董學鋒

（中國第一汽車集團有限公司研發(fā)總院，長春 130011）

1 前言

出于能源安全與環(huán)保的考量，中國積極鼓勵新能源汽車的發(fā)展，在財政和政策上出臺了一系列對應(yīng)措施，2014年8月至2017年12月先后發(fā)布了15批《免征車輛購置稅的新能源汽車車型目錄》（以下簡稱《目錄》），對其中純電動汽車，列出了汽車生產(chǎn)企業(yè)名稱、車輛型號、通用名稱、純電動續(xù)駛里程、整車整備質(zhì)量、動力蓄電池組總質(zhì)量和動力蓄電池組總能量等生產(chǎn)企業(yè)信息和基本技術(shù)指標。本文針對《目錄》中提供的534款電動乘用車的4項主性能進行統(tǒng)計與分析，從而給出目前電動乘用車的主性能特征。

2 動力電池主性能

2.1 動力電池的能量密度

動力電池組的能量密度即動力電池組總能量與其總質(zhì)量之比。目前，提高電池的能量密度已成為電動汽車的重要研究課題[1-2]，本文挑選《目錄》中電動乘用車的數(shù)據(jù)并進行梳理分析，534個樣本的能量密度平均值為107.45 W·h/kg。動力電池組總質(zhì)量Ge和總能量Ee散點圖及趨勢線如圖1所示，其中電池組能量與質(zhì)量的趨勢平均線為Ee=0.110 2Ge-0.729 9，反映了電動汽車所用電池的平均性能，代表總體的平均水平，以此線為基線進行上、下平移，得到不同截距的平行線。由圖1可知，《目錄》中電動乘用車的動力電池組總能量與總質(zhì)量之間的關(guān)系，基本在Ee=0.110 2Ge±15之間，高于Ee=0.110 2Ge+15的只有2個樣本，低于Ee=0.110 2Ge-15的有4個樣本。圖1也間接反映了電池能量密度的高低。

圖1 動力電池總質(zhì)量與總能量的關(guān)系

2.2 動力電池質(zhì)量與整車整備質(zhì)量

電動汽車顛覆了傳統(tǒng)汽車的動力系統(tǒng)和供給系統(tǒng)，電機取代發(fā)動機，動力電池取代燃油箱。電動汽車改變了傳統(tǒng)汽車的布置結(jié)構(gòu)、各載荷大小與分布，總體上說，較重的動力電池額外增加了汽車的負擔，增大了能量的消耗。統(tǒng)計表明，目前新能源汽車整備質(zhì)量比傳統(tǒng)汽油車整備質(zhì)量高8%～10%，且純電續(xù)駛里程還不夠理想。利用《目錄》中的電動乘用車數(shù)據(jù)，關(guān)聯(lián)動力電池組總質(zhì)量與整車整備質(zhì)量，其統(tǒng)計關(guān)系如圖2所示。統(tǒng)計現(xiàn)有樣本，動力電池組總質(zhì)量Ge與整車整備質(zhì)量Gz之比的平均值為21.2%。從圖2可以看出，主要樣本點集中在Ge=0.256 9Gz和Ge=0.256 9Gz-100之間，平均線表達式為Ge=0.256 9Gz-56.136。隨著電池技術(shù)水平及電池能量密度的提高，未來電池的質(zhì)量占比將會下降，而隨著各種輕量化措施的使用[3-7]，整車整備質(zhì)量也將持續(xù)下降。

圖2 電動乘用車動力電池的質(zhì)量占比

3 整車主性能

3.1 續(xù)駛里程與整車能量密度

影響電動汽車續(xù)駛里程的主要因素是汽車的總質(zhì)量、動力蓄電池組總能量及系統(tǒng)的阻力（包括滾阻、風阻和系統(tǒng)效率）等因素。續(xù)駛里程在底盤轉(zhuǎn)鼓測功機（臺架）上試驗測得，試驗質(zhì)量是在整車整備質(zhì)量的基礎(chǔ)上增加100 kg的附加質(zhì)量，試驗按照標準的NEDC（4個市區(qū)+1個郊區(qū)）循環(huán)進行，其測得的續(xù)駛里程也稱為工況法續(xù)駛里程。將動力電池組總能量與整車整備質(zhì)量之比定義為整車能量密度，得到續(xù)駛里程Se與整車能量密度Eg的關(guān)系如圖3a所示。兩者之間的統(tǒng)計關(guān)系可用Se=12.5Eg-Δ的斜線族來描述，其中Se=12.5Eg-81.5為趨勢平均線，圖中給出了Δ=40、Δ=80、Δ=120和Δ=160的斜線族。

將《目錄》中的數(shù)據(jù)按年代區(qū)分，進行數(shù)據(jù)處理后得到圖3b所示的續(xù)駛里程與整車能量密度的關(guān)系隨年代的變化情況，從圖3b可知，趨勢線的斜率隨年代不斷提高。趨勢平均線由2014年的Se=9.024 9Eg-21.056變?yōu)?017年的Se=14.002Eg-110.58，技術(shù)進步較快；整車能量密度30 W·h/kg的車輛續(xù)駛里程平均值在2014年為249.69 km，而在2017年達到了309.42 km，有近60 km的差別。這體現(xiàn)了系統(tǒng)匹配能力的提升和能量利用效率的提高。

圖3 續(xù)駛里程與整車能量密度的關(guān)系

3.2 電池總能量與質(zhì)量里程積

汽車是載運人員或貨物的交通工具，在物流中常用的貨物運輸計量單位是噸公里，這里引入“質(zhì)量里程積”，即整車整備質(zhì)量與續(xù)駛里程的乘積。圖4所示為動力電池總能量與質(zhì)量里程積的統(tǒng)計關(guān)系，其趨勢平均線可表達為Ee=0.532 8[GzSe]0.7231，相關(guān)性R2=0.932 1，所有數(shù)據(jù)較為集中，離差基本在±10 kW·h內(nèi)，主流數(shù)據(jù)在±5 kW·h內(nèi)。同樣，其差異可以理解為由不同車輛滾動阻力、風阻、電轉(zhuǎn)化效率及傳動效率的不同所引起。在趨勢平均線下方的，能源利用率高，反之，能源利用率低。

圖4 動力電池總能量與質(zhì)量里程積

3.3 廣義耗電量

新能源汽車雙積分法規(guī)發(fā)布以后，要求生產(chǎn)電動汽車的企業(yè)上報耗電量，但在之前的《目錄》數(shù)據(jù)中沒有耗電量，因此本文引入廣義百公里耗電量：

以《目錄》中電動乘用車的相關(guān)數(shù)據(jù)為樣本，廣義百公里耗電量與整車整備質(zhì)量的關(guān)系如圖5所示，其趨勢平均線可表達為Yp=9.327 1ln(Gz)-51.394，作其不同倍數(shù)曲線 0.6Yp、0.8Yp、1.2Yp、1.4Yp，樣本數(shù)據(jù)聚集在 0.8Yp～1.2Yp之間的較多。即對于電動乘用車而言，其工況法續(xù)駛里程Se、動力電池總能量Ee及整車整備質(zhì)量Gz三者的關(guān)系可描述為：

4 電動乘用車評價

4.1 綜合因數(shù)評價

對于電動汽車，其技術(shù)指標向動力電池能量密度大、續(xù)駛里程長（與傳統(tǒng)動力相當）、整車整備質(zhì)量小的方向發(fā)展。因此，引入綜合因數(shù)：

從式（3）可知，Le與電池密度（Ee/Ge）成正比，與Se成正比，與Gz成反比。綜合因數(shù)與整車整備質(zhì)量的關(guān)系如圖6所示，其趨勢平均線為Le1=-2.280 7Gz+20.071。以Le1為基線，定義某車輛的綜合因數(shù)與相同整車整備質(zhì)量下的綜合因數(shù)的平均值之比為綜合指數(shù)，即Qe=Le/Le1，反映了其與平均水平的高與低。當前樣本的綜合指數(shù)Qe基本在0.2～2.2間，且Qe越大越好。

圖6 綜合因數(shù)與整車整備質(zhì)量的關(guān)系

4.2 動力功效評價

電動汽車利用電機將動力電池中儲存的電能轉(zhuǎn)化為機械能驅(qū)動車輪，定義整車功效為Lw=GzSe/Ee，即在標準的工況下，動力電池1 kW·h的能量，可驅(qū)動整備質(zhì)量為1 t的車輛行駛的里程，用以表征動力電池總能量的發(fā)揮程度。功效值大，體現(xiàn)了車輛自身的阻力較小、逆變傳動效率較高等技術(shù)優(yōu)勢。

圖7所示為利用現(xiàn)有樣本數(shù)據(jù)生成的功效散點圖，以整車整備質(zhì)量為橫軸展開，其動力功效的平均線為L1.0=2.644 4Gz+5.204。以功效趨勢平均線作為評價基準，某車型的功效指數(shù)定義為Qw=Lw/L1.0，圖7給出了Qw=1.4、Qw=1.2、Qw=0.8和Qw=0.6的斜線族，Qw越大越具有比較優(yōu)勢。目前的樣本的功效指數(shù)Qw均在0.6～1.4間，即《目錄》中車輛樣本的功效在0.6（2.644 4Gz+5.204）和1.4（2.644 4Gz+5.204）之間。

圖7 電動乘用車功效

5 電動乘用車的新能源汽車積分探討

5.1 電動乘用車的新能源汽車積分算法

根據(jù)新能源乘用車車型積分計算方法[8]，對于純電動車，標準車型的積分是0.012Se+0.8，但標準車型積分上限為5分。為此，當電動乘用車的續(xù)駛里程達到350 km時，就獲得了標準車型的積分上限，從積分的角度說，續(xù)駛里程的設(shè)計不必超過350 km。

獲得積分的必要條件是：純電動乘用車30 min最高車速不低于100 km/h；工況法續(xù)駛里程不低于100 km。純電動乘用車工況條件下百公里耗電量Y滿足條件一、但不滿足條件二的，車型積分按標準車型積分的1倍計算；滿足條件二的，按1.2倍計算。其余車型按0.5倍計算，并且積分僅限本企業(yè)使用，如圖8所示。

圖8 車型積分倍數(shù)

5.2 雙積分區(qū)域條件劃分的探討

電動乘用車雙積分計算方法利用2個折線劃分區(qū)域，折線的轉(zhuǎn)折點附近存在不合理積分問題，在不掌握耗電量測試數(shù)據(jù)樣本的情況下，使用廣義耗電量來替代分析，二者應(yīng)具有相似的數(shù)據(jù)特征。將本文提出的Yp、1.2Yp、0.85Yp及雙積分條件折線繪于圖 9，可見 1.2Yp、0.85Yp與雙積分條件折線比較按近，僅在整車整備質(zhì)量較小的區(qū)域曲線上移，這有利于電動乘用車的輕量化，如果條件一和條件二分別替換為1.2Yp和0.85Yp，整車整備質(zhì)量域限制區(qū)的表達似更為簡潔。

圖9 雙積分條件對比

6 電動乘用車的主性能變化趨勢

6.1 電池能量密度和整車能量密度的變化

提高電動汽車的電池能量密度是電池研發(fā)的重要課題之一[9]。近幾年，隨著電池研發(fā)和汽車輕量化投入力度的加大[10]，電池和整車的能量密度逐年提高，用《目錄》中車型的數(shù)據(jù)，計算出電池能量密度、整車能量密度并按年度計算平均值，將結(jié)果繪于圖10中。由圖10可知，電池能量密度和整車能量密度的總體年平均增量分別為8.39 W·h/kg和1.94 W·h/kg，假設(shè)變化速率不變，則2022年電池能量密度和整車能量密度將分別達到157 W·h/kg和34 W·h/kg，屆時電動汽車將進入成熟期。

圖10 能量密度年度變化

6.2 電動乘用車續(xù)駛里程的變化

在控制總質(zhì)量的前提下加大續(xù)駛里程是汽車設(shè)計師的追求，電池能量密度的提升是續(xù)駛里程提高的關(guān)鍵因素。同樣將續(xù)駛里程按年度計算平均值，結(jié)果見圖11。電動乘用車續(xù)駛里程的平均年增量為27.57 km，假設(shè)變化率不變，則2022年電動乘用車的續(xù)駛里程平均值可達350 km，即50%以上的電動乘用車續(xù)駛里程超過350 km。從3.1節(jié)可知，按2017年的產(chǎn)品技術(shù)水平推算，整車能量密度每增加1 W·h/kg，續(xù)駛里程將增加14 km。

圖11 平均續(xù)駛里程年度變化

7 結(jié)束語

為推進節(jié)能減排，國家出臺了新能源汽車鼓勵政策和高油耗汽車的懲罰措施，本文通過搜集當前產(chǎn)品數(shù)據(jù)，進行主參數(shù)與主性能的分析與總結(jié)，獲得了電動乘用車主性能與主參數(shù)間的部分規(guī)律，及主性能隨時間的變化趨勢，為電動汽車產(chǎn)品的開發(fā)策劃、政策制定等提供參考。

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