基于大數(shù)據(jù)的PHEV發(fā)動機熱效率對使用成本的影響分析

摘 要：高效發(fā)動機在節(jié)省燃油和使用成本的同時通常伴隨生產(chǎn)成本提高。本文針對PHEV發(fā)動機熱效率對使用成本影響問題，分別在法規(guī)標準工況以及綜合考慮實際單日出行里程、環(huán)境溫度和實際行駛因素的用戶實際使用工況下，進行使用成本進行分析。結(jié)果表明，對于業(yè)內(nèi)兩種不同典型熱效率水平的發(fā)動機，在法規(guī)標準工況下每10萬km使用成本差異為120-315元，在實際用戶工況下每10萬km使用成本差異為145-359元。主機廠在發(fā)展高效發(fā)動機時，可參考本文使用成本變化合理控制生產(chǎn)成本增量。

關鍵詞：混合動力 使用成本 發(fā)動機熱效率 大數(shù)據(jù)

1 緒論

進入21世紀以來，隨著能源問題日益緊張，電動化和高效化并行發(fā)展已成為汽車行業(yè)發(fā)展的主流趨勢[1]。隨著電動化程度逐漸加深，市場陸續(xù)出現(xiàn)非插電混合動力汽車（HEV）、插電式混合電動汽車（PHEV）和純電動汽車（EV）多種技術路線，發(fā)展至今PHEV和EV已占據(jù)30%以上的市場份額[2-3]。與此同時，針對傳統(tǒng)動力源發(fā)動機的高效化改進也在持續(xù)進行[4-5]，該技術可以使汽車在滿足嚴格的排放標準的同時，能夠滿足日益挑戰(zhàn)性的市場需求，為消費者提供更具經(jīng)濟性和環(huán)保性的出行選擇。截至目前，高效混動專用發(fā)動機最大熱效率通常可達到43%左右[6-7]。

然而，盡管發(fā)動機的高效化提高了整體性能，卻伴隨著生產(chǎn)成本的明顯提升。這種效率提升通常涉及復雜的工程設計、先進的材料科技以及精密的制造過程，這些因素共同推動了發(fā)動機的性能水平[8-9]；制造環(huán)節(jié)引入這些創(chuàng)新也導致了昂貴的研發(fā)和生產(chǎn)成本[10]。同時這種效率提升帶來的節(jié)能效果在某種程度上受到油耗基數(shù)減小的制約，逐漸顯得弱化。以PHEV車型為例，它具有電和油兩個不同的能量源，與傳統(tǒng)能源汽車相比，對能量的使用方法不同，其具有電量消耗（CD）和電量保持（CS）兩種工作模式[11-12]。在CD模式中，當車輛電池SOC處于較高階段時，發(fā)動機通常不會啟動，而是由電池驅(qū)動車輛行駛，僅產(chǎn)生電耗而不產(chǎn)生油耗。而在CS模式下，當車輛電池SOC降至較低水平時，車輛旨在保持電池SOC的基本平衡。在這種情況下，系統(tǒng)會自動判定是否啟動發(fā)動機，因此發(fā)動機熱效率對能耗的影響主要體現(xiàn)在CS階段[13]。因此，對于發(fā)動機使用成本的計算變得尤為重要，只有當生產(chǎn)成本和使用成本達成平衡才能更好地滿足客戶需求。

用戶在用戶實際使用過程中，選擇為車輛充電或加油與多種因素相關，難以準確估計單個用戶的使用規(guī)律。但對于用戶群體，可以通過大數(shù)據(jù)對用戶在不同時間、地點和場景下的能源消耗模式進行統(tǒng)計，從而更準確地計算用戶的使用成本。

2 車輛參數(shù)及模型搭建

本文以某款混合動力中型轎車為基礎對使用成本進行分析。該車使用串并聯(lián)混合動力構(gòu)型，其動力系統(tǒng)構(gòu)型如圖1所示，發(fā)動機通過離合器和固定速比減速器與車輪相連，發(fā)電機位于離合器輸入端相連，驅(qū)動電機位于離合器輸出端。該車具有串聯(lián)和并聯(lián)兩種混合動力模式，在低速下離合器斷開，進入串聯(lián)模式，由發(fā)動機帶動發(fā)電機發(fā)電，電能輸送至驅(qū)動電機驅(qū)動車輛行駛；高速下離合器接合，進入并聯(lián)模式，發(fā)動機直接驅(qū)動車輛，驅(qū)動電機利用電池電能進行發(fā)電或助力。

為探究發(fā)動機效率對使用成本的影響，本文選取兩種典型的發(fā)動機效率：2020年以前，高效發(fā)動機技術多被國外品牌掌握，其最高熱效率為41%左右[14]，2021年起國內(nèi)品牌PHEV得到迅速發(fā)展，陸續(xù)推出搭載多種效率提升技術的發(fā)動機，其熱效率可達到43%左右[15-16]，因此選取41%和43%作為兩種典型熱效率水平。另外，車輛純電續(xù)駛里程對用戶使用特征有較大影響，本文在市面常見的PHEV純電續(xù)駛里程區(qū)間100～200km中選取三個典型值進行分析。為避免其他因素影響，假設車輛其他參數(shù)均一致。整車及動力系統(tǒng)主要參數(shù)如表1所示。

根據(jù)以上參數(shù)，基于成熟的商業(yè)化仿真軟件平臺AMESim搭建仿真模型，用于后續(xù)能耗計算。（圖2）

3 基于法規(guī)的PHEV使用成本分析

GB/T 19753-2021《輕型混合動力電動汽車能量消耗量試驗方法》中，基于全國范圍車輛出行半徑及使用行為特征數(shù)據(jù)，提出一種基于出行鏈的純電利用系數(shù)計算方法，用以表征車輛兩次充電間的里程分配權(quán)重[17]。本章基于此算法對用戶使用成本進行分析。

3.1 法規(guī)計算方法介紹

國標中定義了純電利用系數(shù)UF，定義為一天行駛中車輛處于電量消耗（CD）模式的里程比例，其計算方法如下：

式中，x為指數(shù)參數(shù)序號；k為指數(shù)參數(shù)個數(shù)，此處為10；為第x個系數(shù)，取值如表2；為兩次充電間的最大行駛里程，取值如表2；為電量消耗循環(huán)里程，在本文中為車輛的純電續(xù)駛里程。

根據(jù)式1，可得車輛純電續(xù)駛里程與純電利用系數(shù)關系如圖3所示。其中純電續(xù)駛里程100、150、200km對應的純電利用系數(shù)分別為0.792、0.877和0.923。該數(shù)據(jù)說明對于PHEV來說，絕大多數(shù)情況車輛處于CD工作模式，油耗對于使用成本的影響較小。

3.2 基于法規(guī)的用戶使用成本分析

根據(jù)上文所述的整車能耗模型，對兩種不同發(fā)動機效率對應的油耗進行計算，結(jié)果如表3。按照油價7.5元/L計算，CS模式每100km兩種方案使用成本差值僅為1.5元。

考慮車輛使用中CD和CS模式的比例，使用成本計算方法為

式中T為總使用成本；為CD模式使用成本；為CS模式使用成本；為CD模式單位里程行駛成本；為CS模式單位里程行駛成本，R為總行駛里程。

根據(jù)上式，分別計算每種純電續(xù)駛里程下，發(fā)動機熱效率差異造成的用戶使用成本差異，如圖4。可見兩種發(fā)動機在10萬km的用戶使用成本為120～315元不等。

4 基于大數(shù)據(jù)的PHEV使用成本分析

基于法規(guī)的用戶使用特征更加偏向理想化使用場景，與真實使用場景可能存在差別，主要體現(xiàn)在：1.用戶實際日出行里程分布特征與法規(guī)不一致；2.受溫度和行駛工況因素影響，車輛實際油耗和純電續(xù)駛里程可能與公告申報值存在差異。因此需要借助大數(shù)據(jù)平臺對車輛實際使用狀態(tài)進行分析。本文所使用的大數(shù)據(jù)平臺包括超25萬條數(shù)據(jù)樣本，包括傳統(tǒng)車、HEV、PHEV、EV等多種類型車型，對于宏觀描述車輛在不同環(huán)境下的使用狀態(tài)具有重要意義。

4.1 實際用戶日出行里程比例分布

對用戶每日實際出行里程分布進行統(tǒng)計，如圖5所示。可見大部分用戶日出行里程不足40km，對于PHEV車型完全可以使用純電動模式覆蓋。不同純電里程對日出行里程的覆蓋度如圖6所示。可見用戶實際使用中，日出行里程比法規(guī)中更短，相同純電里程實現(xiàn)的覆蓋度更大。

4.2 實際用戶純電里程達成率分析

用戶實際使用中，溫度是導致實際純電里程與油耗與公告申報值存在差異的最重要因素。因此對某車型一定地區(qū)內(nèi)全年使用數(shù)據(jù)進行分析，將溫度劃分為常溫、高溫、低溫區(qū)間，得到不同溫度區(qū)間分布占比，如表4。

為單獨分析溫度對純電續(xù)駛里程的影響，選取某純電動車型為研究對象，根據(jù)環(huán)境溫度對平均純電里程達成率進行統(tǒng)計，如表5。可見低溫對純電續(xù)駛里程影響幅度較大，可使續(xù)駛里程縮短一半以上。

根據(jù)表5得到的純電里程達成率，推測不同標稱純電里程PHEV在不同環(huán)境溫度下可達成的實際純電里程如表6。

根據(jù)圖6的日出行里程覆蓋率曲線，可得到表7純電里程對應的覆蓋度。

4.3 實際用戶油耗達成率分析

為單獨分析溫度對油耗影響，需保證車輛處于電量基本平衡狀態(tài)，因此選取某采用相同混動構(gòu)型的HEV車型為研究對象，根據(jù)環(huán)境溫度對車輛油耗進行統(tǒng)計，如表8。可見低溫對油耗影響幅度也較大。

據(jù)此推測實際油耗達成情況如表9所示。

4.4 實際用戶使用成本分析

根據(jù)以上分析，在用戶實際使用工況中常溫、高溫和低溫環(huán)境下的使用成本分別如圖7至圖9所示。兩種不同發(fā)動機熱效率在10萬km對使用成本影響最低僅93元，最高也僅有597元。

結(jié)合表4所示的溫度分布，綜合使用成本如圖10所示，發(fā)動機熱效率對10萬km使用成本影響在145～359元不等。

5 結(jié)論

本文僅從使用成本角度分析，認為發(fā)動機效率對使用成本影響較小。對于發(fā)動機熱效率41%和43%的兩種方案，在法規(guī)標準工況下每10萬km使用成本差異為120～315元。在大數(shù)據(jù)展現(xiàn)的用戶實際使用場景下，綜合考慮用戶實際單日出行里程及不同溫度下實際行駛工況達成的油耗和純電里程因素，每10萬km使用成本相差145～359元。主機廠在發(fā)展高效發(fā)動機時，可參考本文的使用成本變化，根據(jù)自身具備的技術條件選擇合理的熱效率水平和控制生產(chǎn)成本增量。

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