插電式混合動力乘用車主性能統計與分析評價

董學鋒

（中國第一汽車集團有限公司研發總院，長春 130011）

主題詞：插電式混合動力乘用車 主性能 統計評價

1 前言

為了提升乘用車節能水平，緩解能源和環境壓力，建立節能與新能源汽車管理長效機制，促進汽車產業健康發展，我國制定了《乘用車企業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。中國在財政和政策上實施免稅等一系列措施以示對新能源汽車發展的積極鼓勵，截至2017年12月，共發布了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》），對其中的插電式混合動力乘用車，列出了汽車生產企業名稱、車輛型號、通用名稱、純電動續駛里程、燃料消耗量、發動機排量、整車整備質量、動力蓄電池組總質量和動力蓄電池組總能量等生產企業信息和基本技術指標。本文針對《目錄》中共89款插電式混合動力乘用車的6項主性能進行統計計算和性能分析，從而得出總體性能趨勢、性能特征及水平。

2 動力電池主性能

2.1 動力電池的能量密度

動力蓄電池的能量密度即動力蓄電池組總能量與其總質量之比。目前，影響新能源汽車發展的瓶頸是電池，動力電池的能量密度尚不理想[1]，體積、質量均較大。兼有內燃機動力和電池電機驅動的雙系統插電式混合動力汽車，在充電設施還不完善的今天，雖然可消除用戶的顧慮，但也大幅提高了汽車結構和性能的復雜程度，整車整備質量和成本也大幅增加。利用《目錄》中插電式混合動力乘用車的相應數據，可得插電式混合動力用動力電池的能量密度平均值是84.83 W·h/kg，明顯低于純電動乘用車的107.45 W·h/kg。以動力電池組總質量Ge為橫坐標，對應的總能量Ee為縱坐標，形成散點圖及趨勢線如圖1所示，其中Ee=0.066 6Ge+2.787 8為趨勢平均線，反映了插電式混合動力乘用車用動力電池的平均性能，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，動力電池組總能量與其總質量之間的關系，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，低于此范圍的樣本有2個。其中電池能量密度最高的一款轎車為“純電動BMW i3升級款增程型”，動力電池的總質量為256 kg，動力蓄電池總能量是33 kW·h。

圖1 動力電池的能量密度

2.2 動力電池質量與整車整備質量

混合動力汽車是內燃機汽車和電動汽車的混合體，是燃油汽車時代向電動汽車時代轉變時期的過渡方案之一[2]，因為具有雙系統，比同級傳統內燃機汽車重100～200 kg；與純電動車相比，其電池數量少、總能量低、純電續駛里程短，所以動力電池質量占比低。同時，混合動力也在通過輕量化技術平衡動力電池帶來的質量增加[3-4]。分析《目錄》中的混合動力乘用車數據，得到動力電池組質量與整車整備質量的占比平均值是8.97%；關聯動力電池組總質量與整車整備質量，生成如圖2所示的散點圖，總體的統計平均線為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，整車整備質量為1 800 kg的混合動力乘用車，動力電池組的質量占比為7%～12%。

圖2 動力電池的質量占比

3 整車主性能

3.1 純電續駛里程與整車能量密度

影響混合動力汽車純電續駛里程的主要因素是汽車的總質量、動力電池組總能量及系統阻力（包括滾阻、風阻和系統效率）等。混合動力乘用車的純電續駛里程是在其整車整備質量基礎上增加100 kg作為試驗質量，按標準的NEDC試驗循環在底盤測功機上測得，稱為工況法續駛里程[5]。將動力電池組總能量與整車整備質量之比定義為整車能量密度Eg，并以它為橫坐標，以純電續駛里程Se為縱坐標，得到圖3所示的純電續駛里程與整車能量密度的關系。兩者之間的統計關系可用Se=10.68Eg-Δ的斜線族來描述，其中Se=10.68Eg-13.736為趨勢平均線，圖中分別給出了取Δ=40、Δ=30、Δ=20、Δ=10和Δ=0的斜線族。Δ反映的是當量的系統消耗里程，Δ越小，說明車輛系統內的能量消耗越小，也體現出越高的產品技術水平。從能量平衡的角度講，插電式混合動力乘用車的純電續駛里程Se≤10.68Eg。

圖3 純電續駛里程與整車能量密度的關系

3.2 電池總能量與質量里程積

引入“質量里程積”[6]的概念，探討電池的總能量Ee與質量里程積GzSe的關系，如圖4所示。圖4中，趨勢平均線為Ee=0.530 3(GzSe)0.6768，相關性R2=0.73，離差基本在±4 kW·h范圍內，主流數據點在±2 kW·h范圍內。同樣，其離差可以理解為由滾動阻力、風阻、電轉化效率及傳動效率的不同所引起。在平均線下方的，能源利用率高，反之，能源利用率低。

圖4 動力電池總能量與質量里程積

3.3 廣義耗電量

將電池的總能量與純電續駛里程之比定義為廣義純電百公里耗電量[6]：

以《目錄》中插電式混合動力乘用車的有關數據為樣本，獲得整車整備質量與廣義百公里耗電量的關系如圖5所示，趨勢平均線表達式為Yp=13.337lnGz-79.121，樣本數據多聚集在趨勢平均值的0.8～1.2倍。即對于插電式混合動力乘用車，其純電續駛里程Se、動力電池總能量Ee及整車整備質量Gz三者之間的關系可簡單描述為：

圖5 廣義耗電量與整備質量的關系

3.4 燃油消耗量與整車整備質量

發動機的燃油經濟性直接影響混合動力汽車的整車經濟性[7-8]，插電式混合動力汽車有時為電驅動，有時為油電混合驅動，如不考慮電耗，且電驅動行駛里程計入燃油驅動里程，燃料消耗量必然較低。圖6所示為混合動力乘用車的燃料消耗量Qs與整車整備質量Gz的關系，其統計平均線可寫成Qs=0.630 4Gz+0.760 3，僅考慮燃料消耗量，較高技術水平的產品在Qs=0.630 4Gz左右，若油耗在Qs=0.630 4Gz+1和Qs=0.630 4Gz+2之間，在混合動力乘用車中油耗較高，即燃油經濟性較差。

圖6 燃料消耗量與整車整備質量的關系

3.5 燃料消耗量與純電續駛里程

混合動力汽車的電動續駛里程分擔了燃料消耗量，因此，其純電續駛里程越長，燃料消耗量也相應變小。燃料消耗量Qs與純電動續駛里程Se的關系如圖7所示，平均趨勢可寫成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。顯然，目前在0.8Qsp附近的，其燃油經濟性好。

3.6 發動機排量與整車整備質量

插電式混合動力汽車的發動機排量隨著整車整備質量的增加而增加，目前，發動機排量主要集中在2.0 L、1.5 L、1.0 L，對應的整車整備質量分別為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BMW i3升級款增程型”，其發動機排量為647 mL，整車整備質量為1 390～1 430 kg。

圖7 燃料消耗量與純電續駛里程

圖8 發動機排量與整車整備質量

4 插電式混合動力乘用車評價

4.1 綜合因數與評價

對于插電式混合動力汽車，我們對技術指標的愿景是：動力電池的能量密度大、純電續駛里程長、整車整備質量小、燃料消耗量低，因此引入綜合因數：

從式（3）可知，綜合因數Le與電池的密度（Ee/Ge）、純電續駛里程Se成正比，與整車整備質量Gz、燃料消耗量QS成反比。綜合因數與整車整備質量的關系如圖9所示，作趨勢平均分析得知：兩者呈線性關系，可表達為Le1=-0.88Gz+3.336。以綜合因數平均線作為評價基準線，定義某車型的綜合因數與其之比為綜合指數，即Qe=Le/Le1。除1個車型外，Qe都在0.2～2.5間。綜合指數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的曲線是綜合指數由高到低的等級線或檔次線。

4.2 動力功效與評價

對于混合動力汽車，定義純電動模式行駛功效Lw=GzSe/Ee，表達動力電池總能量的作用發揮程度，其意義在于動力電池1 kW·h的能量可將整車整備質量為1 t的車輛在標準工況下驅動行駛的距離。功效值大，說明技術水平高，體現出車輛的風阻、滾阻較小、逆變傳動效率較高等技術匹配優勢。

圖9 綜合因數與整車整備質量的關系

圖10所示為利用現有混合動力乘用車樣本數據計算生成的功效散點圖，以整車整備質量為橫軸展開，作樣本的趨勢分析得其平均線為L1.0=1.594 1Gz+5.951 1。以功效趨勢平均線作為評價基準，某型插電混合動力乘用車的功效與其之比稱為功效指數，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個車型外，《目錄》中車輛樣本的功效指數Qw均在0.6～1.4之間。Qw越大，越具有比較優勢。

圖10 插電式混合動力乘用車功效與整車整備質量的關系

4.3 混合動力乘用車的雙積分

根據新能源乘用車車型積分計算方法及其說明，插電式混合動力汽車純電驅動模式續駛里程不低于50 km是獲得積分的必要條件。其標準車型積分是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的插電式混合動力汽車，積分依據是燃料消耗量，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的插電式混合動力汽車，則車型積分依據為電能消耗量，與電動乘用車的“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 結束語

為鼓勵新能源汽車的發展，國家出臺了相關政策，近年很多新能源汽車產品不斷上市，標志著中國新能源汽車的快速發展，本文試圖通過搜集當前的產品數據，進行主參數與主性能的梳理分析與總結，希望捕捉到主性能和主參數中一些規律，為未來新能源汽車的產品開發策劃、制定政策等提供參考依據。