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基于大數據的電動乘用車主參數和主性能分析
2020-06-03 00:12:44· 來源：《基于大數據的電動乘用車主參數和主性能分析》 作者：北京長城華冠汽車研發(fā)有限公司
1 前言從2014年8月到2019年12月工信部先后發(fā)布了29批《免征車輛購置稅的新能源汽車車型目錄》，經過幾年的電動汽車的研發(fā)與實踐，從電動汽車的策劃、設計、試制
1 前言
從2014年8月到2019年12月工信部先后發(fā)布了29批《免征車輛購置稅的新能源汽車車型目錄》，經過幾年的電動汽車的研發(fā)與實踐，從電動汽車的策劃、設計、試制、試驗再到生產都有了長足的進步。現在以截至2019年12月的產品公告技術數據為基礎，從宏觀的整體技術參數與性能方面做一下盤點，文獻對2014～2017年的產品進行了分析與評價，文獻對2014～2019年產品的能量密度及續(xù)駛里程進行過解析，本文作為補充，再從其它的維度（包括車型尺寸、質量、電機動力和電量消耗等）進行梳理，重點對主參數和主性能做一次全面的總結。
2 整備質量與車輛尺寸
2.1 車輛尺寸與級別
乘用車按形體分類，按大小分級。同一級別中，又以動力功率（發(fā)動機排量）、驅動型式、手動（自動）變速器、裝備等進行細分。圖1是轎車的分級，是基于車型尺寸的大小，也就是基于車長和車寬進行的分級。中國車型的分級為：微型車（A00）、小型車（A0）、緊湊型車（A）、中型車（B）、大型車（C）、豪華型（D）及禮賓型（E）等；電動乘用車，除了動力源（電池代替燃油、電機代替發(fā)動機）和相應附件及控制不同外，其它基本與傳統汽車相同。作為傳統燃油汽車的補充或未來的替代產品之一，電動乘用車各方面與傳統車的對比至關重要，尤其在外觀、駕駛、乘坐和操控感覺等方面更是如此。
2.2 燃油乘用車的整備質量與廣義體積
按汽車的分級，高級別的車型，尺寸大而寬敞、乘坐舒適可靠、操控輕便平穩(wěn)、動力強勁有力、裝備齊全華美、甚至車體帶升降功能以提高通過性。這些總體上說都是最終以重量（質量）增加為代價的?？傊囕v越大，整備質量也越大，圖2是以中國某年注冊的燃油乘用車為樣本，統計兩廂轎車、三廂轎車、SUV、MPV或小客車，按不同級別計算的平均值：包括平均廣義體積（車長×車寬×車高）和平均的整備質量。比如A級的三廂轎車，平均廣義體積為11.92 m3，平均整備質量是1 285 kg。
2.3 電動乘用車的整備質量與廣義體積
用同樣的方法，統計電動車的外形尺寸，并與相應的整車整備質量關聯，得到電動乘用車的整備質量與廣義體積的關系如圖3，從目前電動車樣本的統計看，其平均線是：
式中M 為整車整備質量，V 為廣義體積。
圖3給出了平均線的0.8～1.2倍數線，其內涵蓋了絕大多數的車型樣本值，超出范圍的車型樣本很少。與燃油車相比，同樣大小的車體，電動汽車的整備質量大。從目前的統計看，小型車的整備質量差別較大。大型車的整備質量差別較小，可能是目前電動車樣本的最高車速較低的緣故。用2.2中所述平均廣義體積為11.92 m3的傳統A級車，算得電動車的平均質量是1 464.5 kg（用V=11.92代入式（1）得出）。
2.4 不含電池的整車質量與廣義體積
電動乘用車與傳統燃油汽車比，能源和動力系統是主要區(qū)別，其中電池是電動汽車比燃油汽車重的根本因素，也就是說電動汽車的廣義密度（整備質量與廣義體積之比）比傳統的燃油車大，都是電池的能量密度不高引起的。當電池的能量密度一定時，電池的能量大小取決于電池的質量，電池的能量決定了續(xù)駛里程，但質量的增加反過來又限制了續(xù)航能力。對于電動汽車，輕量化更顯得重要，一方面車要減重，另一方面電池也要控制重量。因此，將整車整備質量M 分解成“不含電池的整車質量M1”和“電池系統的質量M2”兩部分，M=M1+M2，對一個確定的車型，假定M1是基本不變的，可當作一個常數，M2是決定總電能和續(xù)航里程的關鍵因素。圖4是不含動力電池的整車質量M1與廣義體積V 的統計關系，是基于現有的電動車產品樣本，其平均線為：
用V=11.92 m3代入式（2），得不含電池的整車質量平均值是M1=1 147.2 kg。由此動力電池系統的平均質量可通過式M2=M–M1 計算得到其結果，也即是M2=1 464.5–1 147.2=317.3 kg。
2.5 動力電池系統的質量與廣義體積
同樣的能量密度下，動力電池越重，整車的能量越大，續(xù)航里程也越長，圖5為現有電動車產品的電池質量(M2)與整車廣義體積V 的對應散點圖，其平均線表示為：
圖5給出的±50 kg和±100 kg所包圍區(qū)域。若用A 級車的平均廣義體積V=11.92 m3，代入式（3）后得M2=317.1 kg，與2.4所算的結果317.3相差0.2 kg。
3 電機動力與整車整備質量
3.1 電動機的功率與整備質量
如同燃油汽車，若想獲得良好的動力性，必須有動力強勁的發(fā)動機作為支撐，電動汽車也一樣，好的動力依賴于好的電機動力輸出?；仡?019年之前的電動乘用車產品，統計研究電機總功率與整備質量的關系（圖6）其平均線可用Pe來表達。
圖6 中以平均線為中心，上下擴展其倍數線，（0.4～2.0或更大），本文稱之為“動力強勁度級別”。對應本例中M=1 465 kg，不同級點的功率值分別是27 kW（0.4）、41 kW（0.6）、55 kW（0.8）、68 kW（1.0）、82 kW（1.2）、96 kW（1.4）、109 kW（1.6）、123 kW（1.8）、137 kW（2.0）或更高。
3.2 電機的峰值功率與峰值轉矩
在傳統的汽車中，發(fā)動機的最大功率和最大轉矩是最重要的性能指標，它決定了汽車的動力性能。對于電動汽車來說，相當于動力電機的峰值功率和峰值轉矩，從汽車公告中提取相應的數據，形成車型樣本的單電機功率轉矩如圖7所示。從現樣本中得：單電機的平均轉矩為：
主要區(qū)間為：Te=（0.8～1.2）（116.7ln(Pe)-273.3）。如果選用68 kW的電機，它的轉矩可能在（175（0.8）～263（1.2））N·m之間，平均值是219 N·m。
3.3 轉矩與整備質量
關聯電機總的峰值轉矩與整備質量，得到圖8，總體的關聯性可用線性關系表達。目前產品的平均線可表示為：
整體的數據基本分布在（0.6～2.0）倍距的范圍內，也就是說現有的產品基本分布在Te=（0.6～2.0）（0.215 8M-81.5）之間。從動力性表現上說，從下到上，轉矩強勁度增強（加速時間短、反應速度快），還是以整備質量為1 465 kg的電動轎車為例，當前產品的轉矩分布范圍是(140(0.6)～373(1.6))N·m，平均值是233 N·m。
3.4 電池能量與整備質量
對于一個設定的車型，動力電池的能量配備如何，不一定是能量越大越好，能量越大電池質量也越大，視用戶群體的不同，要把握一個度。隨著技術的進步，電池的能量密度逐年提高，用近兩年（2018～2019年）的樣本數據，制作的圖9表達了整車能量與整備質量的關系，公式為：
式（7）表達整體的能量平均線與整備質量的函數關系。其中Ee=(0.7～1.4) (52.8ln(M-337.4）也覆蓋了絕大多數的數據，基本代表近2年的產品情況。
3.5 續(xù)駛里程與整備質量
NEDC工況下的續(xù)駛里程與整車整備質量的對應關系用圖10表示，圖中的數據同樣是以近2年的產品為樣本，其數據特征如歸結為對數函數表達，整體的數據基本由Sn=(0.6～1.4) (242.63ln(M-142）所包絡，中心線為：
式（8）為目前的平均續(xù)駛里程線與整備質量的函數關系。但從目前來看，電動車的續(xù)駛里程尚未達到用戶的理想預期。
4 乘用車電耗與整備質量
4.1 乘用車電耗的法規(guī)限值
為節(jié)能減排，保護環(huán)境，國家于2018年12月28日發(fā)布了GB/T 36980—2018《電動汽車能量消耗率限值》，并在2019年7月1日開始實施，標準中分2個階段（1階段和2階段），其限值延用了乘用車燃油消耗量限值的表達方式，同樣是按整車整備質量分段，將其表格轉化階梯圖，如圖11表示，將其階梯圖化為線性圖，用公式表達能量消耗率為：
電動汽車能量消耗率限值是強制性的，不滿足的不允許上市，對于整備質量為1.465 t 電動車，計算得：YS1=16.6 kW·h/100 km（查表也是16.7），YS2=14.2 kW·h/100 km（查表也是14.3），也就是說，1.465 t的乘用車，現階段的電量消耗必須<16.7 kW·h/100 km 才可上市，到2 階段時，則須<14.3 kW·h/100 km才允許銷售。
4.2 乘用車的電能消耗與整備質量
在汽車企業(yè)上報新能源汽車車型目錄時，車型的油耗或者電耗是必須上報的主要參數，從汽車公告數據中，搜尋電動乘用車的電耗數據，2018年～2019年的NEDC工況下電耗與整備質量，用圖12表示。
式（11）覆蓋了所有的電耗點，平均水平線可用Y=8.16ln(M)-45.12表示。除了3個點（2019年7月1日法規(guī)發(fā)布前的車型外），都滿足電耗限值標準（第1階段）的要求，并有近一半以上同時滿足第2階段的要求。另外整備質量小的更容易達到限值的要求，鼓勵汽車小型化。
4.3 乘用車的廣義電耗
電動汽車的電耗，在產品開發(fā)的定義和設計階段通常是通過計算或比對獲得，到有樣車時再通過實測來確認，最終以產品的實測為準。在設計、試制、試驗和改進過程中會越來越好。在策劃階段，通常經過市場分析、趨勢分析、法規(guī)分析、產品對標及產品定位等方方面面來確定電耗的指標（目標），在規(guī)劃前期，為簡單方便，可先用廣義電耗來估算，即用電池的總能量除以續(xù)駛里程來估計電耗的量級。圖13是廣義電汽車文摘4汽車文摘耗與整備質量的關系圖。
4.4 綜合電耗與廣義電耗比
綜合電耗和續(xù)駛里程是在特定試驗條件下測出的，和汽車的燃油消耗量一樣，目前都是用“NEDC工況”，未來將要統一成“WLTC工況”，但無論哪一個工況，同一類車型的相互比較，可比性強，但與千差萬別的道路駕駛相比也一定是有出入的。總結一下廣義電耗與綜合電耗的差別，有利于前期的正確評估。從圖14知，綜合電耗與廣義電耗較為接近：
在前期簡單估算時，可用廣義電耗代之進行先期的計算和評估。
5 動力性能與整備質量
5.1 比功率與最高車速
汽車的速度越高需要的功率越大、能耗也越高。在汽車產品中，有動力型和經濟型之分，經濟型汽車最高車速不高，但節(jié)能、適合于市內代步。不論是燃油車還是電動車，汽車的最高車速都與比功率(功率與質量之比)強相關，目前電動乘用車的比功率與最高車速如圖15所示，圖中標出了部分外國品牌代表車型在圖中的位置。
5.2 最高車速與整備質量
用近年電動乘用車的最高車速與對應的整備質量形成圖16（區(qū)分中國品牌與部分外國品牌），從近年的車型看，有特斯拉、蔚來、寶沃、捷豹為代表的高動力型（最高車速大），但最高車速在(100～170) km/h的節(jié)能適用型產品占絕對的多數。在產品的規(guī)劃中，根據用戶不同的需求，開發(fā)出不同的產品，而不一定是一味追求“高車速”的設計，畢竟高速度以高耗能為代價，與節(jié)能減排不符。
5.3 功效與整備質量
功效是在文獻提出來的，可用來評價車輛內部能力的發(fā)揮程度，可通俗地理解為1 kW·h（1度電）的能量能把1 t的質量推送的距離是多少km（公里）。圖17是用2018～2019年的電動乘用車樣本數據計算并繪制的功效圖，圖中的平均功效線表達為:
式（14）表達的是當前的中等（平均）水平。
式（15）幾乎覆蓋了所有的點，顯然是Lw 越大越好。
6 結束語
對近6年的產品研發(fā)與實踐成果作一次總結，尤其是對近2年的產品做一下盤點（復盤），以圖的形式回顧一下電動汽車的主參數和主性能。其做法是作相關數據的散點圖并進行趨勢線分析，以平均趨勢線為基準，對相關參數與性能進行級別的劃線（做臺階），形成基于現有數據的評價圖。在產品的更新與換代時，可對照原有產品所在的位置，確立新產品的目標點，讓每一次開發(fā)都有進步或跨躍一個新臺階。
汽車是一個復雜的系統，針對客戶的不同需求，必須從結構、性能、成本、美學等方面入手，綜合權衡各種細節(jié)因素，不能指望各方面全優(yōu)，需要取舍，需要綜合平衡，開發(fā)恰當的適銷對路的產品才是企業(yè)獲得競爭優(yōu)勢的根本。
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