电动乘用车主性能统计与分析评价 ………………………… 董学锋 (
董学锋130011) (中国第一汽车集团有限公司研发总院,长春
【摘要】对《免征车辆购置税的新能源汽车车型目录》(第一批到十五批)中的电动乘用车相关数据进行统计,作出整车整备质量、续驶里程、能量密度等相关趋势线,通过对主参数与主性能的梳理与总结,获得了电动乘用车的主性能与主参数间的部分规律,并获得了主性能随时间的变化趋势。
1 前言
出于能源安全与环保的考量,中国积极鼓励新能源汽车的发展,在财政和政策上出台了一系列对应措施,
2014 8 2017 12 15
年 月至 年 月先后发布了 批《免征车辆购置税的新能源汽车车型目录》(以下简称《目录》),对其中纯电动汽车,列出了汽车生产企业名称、车辆型号、通用名称、纯电动续驶里程、整车整备质量、动力蓄电池组总质量和动力蓄电池组总能量等生产企业信息和基
534本技术指标。本文针对《目录》中提供的 款电动乘
4
用车的 项主性能进行统计与分析,从而给出目前电动乘用车的主性能特征。
2 动力电池主性能2.1 动力电池的能量密度
动力电池组的能量密度即动力电池组总能量与其总质量之比。目前,提高电池的能量密度已成为电动汽车的重要研究课题[1- 2],本文挑选《目录》中电动乘用 车的数据并进行梳理分析,534 个样本的能量密度平均107.45 W·h/kg
值为 。动力电池组总质量Ge和总能量Ee 1
散点图及趋势线如图 所示,其中电池组能量与质量的Ee= 0.110 2Ge- 0.729 9,
趋势平均线为 反映了电动汽车所用电池的平均性能,代表总体的平均水平,以此线为1
基线进行上、下平移,得到不同截距的平行线。由图可知,《目录》中电动乘用车的动力电池组总能量与总Ee= 0.110 2Ge± 15
质量之间的关系,基本在 之间,高于Ee= 0.110 2Ge+ 15 2 Ee= 0.110 2Ge- 15
的只有 个样本,低于
4 1
的有 个样本。图 也间接反映了电池能量密度的高低。
主题词:电动乘用车 主参数 主性能 统计评价U462 A 10.19620/j.cnki.1000-3703.20180243中图分类号: 文献标识码: DOI:
2.2 动力电池质量与整车整备质量
电动汽车颠覆了传统汽车的动力系统和供给系统,电机取代发动机,动力电池取代燃油箱。电动汽车改变了传统汽车的布置结构、各载荷大小与分布,总体上说,较重的动力电池额外增加了汽车的负担,增大了能量的消耗。统计表明,目前新能源汽车整备质量比传统汽油
8%~10%,
车整备质量高 且纯电续驶里程还不够理想。利用《目录》中的电动乘用车数据,关联动力电池组总质
2量与整车整备质量,其统计关系如图 所示。统计现有样本,动力电池组总质量Ge与整车整备质量Gz之比的
21.2% 2
平均值为 。从图 可以看出,主要样本点集中在Ge= 0.256 9Gz Ge= 0.256 9Gz-100
和 之间,平均线表达式为Ge= 0.256 9Gz- 56.136
。随着电池技术水平及电池能量密度的提高,未来电池的质量占比将会下降,而随着各种轻量化措施的使用[3-7],整车整备质量也将持续下降。
3 整车主性能3.1 续驶里程与整车能量密度
影响电动汽车续驶里程的主要因素是汽车的总质量、动力蓄电池组总能量及系统的阻力(包括滚阻、风阻和系统效率)等因素。续驶里程在底盘转鼓测功机(台架)上试验测得,试验质量是在整车整备质量的基础上
100 kg NEDC(4
增加 的附加质量,试验按照标准的 个市
+1
区 个郊区)循环进行,其测得的续驶里程也称为工况法续驶里程。将动力电池组总能量与整车整备质量之比定义为整车能量密度,得到续驶里程Se与整车能量密度 Eg的关系如图3a
所示。两者之间的统计关系可用Se= 12.5Eg- Δ Se= 12.5Eg- 81.5的斜线族来描述,其中 为趋
Δ=40 Δ=80 Δ=120 Δ=160势平均线,图中给出了 、、 和 的斜线族。将《目录》中的数据按年代区分,进行数据处理后得
3b
到图 所示的续驶里程与整车能量密度的关系随年代
3b
的变化情况,从图 可知,趋势线的斜率随年代不断提2014 Se= 9.024 9Eg- 21.056高。趋势平均线由 年的 变为2017 Se= 14.002Eg-110.58,
年的 技术进步较快;整车能量
30 W · h/kg 2014
密度 的车辆续驶里程平均值在 年为
249.69 km, 2017 309.42 km, 60 km
而在 年达到了 有近的差别。这体现了系统匹配能力的提升和能量利用效率的提高。
3.2 3.3 电池总能量与质量里程积
汽车是载运人员或货物的交通工具,在物流中常用的货物运输计量单位是吨公里,这里引入“质量里程
4积”,即整车整备质量与续驶里程的乘积。图 所示为动力电池总能量与质量里程积的统计关系,其趋势平Ee= 0.532 8[ GzSe] R2= 0.932 1,均线可表达为 0.723 1,相关性
± 10 kW · h
所有数据较为集中,离差基本在 内,主流数
± 5 kW · h
据在 内。同样,其差异可以理解为由不同车辆滚动阻力、风阻、电转化效率及传动效率的不同所引起。在趋势平均线下方的,能源利用率高,反之,能源利用率低。
广义耗电量
新能源汽车双积分法规发布以后,要求生产电动汽车的企业上报耗电量,但在之前的《目录》数据中没有耗
电量,因此本文引入广义百公里耗电量:
以《目录》中电动乘用车的相关数据为样本,广义百5
公里耗电量与整车整备质量的关系如图 所示,其趋势平Yp= 9.327 1ln( Gz)- 51.394,
均线可表达为 作其不同倍数曲0.6Yp 0.8Yp 1.2Yp 1.4Yp, 0.8Yp~1.2Yp
线 、、、 样本数据聚集在之间的较多。即对于电动乘用车而言,其工况法续驶里程Se、动力电池总能量Ee及整车整备质量Gz三者的关系可描述为:
4 电动乘用车评价
4.1 综合因数评价
对于电动汽车,其技术指标向动力电池能量密度大、续驶里程长(与传统动力相当)、整车整备质量小的方向发展。因此,引入综合因数: 从式(3) 可知, Le与电池密度( Ee/Ge)成正比,与Se成正比,与Gz成反比。综合因数与整车整备质量的关系如6 Le1=- 2.280 7Gz+ 20.071
图 所示,其趋势平均线为 。以Le1为基线,定义某车辆的综合因数与相同整车整备质量Qe=Le/Le1,
下的综合因数的平均值之比为综合指数,即 反映了其与平均水平的高与低。当前样本的综合指数Qe 0.2~2.2
基本在 间,且Qe越大越好。
4.2 动力功效评价
电动汽车利用电机将动力电池中储存的电能转化 Lw=GzSe/Ee,
为机械能驱动车轮,定义整车功效为 即在标1 kW·h
准的工况下,动力电池 的能量,可驱动整备质量1t
为 的车辆行驶的里程,用以表征动力电池总能量的发挥程度。功效值大,体现了车辆自身的阻力较小、逆变传动效率较高等技术优势。
7
图 所示为利用现有样本数据生成的功效散点图,以整车整备质量为横轴展开,其动力功效的平均线L1.0= 2.644 4Gz+ 5.204
为 。以功效趋势平均线作为评价Qw=Lw/L1.0, 7
基准,某车型的功效指数定义为 图 给出了Qw= 1.4 Qw= 1.2 Qw= 0.8 Qw= 0.6
、 、 和 的斜线族, Qw越大越具有比较优势。目前的样本的功效指数Qw均在 0.6~1.4 0.6(2.644 4Gz+5.204)
间,即《目录》中车辆样本的功效在
1.4(2.644 4Gz+5.204)
和 之间。
5 电动乘用车的新能源汽车积分探讨
5.1 电动乘用车的新能源汽车积分算法
根据新能源乘用车车型积分计算方法[8],对于纯电0.012Se+0.8,
动车,标准车型的积分是 但标准车型积分5
上限为 分。为此,当电动乘用车的续驶里程达到350 km
时,就获得了标准车型的积分上限,从积分的350 km
角度说,续驶里程的设计不必超过 。
30 min
获得积分的必要条件是:纯电动乘用车 最高100 km/h; 100 km
车速不低于 工况法续驶里程不低于 。纯电动乘用车工况条件下百公里耗电量Y满足条件一、1
但不满足条件二的,车型积分按标准车型积分的 倍计1.2 0.5
算;满足条件二的,按 倍计算。其余车型按 倍计8
算,并且积分仅限本企业使用,如图 所示。
5.2 双积分区域条件划分的探讨
2电动乘用车双积分计算方法利用 个折线划分区域,折线的转折点附近存在不合理积分问题,在不掌握耗电量测试数据样本的情况下,使用广义耗电量来替代分析,二者应具有相似的数据特征。将本文提出的Yp、
1.2Yp 0.85Yp 9, 1.2Yp
、 及双积分条件折线绘于图 可见 、
0.85Yp
与双积分条件折线比较按近,仅在整车整备质量较小的区域曲线上移,这有利于电动乘用车的轻量化,
1.2Yp 0.85Yp,如果条件一和条件二分别替换为 和 整车整备质量域限制区的表达似更为简洁。
6 电动乘用车的主性能变化趋势 6.1 电池能量密度和整车能量密度的变化
提高电动汽车的电池能量密度是电池研发的重要课题之一[9]。近几年,随着电池研发和汽车轻量化投入力度的加大[10],电池和整车的能量密度逐年提高,用《目录》中车型的数据,计算出电池能量密度、整车能量密度
10 10并按年度计算平均值,将结果绘于图 中。由图 可知,电池能量密度和整车能量密度的总体年平均增量分
8.39 W · h/kg 1.94 W · h/kg,
别为 和 假设变化速率不变,
2022
则 年电池能量密度和整车能量密度将分别达到
157 W·h/kg 34 W·h/kg,
和 届时电动汽车将进入成熟期。
6.2 电动乘用车续驶里程的变化
在控制总质量的前提下加大续驶里程是汽车设计师的追求,电池能量密度的提升是续驶里程提高的关键因素。同样将续驶里程按年度计算平均值,结果见图
11 27.57 km,。电动乘用车续驶里程的平均年增量为 假
2022
设变化率不变,则 年电动乘用车的续驶里程平均值 350 km, 50%
可达 即 以上的电动乘用车续驶里程超过
350 km 3.1 2017
。从 节可知,按 年的产品技术水平推算,
1 W·h/kg, 14 km整车能量密度每增加 续驶里程将增加 。
7 结束语
为推进节能减排,国家出台了新能源汽车鼓励政策和高油耗汽车的惩罚措施,本文通过搜集当前产品数据,进行主参数与主性能的分析与总结,获得了电动乘用车主性能与主参数间的部分规律,及主性能随时间的变化趋势,为电动汽车产品的开发策划、政策制定等提供参考。
参考文献
[1] , , , .
刘宗巍 史天泽 郝瀚 等 中国汽车技术的现状、发展需
[J]. , 2017(1): 1-6+47.求与未来方向 汽车技术
[2] , , , .
姜涛 陈慧明 许德超 等 新能源汽车用高能量密度锂电
[J]. , 2016(3): 34池正极材料技术研究 汽车工艺与材料
37+44.
[3] , , , .
李骏 李金成 王永军 等 汽车发动机低碳化材料技术创
[J]. , 2017(6): 1-3.
新应用 汽车工艺与材料
[4] . [J]. ,董学锋 车身材料与车身轻量化 汽车工艺与材料
2017(7): 1-18.
[5] . [J]. ,董学锋 商用车的质量特征及轻量化评价 汽车技术
2018(1): 10-14.
[6] , , , .
高云凯 吴驰 冯兆玄 等 纯电动钢铝混合全承载式城市
[J]. , 2016(6): 24-27+36.客车结构优化 汽车技术
[7] , , , .
柴冬梅 张伟 侯晓婷 等 某大型全铝全承载城市客车车
[J]. , 2017(9): 48-52.体骨架设计开发 汽车技术
[8] ,中华人民共和国工业和信息化部 中华人民共和国财政
, , .
部 中华人民共和国商务部 等 乘用车企业平均燃料消
[EB/OL].(2017-09耗量与新能源汽车积分并行管理办法
27). http://www.miit.gov.cn/n1146290/n4388791/c5826378/content.html.
[9] , .
李泓 郑杰允 发展下一代高能量密度动力锂电池——变革性纳米产业制造技术聚焦长续航动力锂电池项目研究
[J]. , 2016, 31(9): 1120-1127+971.进展 中国科学院院刊
[10] , , .
王利刚 李军 李彤光 我国乘用车轻量化进展与发展思
[J]. , 2017(9): 56-60.
考 汽车工艺与材料
(责任编辑 斛畔) 2018 3 14修改稿收到日期为 年 月 日。