基于改進(jìn)汽車(chē)能耗積分模型的投資趨向分析

摘要：本文根據(jù)影響汽車(chē)油（電）的主要因素建立靜態(tài)能耗積分模型，比較三種車(chē)型的單位里程燃油（電）的消耗。事實(shí)上，不同車(chē)速及不同溫度因素影響下的等速行駛，能耗也是不同的，因此本文對(duì)此方法做了改進(jìn)。根據(jù)不同條件下能耗的相對(duì)重要程度，通過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，利用層次分析得到不同工況下的動(dòng)態(tài)循環(huán)能耗改進(jìn)模型，并用一致性檢驗(yàn)其是否合理。該模型的建立，可為汽車(chē)的投資趨向提供理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：汽車(chē)；能耗積分模型；動(dòng)態(tài)能耗改進(jìn)模型；一致性檢驗(yàn)；投資趨向

一、引言

隨著世界汽車(chē)保有量的增加，人們對(duì)于空氣質(zhì)量的日益惡化、石油資源的漸趨匱乏等問(wèn)題引起了高度重視。在能源緊缺的現(xiàn)實(shí)狀況下，投資新型車(chē)型是否合理就急需有理論依據(jù)的支撐。為此，專(zhuān)家學(xué)者建立了各種數(shù)據(jù)模型，通過(guò)合理的假設(shè)想象和嚴(yán)密的邏輯推理得出了相關(guān)結(jié)論，曲國(guó)俊從我國(guó)汽車(chē)產(chǎn)業(yè)與經(jīng)濟(jì)周期的關(guān)聯(lián)性進(jìn)行研究；袁亮運(yùn)用聯(lián)合分析方法，選取了 17個(gè)水平作為聯(lián)合分析的研究對(duì)象，測(cè)量不同影響因素對(duì)消費(fèi)者購(gòu)買(mǎi)決策的相對(duì)重要性以及不同因素的水平給消費(fèi)者帶來(lái)的效用。李陽(yáng)和陳茁在《三種類(lèi)型汽車(chē)的能耗和使用成本的建模研究》中根據(jù)能量守恒將所有的電量轉(zhuǎn)化為汽油的消耗量，統(tǒng)一能耗水平的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。而曾強(qiáng)、陳天梁在《不同類(lèi)型汽車(chē)的能耗和使用成本問(wèn)題》一文中，通過(guò)因子分析法、LCC理論和層次分析法，在電動(dòng)汽車(chē)、傳統(tǒng)汽車(chē)、混合動(dòng)力汽車(chē)的能耗和使用成本方面進(jìn)行了詳細(xì)的研究和探討。孫曉莉、高謀榮建立了仿真的目標(biāo)，即以內(nèi)燃機(jī)驅(qū)動(dòng)、混合動(dòng)力驅(qū)動(dòng)和氫燃料驅(qū)動(dòng)的車(chē)輛為研究對(duì)象，仿真結(jié)果表明，汽車(chē)能耗隨著質(zhì)量減少而減少，驅(qū)動(dòng)方式、車(chē)型、傳動(dòng)等因素對(duì)油耗也有很大的影響。

以上文獻(xiàn)，盡管角度不一，但是都得到了發(fā)展混合動(dòng)力汽車(chē)的可行性。為此，本文從能耗的角度分析，建立三類(lèi)汽車(chē)的能耗積分模型，但是，不同車(chē)速及不同溫度等因素影響下的等速行駛，能耗也是不同的。基于這樣的一個(gè)事實(shí)，我們利用層次分析得到動(dòng)態(tài)的循環(huán)能耗改進(jìn)模型，進(jìn)而得到混合動(dòng)力汽車(chē)具有廣闊的投資趨向。

二、汽車(chē)能耗積分模型的理論模型

（一）主要變量說(shuō)明

（二）三類(lèi)汽車(chē)能耗模型的建立

從能耗角度上分析三類(lèi)汽車(chē)哪一類(lèi)節(jié)能效果最好，則需對(duì)三類(lèi)汽車(chē)的不同能耗及消耗情況統(tǒng)一一定的量化指標(biāo)進(jìn)行比較研究。由于傳統(tǒng)汽車(chē)是單一動(dòng)力源，其能量的消耗直接反映到燃油的消耗上；電動(dòng)汽車(chē)的能耗主要是反映在電量上，其實(shí)際能量可以用理論能量表示；而混合動(dòng)力汽車(chē)的能源消耗主要是汽油驅(qū)動(dòng)和電力驅(qū)動(dòng)兩種形式，借鑒傳統(tǒng)汽車(chē)的能耗模型，因?yàn)樵谀骋粋€(gè)工況上，其路載功率是確定的，發(fā)動(dòng)機(jī)的功率可以通過(guò)電池功率或電池電流來(lái)確定。

（1）傳統(tǒng)汽車(chē)能耗模型的建立，主要反映到汽車(chē)的燃油消耗，可以采用計(jì)算公式：

其中ηeng表發(fā)動(dòng)機(jī)工作效率；Peng表發(fā)動(dòng)機(jī)的功率，單位是kw；be（t）表發(fā)動(dòng)機(jī)的比油耗，單位是g/kWh。

發(fā)動(dòng)機(jī)的比油耗值是與發(fā)動(dòng)機(jī)工作點(diǎn)密切相關(guān)的，發(fā)動(dòng)機(jī)的比油耗和效率成倒數(shù)關(guān)系，即可表示為

電動(dòng)汽車(chē)能量源的實(shí)際能量可以用理論能量表示，根據(jù)車(chē)輛行駛理論，車(chē)輛功率平衡方程為電動(dòng)汽車(chē)的續(xù)駛里程是指電動(dòng)汽車(chē)上動(dòng)力蓄電池以全充滿狀態(tài)開(kāi)始到標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的試驗(yàn)結(jié)束時(shí)所走過(guò)的里程，它是電動(dòng)汽車(chē)重要的經(jīng)濟(jì)性指標(biāo).電動(dòng)汽車(chē)?yán)m(xù)駛里程短，是造成電動(dòng)汽車(chē)商業(yè)化發(fā)展的瓶頸。理論能量計(jì)算公式為電池?cái)y帶的額定總能量：

將公式（2-8）代入公式（2-7）即可得到純電動(dòng)汽車(chē)單位里程能耗。

（3） 由于混合動(dòng)力汽車(chē)多于一個(gè)動(dòng)力源。對(duì)于某一標(biāo)準(zhǔn)工況的任一時(shí)刻，其路載功率Ptrac是確定的發(fā)動(dòng)機(jī)的功率可以通過(guò)電池功率或電池電流來(lái)確定.發(fā)動(dòng)機(jī)此刻的最佳比油耗值be（t）可以表示為發(fā)動(dòng)機(jī)功率的函數(shù).因此混合動(dòng)力汽車(chē)的燃油消耗BH可以表示為

（三）選擇試驗(yàn)路段及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

試驗(yàn)路段應(yīng)包括影響車(chē)輛油耗的各種因素的組合，并且各個(gè)因素設(shè)計(jì)盡可能達(dá)到邊界條件。影響油耗的道路因素，即不平整度（IRI）、坡度和曲度為主，結(jié)合其他影響因素，對(duì)各試驗(yàn)路段的特征參數(shù)進(jìn)行了精確測(cè)量試驗(yàn)中對(duì)主要環(huán)境因素包括溫度、濕度、海拔高度、氣壓、風(fēng)速、風(fēng)向和路線走向進(jìn)行了測(cè)量。此外，為幫助駕駛員控制試驗(yàn)車(chē)速，試驗(yàn)中還采用了速度分析儀輔助試驗(yàn)。

能耗指標(biāo)的分析：為了比較出未來(lái)汽車(chē)行業(yè)的投資趨向，我們選取了能耗這一指標(biāo)。然而，三類(lèi)汽車(chē)所耗費(fèi)的能源類(lèi)型不盡相同，我們假定三種不同的車(chē)的質(zhì)量、迎風(fēng)面積、風(fēng)阻系數(shù)、車(chē)輪型號(hào)、機(jī)械效率等都是一樣的。也就是說(shuō)，在同一工況下，可以把車(chē)輛的物理參數(shù)設(shè)定為統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)車(chē)輛的內(nèi)在耗能方式建立模型求解。

本文主要采用的數(shù)據(jù)和指標(biāo)是根據(jù)汽車(chē)廠家提供的，即在標(biāo)準(zhǔn)的路段上進(jìn)行大量試驗(yàn)而得出（大量的數(shù)據(jù)在中國(guó)汽車(chē)網(wǎng)查詢），代入模型中得到我國(guó)的傳統(tǒng)汽車(chē)、電動(dòng)汽車(chē)、混合動(dòng)力汽車(chē)百公里油耗分別為：

經(jīng)過(guò)上述能耗積分的模型比較和數(shù)據(jù)分析可知，混合動(dòng)力汽車(chē)節(jié)能效果最好，這也是國(guó)家大力發(fā)展混合動(dòng)力汽車(chē)的原因之一。

三、基于不同工況下能耗改進(jìn)的動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)分析

基于上述的靜態(tài)能耗積分模型，我們可以在中國(guó)汽車(chē)網(wǎng)查找相關(guān)的數(shù)據(jù)，即在特定的情況下分析得到投資混合動(dòng)力汽車(chē)具有廣闊前景的結(jié)論。事實(shí)上，不同車(chē)速及不同溫度等因素影響下的等速行駛，百公里能耗是不同的。此本文選擇對(duì)此方法做了進(jìn)行改進(jìn)：選擇一段長(zhǎng)為50km的平坦水泥路面或?yàn)r青路面，汽車(chē)以最高擋分別在不同室外溫度（15℃，25℃，35℃）下以不同車(chē)速等速行駛完這段路程（30km/h，45km/h，60km/h，75km/h），往返一次（消除風(fēng)和坡度影響），記下油（電）耗量，可獲得不同車(chē)速下汽車(chē)百公里能耗，然后用層次分析法求出循環(huán)能耗（綜合影響下的能耗）。當(dāng)然如果我們?cè)谔幚聿煌俣取囟葘?duì)能耗的影響時(shí)所選取的區(qū)間過(guò)大，會(huì)造成一定的誤差。所以我們?cè)谕粎^(qū)間選取等多的數(shù)據(jù)，使溫度和速度每次變化范圍減小，然后求解，使得出結(jié)果直觀、明了、可信度高。

（一）層次分析法的基本思想：

先根據(jù)問(wèn)題的性質(zhì)要求提出總目標(biāo)，然后將問(wèn)題按層次分解，對(duì)同一層次內(nèi)的諸因素通過(guò)兩兩比較確定出對(duì)于上一層目標(biāo)的權(quán)重系數(shù)，最后給出所有因素相對(duì)于總目標(biāo)按重要性程度的排序。

能耗由在各種不同駕駛環(huán)境下能耗決定，給出該問(wèn)題的層次結(jié)構(gòu)：

（二）三類(lèi)汽車(chē)在不同工況下的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

選取的數(shù)據(jù)：由于不同品牌型號(hào)的汽車(chē)具有不同的配置參數(shù)，故選取三種市場(chǎng)份額較大的經(jīng)典主流汽車(chē)分別作為三類(lèi)汽車(chē)的代表作為比較。傳統(tǒng)汽車(chē)：君越 2009 2.4AT；電動(dòng)汽車(chē)：長(zhǎng)安奔奔love純電動(dòng)；混合動(dòng)力汽車(chē)：雷克薩斯 CT200h 精英版。以滿載、不同加速起止速度進(jìn)行仿真計(jì)算，采用傳統(tǒng)汽車(chē)、電動(dòng)汽車(chē)、混合動(dòng)力汽車(chē)進(jìn)行加速-滑行工況行駛試驗(yàn)，試驗(yàn)采取在同一條路線往返行駛?cè)∑骄姆椒ㄏS機(jī)誤差。實(shí)驗(yàn)結(jié)果在表中給出。

通過(guò)能耗積分計(jì)算模型及表格相關(guān)數(shù)據(jù)可算出三種汽車(chē)能耗分別為：

M1=9.286L M2=15.954kwh M3=5.689L

利用改進(jìn)的動(dòng)態(tài)能耗模型求解，進(jìn)一步從數(shù)學(xué)的角度，提出發(fā)展混合動(dòng)力汽車(chē)具有可行性的依據(jù)，從而使計(jì)算結(jié)果更加科學(xué)、真實(shí)。循環(huán)能耗計(jì)算模型，不僅對(duì)于解決本文所提出的問(wèn)題具有很強(qiáng)的實(shí)用性，能使評(píng)價(jià)汽車(chē)的能耗更加客觀、準(zhǔn)確、系統(tǒng)、有效，而且可以推廣型應(yīng)用多因素決策工作中，結(jié)合各評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的實(shí)際情況，盡量選取科學(xué)合理的指標(biāo)及其權(quán)數(shù)，使其符合一致性檢驗(yàn)。

長(zhǎng)期高油價(jià)必然催生新技術(shù)革命，目前混合動(dòng)力汽車(chē)以其得天獨(dú)到的綜合優(yōu)勢(shì)迅速占領(lǐng)市場(chǎng)，每一次新技術(shù)革命到來(lái)之后都會(huì)對(duì)原有市場(chǎng)重新洗牌。中國(guó)作為汽車(chē)產(chǎn)業(yè)新興力量，面對(duì)高油價(jià)帶來(lái)的技術(shù)革命同樣面臨機(jī)遇與挑戰(zhàn)，我國(guó)汽車(chē)制造之路何去何從，確實(shí)值得深入分析。

（三）一致性檢驗(yàn)：

先求矩陣A最大特征值：

因?yàn)镃.R=C.I/R.I <0.1，所以該判斷矩陣具有可以接受的一致性，即該模型建立成功。

四、結(jié)論

根據(jù)汽車(chē)油耗影響因素建立了油耗計(jì)算的理論模型，并且經(jīng)過(guò)大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)整理分析，比較三種車(chē)型的單位里程燃油（電）的消耗。事實(shí)上，不同車(chē)速及不同溫度因素影響下的等速行駛，能耗也是不同的，因此本文對(duì)此方法做了改進(jìn)。根據(jù)不同條件下能耗的相對(duì)重要程度，通過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，利用層次分析，得到不同工況下的動(dòng)態(tài)循環(huán)能耗改進(jìn)模型，并用一致性檢驗(yàn)其是否合理。選取三種具有代表性試驗(yàn)車(chē)，通過(guò)對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析，模型預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果相關(guān)性好，模型具有較高的置信性。該模型的建立，可為汽車(chē)的投資趨向提供理論依據(jù)。

根據(jù)上述分析，建立能耗靜態(tài)和動(dòng)態(tài)的能耗積分模型，創(chuàng)造性地將數(shù)學(xué)與汽車(chē)的投資趨向巧妙的聯(lián)系在一起，得到混合動(dòng)力汽車(chē)具有廣闊投資空間的結(jié)論。能耗是評(píng)價(jià)汽車(chē)發(fā)展趨向的指標(biāo)之一，雖然還有其他的因素的影響，但是可以作為政府、企業(yè)的投資依據(jù)。

參考文獻(xiàn)：

[1] 李陽(yáng)、陳茁，2012，《三種類(lèi)型汽車(chē)的能耗和使用成本的建模研究》，《數(shù)學(xué)理論與應(yīng)用學(xué)報(bào)》第6期32-34頁(yè).

[2] 曾強(qiáng)、陳天梁，2013，《不同類(lèi)型汽車(chē)的能耗和使用成本問(wèn)題》，《新校園校刊學(xué)報(bào)》第8期49-53頁(yè).

[3] 孫曉莉、高謀榮，2007，《基于仿真技術(shù)的汽車(chē)能耗與質(zhì)量關(guān)系的研究》，《深圳職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)》第6期45-47頁(yè).

[4] 曾小華等，2007，《混合動(dòng)力汽車(chē)能耗最優(yōu)數(shù)學(xué)建模與仿真》，《系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)》第18期4309-4323頁(yè).

[5] 付百學(xué)、胡勝海，2008，《汽車(chē)油耗檢測(cè)系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的建立與應(yīng)用研究》，《測(cè)試技術(shù)學(xué)報(bào)》第1期38-41頁(yè).