相匹配，GCU需将交流电整流为直流电输送给动力电池管理系统和驱动电机控制器。
增程器的控制原理如图2-5所示，图中列出了各控制器的主要控制变量。增程器运行过程中的具体控制逻辑是：当RECU接收到VCU对增程器的起动命令后，使能GCU，电机在转矩控制模式下进入驱动状态，拖动发动机开始旋转起动，电机在发动机转速升高到一定值并喷油点火成功后卸矩，发动机起动完成后进入怠速状态；RECU在接收到VCU对增程器的功率请求命令后对请求功率值进行计算并分解成目标转速和转矩，分配给ECU（或GCU）和GCU（或ECU），使增程器进入发电状态；RECU在接收到VCU对增程器的停机命令后向GCU发送卸矩命令，同时向ECU发送控制命令使发动机回到怠速状态，再断油停机。
图2-5 增程器的控制原理
为提高增程器的运转稳定性，在增程器的控制逻辑中设计了转速闭环控制。增程器的转速闭环控制可以通过控制发动机实现（图2-5），也可以通过控制发电机实现。上述的RECU将功率值分解成目标转速和转矩后分配给ECU（或GCU）和GCU（或ECU），其中的转速值均经过转速闭环控制模块之后换算成了转矩值。若将转速闭环控制模块设计在发动机控制端，发电机就以转矩模式控制，增程器的功率控制精度较高，工况间的过渡更平稳；若将转速闭环控制模块设计在发电机控制端，发动机就以转矩模式控制，则增程器的转速控制精度较高，系统响应性更好。在增程器产品的工程化开发时，转速闭环控制模块的软件一般集成在RECU内，至于是选用发动机端还是发电机端的转速闭环控制，由整车能量管理策略及对增程器的性能指标要求而定。
增程器的电气架构如图2-6所示。RECU由低压蓄电池提供常电（ V bat ），再与整车接地（GND）连接到蓄电池负极构成供电回路。RECU通过四路硬线与车上起动开关的ON位（IGN点火信号）、起动开关的ACC位（附件供电信号）、来自动力电池管理系统（Battery Management System, BMS）的高压电唤醒信号、来自VCU的增程器工作使能信号连通。RECU通过一路高速公共CAN通道与其他信号来源（如BMS、驱动电机控制器（Motor Control Unit, MCU）及VCU等）进行信息交互。RECU与ECU和GCU之间通过两路硬线及一路内部CAN通道相连，硬线信号用以使能ECU和GCU，其余信号则通过内部CAN进行交互。增程器热管理相关的两路冷却风扇、水泵以及冷却液温度传感器等也分别通过硬线信号与RECU相连，实现热管理系统的协调控制。
图2-6 增程器的电气架构
增程器各个控制器的开发遵循了AUTOSAR规则，其软件架构包括基础软件层（Basic Software, BSW）、运行环境（Runtime Environment, RTE）和应用层。
基础软件层位于软件架构的底层，可分为服务层（Service）、控制器的抽象层（ECU Abstraction）、微控制器抽象层（Microcontroller Abstraction）以及复杂驱动（Complex Drivers）。
运行环境位于软件架构的中间层，可提供基础的通信服务，支持软件组件（Software Component）之间、软件组件与基础软件之间的具体通信（包括控制器内部的程序调用、外部的总线通信等情况）。RTE使应用层的软件架构可完全脱离具体的单个控制器硬件和基础软件。
应用层位于软件架构的顶层，是交互的应用/功能软件组件的集合，由各种AUTOSAR Software Component（SW-C）组成，AUTOSAR SW-C又可称为原子软件组件（Atomic Software Component），包括与硬件无关的应用软件组件（Application Software Component）、传感器软件组件（Sensor Software Component）、执行器软件组件（Actuator Software Component）等。每个SW-C都封装了各种应用功能集，可大可小。
RECU的软件应用层包含输入、输出与计算处理模块。计算处理模块细化为安全管理（Safety Management, SM）、冷却管理（Cooling Management, CM）、起停控制（Start Up and Down, STD）、转速转矩分配（Torque and Speed Distribution, TSD）、故障诊断管理（Diagnostics Management, DM）、数据存储（Data Store, DS）六个子模块，如图2-7所示。
图2-7 RECU应用层模型的逻辑框图
安全管理模块的主要功能是保护增程器的安全运行，通过采集硬件单元的转速、转矩、温度、电压等变量的实时反馈值，对其进行计算处理，得出相应的警告故障或停机故障等级。安全管理模块包含发动机的超速保护、转速突变保护、冷却液过温保护，发电机的过载保护、转矩突变保护、欠电压保护、过电压保护、过温保护及GCU的过温保护、增程器的轴系断裂保护等。
冷却管理模块能够根据监测到的发动机、发电机及GCU实时温度值对冷却风扇与冷却水泵的开闭和开度百分比进行配置，以控制它们的工作温度在正常范围内。
起停控制模块的主要功能是根据实时采集的RECU报文信息，通过RECU内部逻辑判断结果控制增程器的上下电、起动、停机以及实现增程器各工作状态间的转换（发电、怠速和预热等）。
转速转矩分配模块可根据输入的功率请求、系统故障信息及诊断信息进行综合判断并计算输出当前状态下的转速和转矩值。
故障诊断管理模块可根据各控制器反馈的诊断相关输入量进行逻辑处理，对增程器的发动机、ECU、发电机、GCU、RECU硬件以及通信进行故障诊断，输出增程器的故障等级、故障码以及限制转矩等。
数据存储模块能够存储增程器起动和运行过程中的数据，如对增程器当前的累计运行时间、累计发电量、运行次数以及发动机、发电机及增程器的故障等级等进行实时记录并存储。
目前，主流的传统ECU采用的是基于转矩的控制策略，其主要目的是把大量各不相同的控制目标联系在一起。相比传统ECU，增程器发动机的ECU主要在软件控制上有所改变，如移除了加速踏板控制，增加了混动控制功能等。混动功能包括BGCANECM（Calculated Values of Engine Torque Transmitted Via CAN）、BGCANHCU（This Function is Calculation for the Message HCU that Come From CAN）、BGCANINFO（CAN Rx Message, Special Signal Calculation, eg. Checksum, Rolling Counter, etc.）这三个模块。有了这些混动模块，可以实现增程器的起动、怠速、停机、发电、功率响应及故障诊断等功能。
GCU同样包括硬件和软件两部分，其软件从下至上可以划分为三部分，共五层：基础软件部分（硬件驱动层、硬件抽象层）、系统调度软件部分（任务调度层）、应用软件部分（基础应用软件层、客户应用软件层）。GCU的软件设计包括数据与架构、控制算法及控制逻辑等，在此不再赘述。
前文所述的常规增程器总成装置包括发动机、飞轮、发电机及ECU、GCU和RECU三个控制器。增程器和动力电池可为驱动电机供电，驱动电机为整车提供驱动力。为实现增程式整车的控制策略，RECU分别接入公共CAN和内部CAN，通过公共CAN与VCU、MCU和BMS等进行通信，通过内部CAN与ECU和GCU进行通信。增程式整车及增程器CAN通信拓扑如图2-8所示。
图2-8 增程式整车及增程器CAN通信拓扑
增程器与公共CAN网络通信基于SAE J1939标准或ISO 11898（可根据公共CAN标准适配），增程器内部CAN网络通信基于ISO 11898，相应的CAN通信拓扑如图2-8点画线框所示。图2-8中仅列出了公共CAN、信息CAN、底盘CAN及增程器内部CAN上的主要节点，各路CAN总线通过网关相连，通信速率均为500kbit/s。
在增程式车辆工程化开发中，为提高增程器总成装置的集成度，便于整车匹配，并使其他方案设计更具通用性，BMS可归属为RECU的下级控制器，二者通过内部CAN进行通信。图2-8所示的BMS与RECU通信如果由公共CAN转换为内部CAN，即包含了动力电池系统、发动机系统及发电机系统的增程器总成装置为整车提供全部电力，RECU可主动响应整车对动力的实时需求，实现了增程器发电功率大小由被动向主动的角色转变。这样的增程器总成装置及通信方式可以更小的改动量、更少的验证等开发工作实现在纯电动汽车平台上的增程式电动汽车开发。