電動乘用車主性能統計與分析評價

董學鋒

（中國第一汽車集團有限公司研發總院，長春 130011）

1 前言

出于能源安全與環保的考量，中國積極鼓勵新能源汽車的發展，在財政和政策上出臺了一系列對應措施，2014年8月至2017年12月先后發布了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，列出了汽車生產企業名稱、車輛型號、通用名稱、純電動續駛里程、整車整備質量、動力蓄電池組總質量和動力蓄電池組總能量等生產企業信息和基本技術指標。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》中電動乘用車的數據并進行梳理分析，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量之間的關系，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 動力電池總質量與總能量的關系

2.2 動力電池質量與整車整備質量

電動汽車顛覆了傳統汽車的動力系統和供給系統，電機取代發動機，動力電池取代燃油箱。電動汽車改變了傳統汽車的布置結構、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。統計表明，目前新能源汽車整備質量比傳統汽油車整備質量高8%～10%，且純電續駛里程還不夠理想。利用《目錄》中的電動乘用車數據，關聯動力電池組總質量與整車整備質量，其統計關系如圖2所示。統計現有樣本，動力電池組總質量Ge與整車整備質量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。隨著電池技術水平及電池能量密度的提高，未來電池的質量占比將會下降，而隨著各種輕量化措施的使用[3-7]，整車整備質量也將持續下降。

圖2 電動乘用車動力電池的質量占比

3 整車主性能

3.1 續駛里程與整車能量密度

影響電動汽車續駛里程的主要因素是汽車的總質量、動力蓄電池組總能量及系統的阻力（包括滾阻、風阻和系統效率）等因素。續駛里程在底盤轉鼓測功機（臺架）上試驗測得，試驗質量是在整車整備質量的基礎上增加100 kg的附加質量，試驗按照標準的NEDC（4個市區+1個郊區）循環進行，其測得的續駛里程也稱為工況法續駛里程。將動力電池組總能量與整車整備質量之比定義為整車能量密度，得到續駛里程Se與整車能量密度Eg的關系如圖3a所示。兩者之間的統計關系可用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》中的數據按年代區分，進行數據處理后得到圖3b所示的續駛里程與整車能量密度的關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變為2017年的Se=14.002Eg-110.58，技術進步較快；整車能量密度30 W·h/kg的車輛續駛里程平均值在2014年為249.69 km，而在2017年達到了309.42 km，有近60 km的差別。這體現了系統匹配能力的提升和能量利用效率的提高。

圖3 續駛里程與整車能量密度的關系

3.2 電池總能量與質量里程積

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“質量里程積”，即整車整備質量與續駛里程的乘積。圖4所示為動力電池總能量與質量里程積的統計關系，其趨勢平均線可表達為Ee=0.532 8[GzSe]0.7231，相關性R2=0.932 1，所有數據較為集中，離差基本在±10 kW·h內，主流數據在±5 kW·h內。同樣，其差異可以理解為由不同車輛滾動阻力、風阻、電轉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量里程積

3.3 廣義耗電量

新能源汽車雙積分法規發布以后，要求生產電動汽車的企業上報耗電量，但在之前的《目錄》數據中沒有耗電量，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數據為樣本，廣義百公里耗電量與整車整備質量的關系如圖5所示，其趨勢平均線可表達為Yp=9.327 1ln(Gz)-51.394，作其不同倍數曲線 0.6Yp、0.8Yp、1.2Yp、1.4Yp，樣本數據聚集在 0.8Yp～1.2Yp之間的較多。即對于電動乘用車而言，其工況法續駛里程Se、動力電池總能量Ee及整車整備質量Gz三者的關系可描述為：

4 電動乘用車評價

4.1 綜合因數評價

對于電動汽車，其技術指標向動力電池能量密度大、續駛里程長（與傳統動力相當）、整車整備質量小的方向發展。因此，引入綜合因數：

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。綜合因數與整車整備質量的關系如圖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與相同整車整備質量下的綜合因數的平均值之比為綜合指數，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Qe基本在0.2～2.2間，且Qe越大越好。

圖6 綜合因數與整車整備質量的關系

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化為機械能驅動車輪，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，可驅動整備質量為1 t的車輛行駛的里程，用以表征動力電池總能量的發揮程度。功效值大，體現了車輛自身的阻力較小、逆變傳動效率較高等技術優勢。

圖7所示為利用現有樣本數據生成的功效散點圖，以整車整備質量為橫軸展開，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越大越具有比較優勢。目前的樣本的功效指數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，續駛里程的設計不必超過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使用，如圖8所示。

圖8 車型積分倍數

5.2 雙積分區域條件劃分的探討

電動乘用車雙積分計算方法利用2個折線劃分區域，折線的轉折點附近存在不合理積分問題，在不掌握耗電量測試數據樣本的情況下，使用廣義耗電量來替代分析，二者應具有相似的數據特征。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，僅在整車整備質量較小的區域曲線上移，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，整車整備質量域限制區的表達似更為簡潔。

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的重要課題之一[9]。近幾年，隨著電池研發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》中車型的數據，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 電動乘用車續駛里程的變化

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

圖11 平均續駛里程年度變化

7 結束語

為推進節能減排，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品數據，進行主參數與主性能的分析與總結，獲得了電動乘用車主性能與主參數間的部分規律，及主性能隨時間的變化趨勢，為電動汽車產品的開發策劃、政策制定等提供參考。

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[8]中華人民共和國工業和信息化部,中華人民共和國財政部,中華人民共和國商務部,等.乘用車企業平均燃料消耗量與新能源汽車積分并行管理辦法[EB/OL].(2017-09-27).http://www.miit.gov.cn/n1146290/n4388791/c5826378/content.html.

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