基于百公里能耗的電動(dòng)汽車?yán)m(xù)駛里程設(shè)計(jì)與評(píng)價(jià)

龔春忠，陳立峰

（1.浙江合眾新能源汽車有限公司，浙江 杭州 314500；2.杭州萬向職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江 杭州 310023）

Gong Chunzhong1, Chen Lifeng2

( 1.Gong Chunzhong Zhejiang United New Energy Automobile Co. Ltd., Zhejiang Hangzhou 314500;2.Chen Lifeng: Hangzhou Wangxiang Polytechnic, Zhejiang Hangzhou 310023 )

引言

隨著鋰離子動(dòng)力電池技術(shù)的發(fā)展，純電動(dòng)汽車成為未來乘用車的趨勢(shì)。德國、法國、英國、挪威、荷蘭等國紛紛發(fā)布了禁售燃油汽車的時(shí)間表，基本將在2025年至2040年前后實(shí)現(xiàn)禁售燃油汽車[1]。中國也表示正在考慮這個(gè)時(shí)間表的制定。不論是否可以真正實(shí)現(xiàn)，這都說明了各國對(duì)新能源汽車的拓展都高度重視。

能源問題是我國重大問題，中國特色新型能源發(fā)展道路,是堅(jiān)持節(jié)約高效、多元發(fā)展、清潔環(huán)保、科技先行、國際合作, 努力建設(shè)一個(gè)利用效率高、技術(shù)水平先進(jìn)、污染排放低、生態(tài)環(huán)境影響小、供給穩(wěn)定安全的能源生產(chǎn)流通消費(fèi)體系[2]。

依據(jù)我國的能源政策，推出了一系列能源補(bǔ)貼標(biāo)準(zhǔn)。中央財(cái)政安排專項(xiàng)資金，支持開展私人購買新能源汽車補(bǔ)貼試點(diǎn)。2011年10月北京市發(fā)布了“十二五”時(shí)期汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃[3]，將重點(diǎn)推進(jìn)純電動(dòng)汽車整車及其關(guān)鍵零部件的研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化。2016年中華人民共和國財(cái)政部印發(fā)《關(guān)于調(diào)整新能源汽車推廣應(yīng)用財(cái)政補(bǔ)貼政策的通知》[4]，主要補(bǔ)貼的參考指標(biāo)是汽車的續(xù)駛里程，并以百公里能耗作為技術(shù)能力限值。

在將電動(dòng)汽車動(dòng)力動(dòng)力總成選型并未確定，甚至車身重量都有待選型的情況下，電動(dòng)汽車的動(dòng)力性、續(xù)駛里程以及能耗指標(biāo)，將是電動(dòng)汽車設(shè)計(jì)初期的重要的工作[5～8]。為此，我們要研究電動(dòng)汽車的能耗技術(shù)水平評(píng)價(jià)方法。[9]

1 經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)相關(guān)政策與分析

電動(dòng)汽車補(bǔ)貼依據(jù)主要參考電動(dòng)汽車的續(xù)駛里程。對(duì)于純電動(dòng)汽車和插電式混合動(dòng)力汽車的補(bǔ)貼稍有差異。根據(jù)《2013年新能源汽車推廣應(yīng)用補(bǔ)助標(biāo)準(zhǔn)》，表1所示為純電動(dòng)乘用車、插電式混合動(dòng)力（含增程式）乘用車推廣應(yīng)用補(bǔ)貼標(biāo)準(zhǔn)（單位：萬元/輛）。

表1 2013年新能源汽車推廣應(yīng)用補(bǔ)貼標(biāo)準(zhǔn)

各地方補(bǔ)貼的額度略有差異，但補(bǔ)貼方法及參考依據(jù)與以上國家標(biāo)準(zhǔn)一致。

除了續(xù)駛里程作為補(bǔ)貼額度參考依據(jù)以外，電動(dòng)汽車的百公里能耗作為補(bǔ)充參考條件，必須滿足如表2所示的能耗限值，才能獲得相對(duì)應(yīng)的補(bǔ)貼。并戰(zhàn)略性地提出了第一階段與第二階段的限值。

該標(biāo)準(zhǔn)為汽車制造商的前期戰(zhàn)略布局和研發(fā)部門設(shè)計(jì)，提供了非常有意義的參考，并可以對(duì)市場(chǎng)上的新能源汽車在能耗方面的技術(shù)水平做等級(jí)劃分。

表2 電能消耗量限值

2 百公里能耗參數(shù)提取及其意義

表2所提供的純電動(dòng)汽車百公里能耗參考指標(biāo)包含第一階段與第二階段。先研究第一階段：電動(dòng)汽車第一階段以汽車整備質(zhì)量分段階梯式作為限值。以質(zhì)量較小的值作為限值，將獲得上限，以質(zhì)量較大的值作為限值將獲得下限。而波折曲線段為實(shí)際控制線。如圖1所示，波折線為實(shí)際控制線。對(duì)于汽車初步設(shè)計(jì)時(shí)，使用控制下限作為參考限值或者本公司歷史技術(shù)條件作為控制限值。

圖1 第一階段電能消耗量限值

由圖1可知，限值的設(shè)定與汽車的整備質(zhì)量近似于線性相關(guān)。將第1階段保守控制限使用最小二乘法擬合成直線，其方程如公式1所示，擬合度參考圖2。

圖2 第一階段電能消耗量保守限值及其擬合直線

按照目前的技術(shù)水平，新生產(chǎn)的汽車可以使用第一階段保守控制限，同時(shí)，使用第二階段的保守控制限作為參考以及下一代汽車的設(shè)計(jì)優(yōu)化方向。而介于這兩者之間的直線，可以認(rèn)為是當(dāng)前技術(shù)條件下的平均水平線。如圖3所示。

圖3 第一階段與第二階段限值對(duì)比平均限值

3 電動(dòng)汽車?yán)m(xù)駛里程初步設(shè)計(jì)

電動(dòng)汽車的設(shè)計(jì)仿真需要眾多參數(shù)，在前期決策定位做一款預(yù)知重量和預(yù)知續(xù)駛能力的汽車之前，獲得汽車的電機(jī)、電池、車輪型號(hào)等詳細(xì)參數(shù)非常困難，所以我們要找另外一條較為精確而便捷的途徑去設(shè)計(jì)該階段的電動(dòng)汽車。

前期設(shè)計(jì)最關(guān)注的參數(shù)是：汽車整備質(zhì)量、汽車?yán)m(xù)駛里程、電池包電量。這些參數(shù)間接相關(guān)度最大的參數(shù)是：車身質(zhì)量（不包含電池包質(zhì)量）、電池包質(zhì)量、電池包綜合能量密度。

這些參數(shù)的關(guān)系如下：

由以上理論推得以下應(yīng)用：

3.1 設(shè)計(jì)電池的配電量與汽車整備質(zhì)量

由公式（3）（4）（5）（6）可知，若已知車身重量、續(xù)駛里程，當(dāng)前技術(shù)下的電池包能量密度。則根據(jù)續(xù)駛里程求出電池電量，從而求出電池的電量以及汽車的整備質(zhì)量。若將（3）式替換為（1）式，則可得出保守的設(shè)計(jì)結(jié)果。若將（3）式替換成（2）式，則設(shè)計(jì)出當(dāng)前技術(shù)條件下過于樂觀的結(jié)果。

應(yīng)用示例：已知車身重量 700kg，配置兩款電池，一款使續(xù)駛里程達(dá)到100km，一款使續(xù)駛里程達(dá)到150km，當(dāng)前電池包技術(shù)平均水平密度為120Wh/kg，求配置的兩個(gè)電池包的配電量以及配置后整車整備質(zhì)量。

由以上公式求得表3結(jié)果。

表3 已知車身重量以及續(xù)駛里程，計(jì)算電池電量與整車整備質(zhì)量

3.2 設(shè)計(jì)電池配電量與車身質(zhì)量

依然如3.1所示公式，如果決策者需要做一款整備質(zhì)量和續(xù)駛里程受控的汽車，則汽車整備質(zhì)量已知，電池質(zhì)量與車身質(zhì)量未知。依然可以使用保守設(shè)計(jì)，平均水平設(shè)計(jì)，過于樂觀設(shè)計(jì)三種設(shè)計(jì)方式，求得應(yīng)該配置的電池電量以及車身必須控制的質(zhì)量限值。

應(yīng)用示例：已知整備質(zhì)量1000kg，配置兩款電池，一款使續(xù)駛里程達(dá)到100km，一款使續(xù)駛里程達(dá)到150km，當(dāng)前電池包技術(shù)平均水平密度為120Wh/kg，求配置的兩個(gè)電池包的配電量以及配置后的車身質(zhì)量。

由以上公式求得表4結(jié)果。

3.3 估算汽車的續(xù)駛里程

依然如 3.1所示公式，如果決策者已經(jīng)決定使用某兩款電池，搭配在現(xiàn)有汽車車身上，則汽車車身質(zhì)量與電池電量已知，汽車?yán)m(xù)駛里程位置。依然可以使用保守設(shè)計(jì)，平均水平設(shè)計(jì)，過于樂觀設(shè)計(jì)三種設(shè)計(jì)方式，求得汽車的續(xù)駛里程。

該工作屬于正向仿真，在數(shù)據(jù)充足的情況下使用仿真工具可以較精確的仿真計(jì)算求得。而本文重點(diǎn)描述基于百公里能耗指標(biāo)的初步快速設(shè)計(jì)，需求參數(shù)少，計(jì)算速度快。也可以應(yīng)用于仿真結(jié)果的一次校驗(yàn)。

應(yīng)用示例：已知車身質(zhì)量1000kg，配置兩款電池，一款電池20kWh，一款電池30kWh，當(dāng)前電池包技術(shù)平均水平密度為120Wh/kg，求兩種配置的續(xù)駛里程。

由以上公式求得表5結(jié)果。

表4 已知汽車整備質(zhì)量以及續(xù)駛里程，計(jì)算電池電量與車身質(zhì)量

表5 已知汽車整備質(zhì)量以及電池電量，計(jì)算汽車?yán)m(xù)駛里程

4 試驗(yàn)驗(yàn)證與評(píng)價(jià)

由前面論述可知，汽車經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)可以從續(xù)駛里程和百公里能耗兩個(gè)維度去評(píng)價(jià)。續(xù)駛里程直接與用戶的利益以及國家補(bǔ)貼政策相關(guān)，而百公里能耗指標(biāo)更偏向于汽車制造商的技術(shù)水平。該指標(biāo)綜合了汽車的很多因素，主要是電池包的能量密度、汽車動(dòng)力系統(tǒng)的綜合效率，車身外觀形貌確定的空氣阻力系數(shù)等。

但是，如果汽車的整備質(zhì)量不同，兩款汽車在該參數(shù)的對(duì)比性就不強(qiáng)。該物理量對(duì)于很多非汽車研發(fā)專業(yè)的人員來說也不易理解。因此，運(yùn)用一種等級(jí)評(píng)分制度，完成所有純電動(dòng)汽車在這個(gè)方向的技術(shù)能力比較。

評(píng)分方法如下：已知一輛汽車的整備質(zhì)量為，續(xù)駛里程為，電池包電量為，則計(jì)算得其百公里能耗為。將恰好滿足第一階段能耗指標(biāo)的汽車評(píng)分為60分，將恰好滿足第二階段能耗指標(biāo)的汽車評(píng)分為100分，而之間的分?jǐn)?shù)線性分布，則分?jǐn)?shù)折算公式推導(dǎo)如下：

由（6）式計(jì)算該汽車實(shí)測(cè)百公里能耗參數(shù)，由（1）式計(jì)算合格分?jǐn)?shù)狀態(tài)的百公里能耗參數(shù)，由（2）式計(jì)算滿分分?jǐn)?shù)狀態(tài)的百公里能耗參數(shù)。則，由（7）式可計(jì)算該汽車的能耗分值Score。

表6 市場(chǎng)上隨機(jī)選7款汽車能耗評(píng)分表

顯然，表3、表4、表5中的保守設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)于能耗分值為60分，平均水平設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)的能耗分值為80分，過于樂觀設(shè)計(jì)的能耗分值為100分。

找7款汽車的測(cè)試數(shù)據(jù)做比較，并評(píng)分，其分值如表6所示，在整備質(zhì)量-百公里能耗圖中的位置如圖4所示。

圖4 7款汽車的能耗參數(shù)位置圖

5 結(jié)論

本文闡述了一種電動(dòng)汽車?yán)m(xù)駛里程及其能耗技術(shù)水平的設(shè)計(jì)與評(píng)分方法，經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，該方法設(shè)計(jì)精度在±6.6%以內(nèi)，并建立了一套評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)，將現(xiàn)有的車型納入評(píng)分體系中，令該維度下各種類型的車相互比較變得直觀可辨。另外，本文的評(píng)分與設(shè)計(jì)均不使用分段函數(shù)，因?yàn)閿?shù)據(jù)線性相關(guān)度較強(qiáng)，不需要分段指定。工程上希望表1與表2的國家政策以連續(xù)函數(shù)的形式表述，這樣工程上可以做非常細(xì)化和多樣的決策。標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定了續(xù)駛里程分為80公里、150公里、250公里三個(gè)檔次，則出現(xiàn)90公里、160公里、260公里的情況就會(huì)比較多，這樣的補(bǔ)貼政策將影響純電動(dòng)汽車很多細(xì)化市場(chǎng)的發(fā)展。

[1] 經(jīng)濟(jì)參考報(bào)http://finance.ifeng.com/a/20171012/15718821_0.shtml.

[2] 江澤民.對(duì)中國能源問題的思考[J].上海交通大學(xué)學(xué)報(bào),2008,(03):345-359.

[3] 北京市經(jīng)濟(jì)和信息化委員會(huì).北京市“十二五”時(shí)期汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃［EB /OL］.［2011－11－25］.http:∥www.bjeit.gov.cn /zwgk/tzgg /201110 /t20111027_19140. Htm.

[4] http://jjs.mof.gov.cn/zhengwuxinxi/tongzhigonggao/201612/t201612 29 _2508628.html

[5] Dennis Doerffel,Suleiman Abu-Sharkh.Performanceevaluation of a low cost series hybridelectric vehicle［C］∥in the 19th TheInterna tional Electric Vehicle Symposium andExposition(EVS－19) ,Busan,Korea,19－23October,2002: 647－653.

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[9] 陳勇.純電動(dòng)汽車的評(píng)價(jià)方法研究[J].北京信息科技大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2012,27(01):47-51.