自動駕駛對汽車燃油效率的潛在影響分析

任煥煥 劉勇 陳川 冉純嘉

關鍵詞：自動駕駛 燃油效率 影響

1引言

自動駕駛是影響未來出行方式的重要技術。按照美國汽車工程師學會（簡稱“SAE”）的自動駕駛分級標準，自動駕駛汽車按照汽車操縱的接管程度和駕駛區域分為6 個等級：無自動化（L0）、駕駛支援（L1）、部分自動化（L2）、有條件自動化（L3）、高度自動化（L4）和完全自動化（L5）。參照歐美國家的分類并考慮中國道路交通情況特點，我國智能網聯汽車智能化等級分為：DA（駕駛輔助）、PA（部分自動駕駛）、CA（有條件自動駕駛）、HA（高度自動駕駛）和FA（完全自動駕駛）。

發展自動駕駛汽車有重要的戰略意義。一是，推動新技術應用，培育智能經濟，促進以汽車為載體的芯片、軟件、信息通信、數據服務等產業發展，構建數據驅動、人機協同、跨界融合、共創共享的智能經濟，培養經濟新增長點;二是優化智能交通系統和智慧城市體系，構建智能社會，解決汽車社會帶來的交通安全、道路擁堵、能源消耗、污染排放等問題，滿足智能社會人民群眾日益增長的美好生活需求。

2自動駕駛技術對燃油效率的影響分析

自動駕駛有可能影響車輛設計、駕駛風格，進而影響燃油效率。但是，這些影響具有一定不確定性，現有研究對這些影響進行估計時給出的范圍也比較寬泛。現有文獻資料中有可能會影響燃油效率的因素分為以下幾類：（1）緩解交通擁堵;（2）自動節能駕駛模式;（3）車輛編隊行駛;（4）改變高速路段速度;（5）調節車輛動力系統及車身尺寸;（6）增加輔助功能。

對于上述每一個類別，本研究在充分利用了前人研究成果的基礎上給出了綜合判斷。

2.1緩解交通擁堵

自動駕駛技術可以提升車流整體運行速度，同時也可以減少交通事故的發生頻率[1]，進而緩解交通擁堵，減少能源消耗。Schrank[2] 評估了美國從1982 年以來每年因交通擁堵造成的燃料浪費。該評估結果表明，因交通擁堵造成的燃料浪費比例從1984 年的0.5% 逐步提升到2005 年的1.8%，并且預期到2020 年將達到2.6%。按照這個趨勢向未來遞推，長期來看因交通擁堵造成的燃料浪費比例可能達到近4.2%。因此，若完全消除交通擁堵，現在可減少燃料消耗大約2.4%，長期來看可減少大約4.2%。

2.2自動節能駕駛模式

自動駕駛技術可以推動節能駕駛模式的廣泛使用，這可以在不改變車輛設計的情況下降低燃料消耗量。節能駕駛模式通過兩種方式降低燃料消耗量：一種是使發動機在盡量多路況中處于最經濟的運行狀態，在這種狀態下汽車以較平穩的速度行駛并可以承載更高的負載;另一種方式是在行駛過程中盡量減少頻繁的剎車，剎車會造成能源浪費[3]。

一部分關于節能駕駛模式的文獻聚焦于通過駕駛行為降低燃料消耗量。Barth andBoriboonsomsin[3] 研究認為給駕駛員實時提供駕駛建議可以降低燃料消耗量10-20%。在駕駛模擬器中實時給駕駛員最佳的加速減速建議，可以降低燃料消耗量0%-26%[4]。Degraeuwe and Beusen[5] 研究認為如果沒有持續的提醒，學習了節能駕駛課程的駕駛員仍然會逐漸恢復低能效的駕駛習慣。Berry[6]分析了大量關于節能駕駛行為的研究，發現節能駕駛行為在短途行程中平均可節能20%，在長途行駛中可節能近10%。

另一部分文獻聚焦于通過最優化駕駛循環降低燃料消耗量，最優化駕駛循環需要考慮技術或者法律的限制（如速度限制）和出行時間的控制。在頻繁啟停的市區工況，節能的潛力最大。在嚴重擁堵的路況下，最優化駕駛循環可以減少燃料消耗量35-50%[7]，但是這種路況在實際中僅僅是偶發性的。雷諾科雷傲在最優化駕駛循環情況下，可以比NEDC 工況測試節油16%，這個最優循環兼顧了出行時間和速度限制方面的要求[8]。與實際路況循環相比，節能潛力可高達34%。然而路上其他車輛的干擾，使駕駛員很難沿著最節能的循環駕駛。為與其他車輛保持安全距離的情況，節能效率下降到了15%[9]。混動版豐田普銳斯在最優化駕駛循環模式下比實際路況僅節能10%[10]。這是因為混動技術既可以對制動能量進行回收，又可以使發動機有更多時間處于較經濟的狀態運行。

2.3車輛編隊行駛

自動駕駛和車聯網技術有助于安全、高效地實現車隊編組（即多輛車相互跟隨，緊緊地排成一列，從而減少氣動阻力并降低油耗）。在高速公路上行駛期間，車輛消耗的燃油有很大一部分用于克服氣動阻力。Kasseris[11] 指出在高速公路上行駛期間，克服氣動阻力約占牽引能量需求的50%-75%。

Schito 和Braghin[12] 以輕型貨車編組為研究對象，開展了一系列試驗和分析，以了解車隊編組對交通模式和燃油效率的影響。他們發現，編組后，每輛貨車的氣動阻力降低了大約45%-55%。如果再結合考慮50% 的牽引能量用于克服氣動阻力，則可以估計出車隊編組有可能會節約22.5% 到27.5% 的能量。Zabat[13] 還以面包車為研究對象，通過一系列風洞試驗和數值模擬，評估了車隊編組的節油情況。他們發現，每輛車的平均節油幅度在10% 到30% 之間，而且大多數情況下節油幅度在20% 到25% 之間，具體取決于編組空間、車輛數和其他變量。Wadud[14] 將車隊編組減少的氣動阻力換算為節省的燃油量，評估了車隊編組對燃油效率的影響。研究結果顯示車隊編組可減少20% 到60% 的氣動阻力。根據文獻資料中報告的在高速公路上行駛時克服氣動阻力所需的牽引能量，以及FHWA 統計數據（即高速公路行駛占行駛距離的33% 到55%[11]），綜合評估LDV 的節油范圍應在3% 到25% 之間。

綜合來看，對全自動駕駛車輛來說，車隊編組最多可節省25% 的燃油，但該節油效果僅適用于非高峰時段的高速公路駕駛，因為道路不擁堵、行駛速度快是車隊編組的最有利條件。在半自動駕駛場景中，車隊編組也可實現節油效果。但是，此場景在獲得駕駛員認可和合規方面會面臨一定難度，這會限制節油幅度和/ 或車隊編組系統的編組持續時間。

2.4改變高速路段速度

相對于人類駕駛而言，自動駕駛技術在判斷安全行駛速度時不需要考慮注意時間和反應時間，因此自動駕駛技術可能導致高速行駛時速度提升。這會提升行駛中的能耗，因為空氣阻力損失會隨著速度提升而增加。

為了評估高速行駛速度增加的影響，需要先判斷在沒有速度限制時司機的駕駛速度。目前在美國多數州際公路和其他限速高速，速度限制從88km/h 到113km/h（55-77mph）不等，而實際上州際公路上的平均車速約為105km/h 到113km/h（65-70mph）[15]。在無速度限制條件下估計司機的駕駛速度，我們假設司機會加速到節省時間的邊際收益與增加燃料消耗量的邊際收益相等的速度。本研究中駕駛時間的價值設置為每小時120 元（約為18 美元[16]），燃料價格設置為每升6 元。若沒有速度限制或者安全顧慮，在美國高速公路上，一輛典型車的速度可能提升至127km/h（79mph）[6]。在無限制的德國高速公路上，平均車速可達到140km/h（88mph）[17]。將高速路段速度提升至這一水平會使燃油效率提升20-40%。若高速旅程中33%-55% 的距離達到這個速度水平，輕型車的平均燃油效率會提升7-22%。

2.5調節車輛動力系統及車身尺寸

自動駕駛技術的一個潛在優勢是讓車輛載重量與個人出行需求相匹配。Wadud 認為這是影響車輛燃油效率的潛在因素[14]。他們在研究中假設所有單人出行都乘坐單座汽車，所有雙人出行都乘坐緊湊型汽車，而3到4 人和5 到7 人出行將乘坐中型汽車和商務車。特別是，他們假定單座汽車的燃油效率是緊湊型汽車的一半，并具有同等技術水平。結果顯示，整個車隊的距離加權油耗節省了45%。

Brown 等[18] 單獨分析了車輛小型化的潛在優勢，而且還確認由于自動駕駛技術對動力的要求更加平穩，車輛動力系統也有可能進行小型化。當前的車輛設計通常使用動力性能遠超日常駕駛需要的發動機（因為尺寸是由消費者對快速加速性能的需求決定的）。因此，自動駕駛技術的動力系統尺寸不僅可以隨著車輛尺寸變小而減小，還可以隨著自動駕駛技術放松了對車輛加速性能的需求而減小。因此，發動機尺寸將根據車輛的平均功率要求來確定，而且發動機在燃油效率最高的轉速范圍內運行的時間將更長，從而可以提升整體車輛燃油經濟性。Brown 使用了兩種不同的方法來評估安全有保障后的輕量化與車輛/動力系統小型化的潛在綜合效應。第一種方法是將Burns 等[19] 估計的車隊輕量化（最高減重75%）的巨大潛力與多份參考資料中的說法（即重量每減輕10%，燃油效率就會提高6%-8%）綜合起來考量。由于估計重量會減輕75%，這會導致燃油效率大約提升50%。Brown 還觀察到，現代輕型車輛的銷量加權平均燃油經濟性大約是1994 GeoMetro 的燃油經濟性（47mpg）的一半，因此與真實的輕型、低功率大眾市場車輛比較后估算出了與前一種方法一致的50% 燃油效率改進。

2.6增加特色功能

自動駕駛技術可能使駕駛員將更多的駕駛時間花費在其他活動上。此外駕駛員可能駕駛時間更長，增加汽車使用時間。這些變化可能導致消費者增加對車輛性能和舒適性的需求，進而導致增加汽車重量，導致燃料消耗量增加。整車額外增加安全配置、排放、舒適性、便捷性等性能，美國1989-2010 年新車會平均增重200kg[20]。假設在舒適性和便捷性的需求下，新車平均增重240kg，這些額外增重將會使一輛1452kg 典型車能耗增加11%。

3結語

基于以上分析，本研究可以得出如下結論：

（1）自動駕駛技術可以提升車流整體運行速度，改善燃油效率，長期來看可使實際路況的燃料消耗量降低4.2%。

（2）自動駕駛技術可以使車輛運行在較節能速度區間，使燃料消耗量下降20%。

（3）自動駕駛和車聯網技術有助于安全、高效地實現車隊編組，減小車隊風阻，使燃料消耗量下降25%。

（4）由于自動駕駛技術提升了車輛行駛過程中的安全性，高速路段行駛的安全速度可能相應提升。若高速路段33%-55% 路段達到140km/h，會使燃料消耗量增加7%-22%。

（5）自動駕駛、智能網聯和共享出行綜合影響，可以使駕駛出行的人數與車型大小尺寸更好匹配，從而使燃料消耗量降低45-50%。

（6）駕駛員不再開車的情況下，整車需要額外增加安全配置、排放、舒適性、便捷性等性能，從而增大車重，使燃料消耗量提升約11%。