董學(xué)鋒

（中國第一汽車集團(tuán)有限公司研發(fā)總院，長春 130011）

主題詞：插電式混合動(dòng)力乘用車 主性能 統(tǒng)計(jì)評(píng)價(jià)

1 前言

為了提升乘用車節(jié)能水平，緩解能源和環(huán)境壓力，建立節(jié)能與新能源汽車管理長效機(jī)制，促進(jìn)汽車產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展，我國制定了《乘用車企業(yè)平均燃料消耗量與新能源汽車積分并行管理辦法》，2018年4月1日起施行。中國在財(cái)政和政策上實(shí)施免稅等一系列措施以示對(duì)新能源汽車發(fā)展的積極鼓勵(lì)，截至2017年12月，共發(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(duì)其中的插電式混合動(dòng)力乘用車，列出了汽車生產(chǎn)企業(yè)名稱、車輛型號(hào)、通用名稱、純電動(dòng)續(xù)駛里程、燃料消耗量、發(fā)動(dòng)機(jī)排量、整車整備質(zhì)量、動(dòng)力蓄電池組總質(zhì)量和動(dòng)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(biāo)。本文針對(duì)《目錄》中共89款插電式混合動(dòng)力乘用車的6項(xiàng)主性能進(jìn)行統(tǒng)計(jì)計(jì)算和性能分析，從而得出總體性能趨勢(shì)、性能特征及水平。

2 動(dòng)力電池主性能

2.1 動(dòng)力電池的能量密度

動(dòng)力蓄電池的能量密度即動(dòng)力蓄電池組總能量與其總質(zhì)量之比。目前，影響新能源汽車發(fā)展的瓶頸是電池，動(dòng)力電池的能量密度尚不理想[1]，體積、質(zhì)量均較大。兼有內(nèi)燃機(jī)動(dòng)力和電池電機(jī)驅(qū)動(dòng)的雙系統(tǒng)插電式混合動(dòng)力汽車，在充電設(shè)施還不完善的今天，雖然可消除用戶的顧慮，但也大幅提高了汽車結(jié)構(gòu)和性能的復(fù)雜程度，整車整備質(zhì)量和成本也大幅增加。利用《目錄》中插電式混合動(dòng)力乘用車的相應(yīng)數(shù)據(jù)，可得插電式混合動(dòng)力用動(dòng)力電池的能量密度平均值是84.83 W·h/kg，明顯低于純電動(dòng)乘用車的107.45 W·h/kg。以動(dòng)力電池組總質(zhì)量Ge為橫坐標(biāo)，對(duì)應(yīng)的總能量Ee為縱坐標(biāo)，形成散點(diǎn)圖及趨勢(shì)線如圖1所示，其中Ee=0.066 6Ge+2.787 8為趨勢(shì)平均線，反映了插電式混合動(dòng)力乘用車用動(dòng)力電池的平均性能，也代表總體的平均水平，以此線為基線，上、下平移，得到不同截距的平行線，從圖1可知，動(dòng)力電池組總能量與其總質(zhì)量之間的關(guān)系，基本在Ee=0.066 6Ge+6與Ee=0.066 6Ge-2之間，高于此范圍的樣本有3個(gè)，低于此范圍的樣本有2個(gè)。其中電池能量密度最高的一款轎車為“純電動(dòng)BMW i3升級(jí)款增程型”，動(dòng)力電池的總質(zhì)量為256 kg，動(dòng)力蓄電池總能量是33 kW·h。

圖1 動(dòng)力電池的能量密度

2.2 動(dòng)力電池質(zhì)量與整車整備質(zhì)量

混合動(dòng)力汽車是內(nèi)燃機(jī)汽車和電動(dòng)汽車的混合體，是燃油汽車時(shí)代向電動(dòng)汽車時(shí)代轉(zhuǎn)變時(shí)期的過渡方案之一[2]，因?yàn)榫哂须p系統(tǒng)，比同級(jí)傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車重100～200 kg；與純電動(dòng)車相比，其電池?cái)?shù)量少、總能量低、純電續(xù)駛里程短，所以動(dòng)力電池質(zhì)量占比低。同時(shí)，混合動(dòng)力也在通過輕量化技術(shù)平衡動(dòng)力電池帶來的質(zhì)量增加[3-4]。分析《目錄》中的混合動(dòng)力乘用車數(shù)據(jù)，得到動(dòng)力電池組質(zhì)量與整車整備質(zhì)量的占比平均值是8.97%；關(guān)聯(lián)動(dòng)力電池組總質(zhì)量與整車整備質(zhì)量，生成如圖2所示的散點(diǎn)圖，總體的統(tǒng)計(jì)平均線為Ge=0.024 4Gz+113.54。取不同的截距+175～+75，形成Ge=0.024 4Gz+175與Ge=0.024 4Gz+75之間的平行線族，可獲得樣本的分布情況。例如，整車整備質(zhì)量為1 800 kg的混合動(dòng)力乘用車，動(dòng)力電池組的質(zhì)量占比為7%～12%。

圖2 動(dòng)力電池的質(zhì)量占比

3 整車主性能

3.1 純電續(xù)駛里程與整車能量密度

影響混合動(dòng)力汽車純電續(xù)駛里程的主要因素是汽車的總質(zhì)量、動(dòng)力電池組總能量及系統(tǒng)阻力（包括滾阻、風(fēng)阻和系統(tǒng)效率）等?；旌蟿?dòng)力乘用車的純電續(xù)駛里程是在其整車整備質(zhì)量基礎(chǔ)上增加100 kg作為試驗(yàn)質(zhì)量，按標(biāo)準(zhǔn)的NEDC試驗(yàn)循環(huán)在底盤測(cè)功機(jī)上測(cè)得，稱為工況法續(xù)駛里程[5]。將動(dòng)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Eg，并以它為橫坐標(biāo)，以純電續(xù)駛里程Se為縱坐標(biāo)，得到圖3所示的純電續(xù)駛里程與整車能量密度的關(guān)系。兩者之間的統(tǒng)計(jì)關(guān)系可用Se=10.68Eg-Δ的斜線族來描述，其中Se=10.68Eg-13.736為趨勢(shì)平均線，圖中分別給出了取Δ=40、Δ=30、Δ=20、Δ=10和Δ=0的斜線族。Δ反映的是當(dāng)量的系統(tǒng)消耗里程，Δ越小，說明車輛系統(tǒng)內(nèi)的能量消耗越小，也體現(xiàn)出越高的產(chǎn)品技術(shù)水平。從能量平衡的角度講，插電式混合動(dòng)力乘用車的純電續(xù)駛里程Se≤10.68Eg。

圖3 純電續(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

引入“質(zhì)量里程積”[6]的概念，探討電池的總能量Ee與質(zhì)量里程積GzSe的關(guān)系，如圖4所示。圖4中，趨勢(shì)平均線為Ee=0.530 3(GzSe)0.6768，相關(guān)性R2=0.73，離差基本在±4 kW·h范圍內(nèi)，主流數(shù)據(jù)點(diǎn)在±2 kW·h范圍內(nèi)。同樣，其離差可以理解為由滾動(dòng)阻力、風(fēng)阻、電轉(zhuǎn)化效率及傳動(dòng)效率的不同所引起。在平均線下方的，能源利用率高，反之，能源利用率低。

圖4 動(dòng)力電池總能量與質(zhì)量里程積

3.3 廣義耗電量

將電池的總能量與純電續(xù)駛里程之比定義為廣義純電百公里耗電量[6]：

以《目錄》中插電式混合動(dòng)力乘用車的有關(guān)數(shù)據(jù)為樣本，獲得整車整備質(zhì)量與廣義百公里耗電量的關(guān)系如圖5所示，趨勢(shì)平均線表達(dá)式為Yp=13.337lnGz-79.121，樣本數(shù)據(jù)多聚集在趨勢(shì)平均值的0.8～1.2倍。即對(duì)于插電式混合動(dòng)力乘用車，其純電續(xù)駛里程Se、動(dòng)力電池總能量Ee及整車整備質(zhì)量Gz三者之間的關(guān)系可簡單描述為：

圖5 廣義耗電量與整備質(zhì)量的關(guān)系

3.4 燃油消耗量與整車整備質(zhì)量

發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油經(jīng)濟(jì)性直接影響混合動(dòng)力汽車的整車經(jīng)濟(jì)性[7-8]，插電式混合動(dòng)力汽車有時(shí)為電驅(qū)動(dòng)，有時(shí)為油電混合驅(qū)動(dòng)，如不考慮電耗，且電驅(qū)動(dòng)行駛里程計(jì)入燃油驅(qū)動(dòng)里程，燃料消耗量必然較低。圖6所示為混合動(dòng)力乘用車的燃料消耗量Qs與整車整備質(zhì)量Gz的關(guān)系，其統(tǒng)計(jì)平均線可寫成Qs=0.630 4Gz+0.760 3，僅考慮燃料消耗量，較高技術(shù)水平的產(chǎn)品在Qs=0.630 4Gz左右，若油耗在Qs=0.630 4Gz+1和Qs=0.630 4Gz+2之間，在混合動(dòng)力乘用車中油耗較高，即燃油經(jīng)濟(jì)性較差。

圖6 燃料消耗量與整車整備質(zhì)量的關(guān)系

3.5 燃料消耗量與純電續(xù)駛里程

混合動(dòng)力汽車的電動(dòng)續(xù)駛里程分擔(dān)了燃料消耗量，因此，其純電續(xù)駛里程越長，燃料消耗量也相應(yīng)變小。燃料消耗量Qs與純電動(dòng)續(xù)駛里程Se的關(guān)系如圖7所示，平均趨勢(shì)可寫成Qsp=50.369Se-0.798，圖7給出了Qs=0.8Qsp、Qs=1.2Qsp和Qs=1.4Qsp的3條曲線，表征著不同的燃油消耗水準(zhǔn)。顯然，目前在0.8Qsp附近的，其燃油經(jīng)濟(jì)性好。

3.6 發(fā)動(dòng)機(jī)排量與整車整備質(zhì)量

插電式混合動(dòng)力汽車的發(fā)動(dòng)機(jī)排量隨著整車整備質(zhì)量的增加而增加，目前，發(fā)動(dòng)機(jī)排量主要集中在2.0 L、1.5 L、1.0 L，對(duì)應(yīng)的整車整備質(zhì)量分別為1 836～2 515 kg、1 510～2 170 kg、1 430～1 735 kg，如圖10所示。排量最小的樣本是“純電動(dòng)BMW i3升級(jí)款增程型”，其發(fā)動(dòng)機(jī)排量為647 mL，整車整備質(zhì)量為1 390～1 430 kg。

圖7 燃料消耗量與純電續(xù)駛里程

圖8 發(fā)動(dòng)機(jī)排量與整車整備質(zhì)量

4 插電式混合動(dòng)力乘用車評(píng)價(jià)

4.1 綜合因數(shù)與評(píng)價(jià)

對(duì)于插電式混合動(dòng)力汽車，我們對(duì)技術(shù)指標(biāo)的愿景是：動(dòng)力電池的能量密度大、純電續(xù)駛里程長、整車整備質(zhì)量小、燃料消耗量低，因此引入綜合因數(shù)：

從式（3）可知，綜合因數(shù)Le與電池的密度（Ee/Ge）、純電續(xù)駛里程Se成正比，與整車整備質(zhì)量Gz、燃料消耗量QS成反比。綜合因數(shù)與整車整備質(zhì)量的關(guān)系如圖9所示，作趨勢(shì)平均分析得知：兩者呈線性關(guān)系，可表達(dá)為Le1=-0.88Gz+3.336。以綜合因數(shù)平均線作為評(píng)價(jià)基準(zhǔn)線，定義某車型的綜合因數(shù)與其之比為綜合指數(shù)，即Qe=Le/Le1。除1個(gè)車型外，Qe都在0.2～2.5間。綜合指數(shù)反映了某車型與平均水平相比較的高與低，其值越大越好。圖 9中給出了Qe=2.5、Qe=2、Qe=1.5、Qe=0.5、Qe=0.2的曲線是綜合指數(shù)由高到低的等級(jí)線或檔次線。

4.2 動(dòng)力功效與評(píng)價(jià)

對(duì)于混合動(dòng)力汽車，定義純電動(dòng)模式行駛功效Lw=GzSe/Ee，表達(dá)動(dòng)力電池總能量的作用發(fā)揮程度，其意義在于動(dòng)力電池1 kW·h的能量可將整車整備質(zhì)量為1 t的車輛在標(biāo)準(zhǔn)工況下驅(qū)動(dòng)行駛的距離。功效值大，說明技術(shù)水平高，體現(xiàn)出車輛的風(fēng)阻、滾阻較小、逆變傳動(dòng)效率較高等技術(shù)匹配優(yōu)勢(shì)。

圖9 綜合因數(shù)與整車整備質(zhì)量的關(guān)系

圖10所示為利用現(xiàn)有混合動(dòng)力乘用車樣本數(shù)據(jù)計(jì)算生成的功效散點(diǎn)圖，以整車整備質(zhì)量為橫軸展開，作樣本的趨勢(shì)分析得其平均線為L1.0=1.594 1Gz+5.951 1。以功效趨勢(shì)平均線作為評(píng)價(jià)基準(zhǔn)，某型插電混合動(dòng)力乘用車的功效與其之比稱為功效指數(shù)，即Qw=Lw/L1.0，圖中分別給出了Qw=0.6、Qw=0.8、Qw=1.2、Qw=1.4的4條曲線。由圖10可知，除1個(gè)車型外，《目錄》中車輛樣本的功效指數(shù)Qw均在0.6～1.4之間。Qw越大，越具有比較優(yōu)勢(shì)。

圖10 插電式混合動(dòng)力乘用車功效與整車整備質(zhì)量的關(guān)系

4.3 混合動(dòng)力乘用車的雙積分

根據(jù)新能源乘用車車型積分計(jì)算方法及其說明，插電式混合動(dòng)力汽車純電驅(qū)動(dòng)模式續(xù)駛里程不低于50 km是獲得積分的必要條件。其標(biāo)準(zhǔn)車型積分是2分/輛，車型積分分成兩種情況，如圖11所示[9-10]。

由圖11可知：滿足50 km≤Se＜80 km的插電式混合動(dòng)力汽車，積分依據(jù)是燃料消耗量，在燃料消耗限值的70%以上者，積1分/輛，以下者積2分/輛；Se≥80 km的插電式混合動(dòng)力汽車，則車型積分依據(jù)為電能消耗量，與電動(dòng)乘用車的“條件一”相同，在“條件一線”以上，其車型積分是1分/輛，在其之下是2分/輛。

圖11 車型積分圖

5 結(jié)束語

為鼓勵(lì)新能源汽車的發(fā)展，國家出臺(tái)了相關(guān)政策，近年很多新能源汽車產(chǎn)品不斷上市，標(biāo)志著中國新能源汽車的快速發(fā)展，本文試圖通過搜集當(dāng)前的產(chǎn)品數(shù)據(jù)，進(jìn)行主參數(shù)與主性能的梳理分析與總結(jié)，希望捕捉到主性能和主參數(shù)中一些規(guī)律，為未來新能源汽車的產(chǎn)品開發(fā)策劃、制定政策等提供參考依據(jù)。