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增程器的概念是由工程界提出的，它是纯电机驱动车辆的一种车载供电装置，这样的车辆又被称为增程式电动汽车。在GB/T 19596—2017《电动汽车术语》中给出了这类车辆相对完整的定义：一种在纯电动模式下可以达到其所有的动力性能，而当车载可充电储能系统无法满足续驶里程要求时，打开车载辅助供电装置为动力系统提供电能，以延长续驶里程的电动汽车，且该车载辅助供电装置与驱动系统没有传动轴（带）等传动连接。
显然，上述定义中所述的车载可充电储能系统（或称之为储电装置）就是指动力电池，而车载辅助供电装置就是增程器。从定义上看：
①增程器是车载的供电装置，不是车载的储电系统。
②增程器是为了延长续驶里程，它若单独使用并不必须能够达到车辆的所有动力性能。
③没有规定此增程器电力的产生方案，可以是发动机带动发电机发电，也可以是燃料电池发电或者其他发电方案。
④除了车载辅助供电装置——增程器外，还有车载储电装置——动力电池。
⑤在车辆的行驶过程中，主要电力供给源并不是增程器。
⑥增程器与驱动系统之间只有电气连接而没有用于传动的机械连接。
最初增程式这一技术路线是为了弥补动力电池在性能和成本上的不足而提出的。上述定义中的第②和第⑤特点描述了增程器的使用方法，没有强调增程器的节能和减排，只是用来满足储电装置不能维持继续行驶时的续驶要求，这样的增程器没有产业化前途。为此，人们期待被赋予了如下技术特征的增程器：
1）高效。作为把燃料转换成电力的装置是高效的，其所形成的增程式电动汽车在降低能源消耗、减少尾气排放方面也具有明显优势。
2）可持续。不是在动力电池亏电时才解决应急续驶的需求，而是在车辆所有运行工况下都可以提供电力，是电力的主要供给源。
3）多点。不是只能在一个工况点高效运行，而是能够在多个工况点甚至在一条高效率曲线的任意一工况点上运行发电。
4）跟随。满足车辆的平均功率需求，且在一定的功率范围内具有对车辆功率需求的跟随能力。
具备上述四个特征的增程器和动力电池配合用于车辆，这样的车辆就具备了串联式混合动力的特征，所以又可称这样的增程器为“功率跟随器”。如果这样的增程器，再能具备响应较快、体积较小、成本较低等产业化特点，那么相较于其他技术路线这一技术路线在市场上或在细分市场上应该是有竞争优势的。
赋予了这些技术特征的高效增程器或功率跟随器不仅适用于乘用车，对于追求经济效益的商用车更加具有吸引力。对于采用发动机发电的增程器来讲，发动机主要工作在高效率区域，车辆当然就更加容易满足排放法规的要求了。
本书主要集中论述由发动机和发电机组成的增程器，它是通过发动机把燃料的化学能转换成机械能，又通过发电机把机械能转换成电能的电力供给装置。
常识下的疑惑是：通过两次的能量转换，为什么比纯发动机驱动的车辆更加节能减排呢？这需要与车辆实际的运行工况联系起来一起考察才能得出答案。
考察纯发动机驱动的乘用车在市区的行驶情况。这类发动机为了能够覆盖所有运行工况的要求，其最高有效热效率一般为35%～40%。但是，车辆在市区走走停停，多数时间都是低速运行，发动机相应处于低转速—低负荷的低效率且排放性能较差的工况，实际平均有效热效率一般为20%～25%。这两个热效率范围表征了不同车辆和驾驶习惯所带来的差异。
如果把这个发动机设计到增程器中作为发电机的输入动力使用，并使发动机始终工作在最高效率点，会是怎样的结果呢？需要考虑发动机的机械能通过发电机转换成电能、电能又经过驱动电机转换成机械能驱动车辆行驶这样两级能量转换的情况。
显然，即使发电机和驱动电机两级的转换效率总计只取82%的低位值，整个系统的效率也在40%×82%=32.8%左右。相对纯发动机行驶在市区平均25%的热效率，增程式这一技术路线的节能效果令人鼓舞！即使再打些折扣，其节能效果也是显而易见的。这里没有计入因为发动机只用于发电而减少的不良驾驶习惯对发动机效率的影响，没有计入采用纯电驱动可以通过制动能量回收所带来的额外节能贡献，也没有计入在这一技术路线下采取其他匹配或控制策略等技术措施而带来的节能贡献。
燃料消耗的减少必然带来尾气排放的降低，如在控制策略上可以避免发动机在怠速、低负荷以及高负荷区域的工况运行，降低排放的效果就更加毋庸置疑了。
以上测算过程虽不严密，但是在高效增程器基础上，通过优化增程器与动力电池、匹配驱动系统、优化整车与动力系统之间的控制策略等技术手段，增程式技术路线对节能减排将会有明显的贡献，这一倾向性结论是明确的。
显然，如上叙述也说明了提高增程器中发电机效率和整车中驱动电机效率的重要性。极端情况下，如果这两个电机的综合效率只有60%，那么增程式这一技术路线也就失去了产业化意义。提高汽车动力系统中电机的效率既是一个系统匹配的问题，更取决于电机行业的技术发展水平。在过去的10年间，电机及其控制器的效率随着相关技术的进步不断得以提升，这为增程式电动汽车这一路线的发展奠定了技术和产品基础。
增程器作为一个动力总成，与其相匹配的发电机也应该工作在自己的高效率区内，以使整个增程器成为从燃料到电力的高效转换器。发电机的选型设计应基于发动机的技术条件进行。以吉利伦敦TX5车型为例，具有功率跟随特征的增程器特征曲线如图1-1所示，其中图1-1a所示为线功率跟随模式，图1-1b所示为点功率跟随模式。显然，无论是线跟随模式点跟随模式或是定点运行模式，增程器的工作曲线或工作点均主要在发动机的高效率区内。
增程器作为动力系统的核心部件，在实际使用上需要和动力电池高度协调，例如在车辆加速时，增程器的功率因输出响应较慢而不能及时满足整车的动力需求，就由动力电池来补充，这样既可避免增程器中发动机因为加速工况而增加能耗，又可发挥动力电池快速响应的优势，达到节能减排的目的。
增程式电动汽车良好节油能力的核心是：动力系统中装配有动力电池并实现了增程器和驱动系统之间的机械解耦，使增程器中的发动机可以相对自主地运行于高效区域，实现较高的发电效率。而以发动机为动力的传统燃油汽车虽可通过变速器不同档位上齿轮传动比的调节使发动机尽可能工作在高效的转速区间，但变速器的物理属性决定了无论是多少档位的变速器也无法具备由机械解耦而带来的增程器中发动机的自主调节能力。所以在车速变化大、走走停停的行驶场景，增程式电动汽车具有明显的节能减排优势。
图1-1 具有功率跟随特征的增程器特征曲线
一般情况下，增程式电动汽车的动力电池容量远低于普通纯电动汽车，这不仅可以节约电池成本，还可减轻整车重量，有利于整车的节能减排。
当车辆匹配的动力电池容量较大时，增程式电动汽车可以选择由地面电网充电，也可以由增程器发电。这一特点给用户提供了自由度，特别是对于以经营为目的的商用车用户，其可以通过选择电力来源平衡运营成本。在有外接充电条件的情况下，尤其在频繁起停的城市工况可主要采用纯电模式行驶较长的里程，甚至覆盖大多数的出行场景，降低增程器的起动频率，实现更高的节油率；在某些短途出行中或在城市的核心区域，增程式电动汽车可完全运行在纯电模式，实现区域零排放。
另一方面，在控制策略上可以使增程器发出的电力不经过动力电池而是直接供给驱动电机，如此则能减少因电池充放电导致的约10%的能量损失，进一步提高节油率。更重要的是，这样的控制策略可以避免如纯电动汽车中动力电池大电流充放电的状态，有效避免动力电池的过充电和过放电，有利于保障甚至延长动力电池的使用寿命。
增程式电动汽车的动力匹配主要包括电力供给系统（增程器、动力电池系统）和电力驱动系统（驱动电机系统、传动系统、差速器、半轴等）的匹配，详细的匹配技术请见本书第9章。本小节着重介绍增程式电动汽车若干典型的动力系统匹配特征。
与传统的燃油车辆及混合动力车辆中发动机与驱动系统之间的强耦合不同，增程式电动汽车中的增程器与驱动系统之间实现了机械解耦，增程器输出功率与整车需求功率之间实现了功率解耦，增程器转速与整车车速之间实现了速度解耦，增程器实际排放与整车排放测试循环实现了排放解耦。增程器中的发动机和发电机是机械连接的，所以如果将以上解耦叙述中的“增程器”变成“发动机”，则对于这一技术路线在节能减排上的意义将更加容易理解了。需要指出，这里讲的解耦并不是严格数学意义上的不相关，而是相对发动机直驱车辆而言，从强关联变成了弱关联，从瞬时工况的强耦合变成了瞬时工况的弱耦合。增程器的这些解耦特征可进一步解释如下：
（1）增程器与驱动系统之间的机械解耦
《电动汽车术语》（GB/T 19596—2017）中已说明了增程式电动汽车的车载辅助供电装置与驱动系统没有传动轴（带）等传动连接，即增程器与驱动系统之间没有任何机械耦合的传动机构。增程器中的发动机作为动力源带动发电机发出的电力供给驱动电机以驱动车辆行驶，或者给动力电池充电。
与并联混合动力、混联混合动力及传统燃油汽车不同，增程式电动汽车中的增程器与驱动系统之间实现了机械解耦，只需要电力耦合和控制指令交换，其明显优势是：可以充分发挥发动机和驱动电机各自的性能优势，使发动机始终工作于相对高效的转速和负荷区间，并经常保持低排放的状态，不受或少受整车运行工况的影响；这一机械解耦特征使得增程器和驱动系统（或者说发动机和驱动电机）可以为了各自的技术目标相对独立地分别进行设计开发。
（2）增程器输出功率与车辆需求功率之间的功率解耦
为降低增程式电动汽车中动力电池充放电导致的能量转换损失，减小对动力电池的能量需求，可采用功率跟随策略，即增程器发出的电力尽可能直接供给驱动电机并满足它的瞬间功率要求，多余的电力可为动力电池充电；当车辆因为突然加速而导致瞬间功率需求大幅增加时，增程器因为响应慢而未来得及跟随的部分电功率可以由动力电池来立即补充，即增程式车辆中的动力电池对增程器输出功率起到“削峰填谷”的作用。也存在另外一种情况：当动力系统匹配的动力电池足够大，以至于几乎可以覆盖车辆运行的所有工况时，这时所匹配的增程器就可以不是功率跟随性的，而只是在动力电池的容量低于某一限值时才起动发电。显然，由于动力电池的存在增程式动力系统中实现了增程器输出功率与车辆需求功率之间的解耦或弱耦合。
（3）增程器转速与整车车速之间的速度解耦
与传统燃油汽车不同，增程器由于其发电功率与整车需求功率之间的瞬时解耦特征而使得发动机能够尽量地运行于高效区域，增程器转速与整车车速之间就体现出相关或实现了二者之间的速度解耦或弱耦合。
当然，针对整车低速、加速行驶时噪声大的问题，在实际控制中一般要增加增程器工作点的转速与车速的关联性。增程器在同一功率点下根据车速选择对应的转速，即建立路面噪声、空气噪声与车速的准确对应关系，精确控制增程器的转速，最大限度地利用这两种噪声来掩蔽增程器的工作噪声，提升主观驾驶感受。因为增程器转速与其振动噪声存在一定的非线性正相关，转速越高，发动机的振动噪声越剧烈，而转速过低时发动机效率也低。因此确定增程器发动机各工作点转速的思想是：高功率需求的工作点在保证功率输出的前提下，结合发动机油耗线等值，在转矩输出正常值范围内尽可能降低发动机转速；低功率需求的工作点，在满足功率输出的情况下为了保证效率，发动机转速又要适当提高一些。
（4）增程器排放与整车排放测试循环之间的排放解耦
增程器由于其发电功率、转速分别与整车的需求功率和车速解耦，主要运行工况处于其高效低排放区域，因而与整车的WLTC、C-WTVC等油耗及排放测试循环过程中的瞬时排放没有严格的关联，从而实现了增程器排放与整车排放测试循环之间瞬时工况的排放解耦或弱耦合。
由于增程器中发动机和发电机之间采用直接机械连接，所以上述增程器的四种解耦特征就可表征为发动机与整车（或驱动系统）之间的解耦关系，这样就增强了发动机在整车中的相对独立性，提高了发动机的使用和设计自由度。因此，增程器中的发动机在设计时就可以追求其极致的热效率，传统发动机车辆上难以工程化的一些先进高效技术或创新成果就可能在增程器发动机中得到应用，从而促进内燃机技术的进一步发展。体现增程器中发动机设计自由度的相关内容将在第3章中进行详细介绍，而体现发动机使用自由度的相关内容将在第5章、第8章和第11章中进行论述。
需要特别指出，上述所谓的解耦或弱耦合主要描述的是增程器瞬时工况和整车瞬时工况之间的关系；当用一个标准测试循环的一段时间进行综合评价时，增程器的功率、排放性与整车之间一定是强耦合的；文中反复提到的增程器功率跟随，不是指与整车瞬时需求功率总是完全一致的跟随，而是指近乎平均意义上的跟随。
不容忽视的是，增程器在增程式电动汽车中所表现出来的这些解耦特征根本上是因为由增程器、动力电池和驱动电机组成的动力系统中有动力电池的存在。所以增程式电动汽车的匹配和控制最主要的就是增程器和动力电池所组成的电力供给系统的匹配和控制，相关详细内容将在第8章、第9章和第11章中具体阐述。
增程式车辆在运行过程中，增程器根据整车的功率需求合理分配发动机、发电机的转矩和转速，以实现最低的燃油消耗。增程器工作点的选取所受的约束条件有：
（1）发动机最大转矩 T e
式中， T g_max 和 T e_max 分别为发电机和发动机的外特性转矩（N·m），是关于转速的函数。
（2）发动机最大转速 n e
式中， n g_max 和 n e_max 分别为发电机和发动机的最大转速（r/min）； n idle 为发动机怠速转速（r/min）。
（3）工作点之间的发动机转速差值
增程器在两个功率点之间切换时，如由低功率点向更高功率点切换时，通过提高转速（恒转矩）而带来的噪声和振动会明显大于通过提高转矩（恒转速）的方式。本书中增程器的转速和转矩均指发动机的转速和转矩。一般地，功率需求变化而引起的增程器转速、转矩变化会影响驾乘舒适性，为兼顾效率，通常同时增加转速及转矩以提高增程器功率。由于发动机与发电机的响应需要时间，发动机的响应相对滞后，增程器相邻工作点之间的转速差值就不能太大，否则在转速控制中会出现剧烈的抖动，功率输出也不容易稳定。
图1-1体现了功率跟随模式下对应的发动机运行工作点，而增程器工作点的选取应首先确定出增程器的最佳燃油经济曲线，即基于发动机、发电机系统（发电机、发电机控制器）匹配的合成效率图，增程器的最佳燃油经济曲线如图1-2所示。其中图1-2a所示为发动机万有特性，图1-2b所示为发电机系统效率，发动机与发电机系统的高效区会稍有偏差，两者的合成效率[即增程器万有特性（以油耗数据代替）]如图1-2c所示。增程器在设计集成匹配时，应使发动机与发电机系统两者的高效区尽量重合。对于直连形式的增程器，配备低速电机；对于配有增速装置的增程器，配备高速电机，发动机需结合增速齿轮等变速机构使其高效区与发电机的高效区相匹配。图1-2c中，在每一条增程器等功率曲线上都可找出最高效率点，各最高效率点连接成最佳燃油经济性曲线（即图中穿越油耗等高线的实线）。
根据该最佳燃油经济性曲线，可确定出增程器在每一个输出功率下的工作点（转速、转矩、功率），且可得出增程器的最大功率值。当然，除了考虑效率、最大输出功率，增程器工作点的选取还要考虑汽车噪声与振动性能（NVH）、排放性能、车速以及动力电池容量等因素。
图1-2 增程器的最佳燃油经济曲线
以上概述未能体现增程器机械以及电气电控方面的细节。增程器自身的匹配和控制策略将分别在第2章和第5章中详细论述。
增程器的使用控制策略取决于动力系统中增程器、动力电池和驱动电机的匹配情况，而动力系统的匹配是由整车的设计目标决定的。增程式电动汽车的电池容量一般不同，对应的增程器使用的控制策略也就不同。它有两种基本的控制策略，也存在将这两种策略混合使用的情况。
（1）增程器起停使用控制策略
这一控制策略适合动力系统配备大容量动力电池的情况。在该控制策略下，增程器的起动和停机主要依据动力电池的荷电状态（SOC）。当动力电池的荷电状态达到设定的高位值时，增程器停止发电，车辆以纯电模式行驶；当动力电池的荷电状态下降至设定的低位值时，增程器起动发电，为动力电池充电的同时也给驱动电机供电。这样，发动机就可以始终在其高效率区内的工作点运行，控制策略相对简单，对增程器的响应性要求不高。当采用增程器起停使用控制策略时，车辆的功率需求变动完全依靠动力电池实现快速响应，增程器的输出电功率则相对稳定，可避免由于增程器功率跟随而导致的高油耗，增程器起停使用控制策略如图1-3a所示。使用这一控制策略的车辆所配备的动力电池容量较大，能够覆盖车辆所有的运行工况，动力电池的类型倾向于能量型。
（2）增程器跟随使用控制策略
这一控制策略适合动力系统配备小容量动力电池的情况。该控制策略的目标是在保持动力电池高荷电状态的同时使增程器的发电功率能够跟随整车的功率需求，增程器作为主动力源，动力电池则为辅助动力源。在这样的动力系统中，动力电池主要用于有瞬间大功率需求时弥补增程器功率响应慢的不足。因此，保持动力电池处于高电荷状态就变得很有必要，以确保车辆的高动力响应性。采用这种控制策略的增程式车辆，对增程器的响应性有较高要求，对动力电池的峰值持续时间也有明确指标。
发动机转速变化越快，油耗就会越高，而增程器电力输出的响应与此线性相关，但与动力电池输出的响应相比，增程器却要缓慢得多。因此，对于采用增程器跟随使用控制策略的车辆（见图1-3b），当车辆出现瞬间的大功率需求时，动力电池可实现快速响应，而增程器的输出电功率则较为缓慢地增加；当车辆瞬时由大功率需求变为小功率时，动力电池的输出功率会迅速降低，增程器的输出电功率则不会迅速响应需求功率的变化，而是将多余的电能储存在动力电池之中。这充分发挥了动力电池能够快速响应的电气特性，从而避免了因为过度的功率跟随而增加油耗。
使用这一控制策略的车辆所配备的动力电池容量较小，主要用于弥补增程器功率输出响应慢的缺陷，动力电池的类型则偏向于功率型。
电动汽车的优势来自电机直驱。电机具有结构简单、转矩强大且稳定、机械特性更广更高效、转速与功率响应更快更线性、运转噪声小等属性，这些特点非常适合车辆驱动。增程式电动汽车的核心即是发挥了驱动电机和动力电池的优势，并由增程器弥补动力电池的劣势，因此其能够在保持电动车驾驶性能优势的同时显著地降低油耗。显然，要有效地发挥动力系统各零部件的优势，不仅与整车层面的控制策略有关，更主要取决于增程器和动力电池之间的匹配。增程式电动汽车有着优秀的起步、加速及爬坡能力，动力响应性好，对增程器的响应速度要求不高，且因为动力电池的快速响应特性可充分发挥驱动电机的低转速高转矩的优势，避免了传统燃油汽车低速时动力不足的缺点。增程器和动力电池之间的协调控制策略是在整车动力系统设计时首先要完成的工作，是制定整个动力系统控制策略的基础，将在第11章中详细论述。
图1-3 增程器与动力电池之间的响应性匹配