基于大數(shù)據(jù)的電動(dòng)乘用車主參數(shù)和主性能分析

董學(xué)鋒 張潤祺

（北京長城華冠汽車研發(fā)有限公司，北京 101300）

主題詞：電動(dòng)乘用車 尺寸 質(zhì)量 電耗 續(xù)駛里程 功率 速度

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(jīng)過幾年的電動(dòng)汽車的研發(fā)與實(shí)踐，從電動(dòng)汽車的策劃、設(shè)計(jì)、試制、試驗(yàn)再到生產(chǎn)都有了長足的進(jìn)步。現(xiàn)在以截至2019年12月的產(chǎn)品公告技術(shù)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，從宏觀的整體技術(shù)參數(shù)與性能方面做一下盤點(diǎn)，文獻(xiàn)[1]對(duì)2014～2017年的產(chǎn)品進(jìn)行了分析與評(píng)價(jià)，文獻(xiàn)[2]對(duì)2014～2019年產(chǎn)品的能量密度及續(xù)駛里程進(jìn)行過解析，本文作為補(bǔ)充，再從其它的維度（包括車型尺寸、質(zhì)量、電機(jī)動(dòng)力和電量消耗等）進(jìn)行梳理，重點(diǎn)對(duì)主參數(shù)和主性能做一次全面的總結(jié)。

2 整備質(zhì)量與車輛尺寸

2.1 車輛尺寸與級(jí)別

乘用車按形體分類，按大小分級(jí)。同一級(jí)別中，又以動(dòng)力功率（發(fā)動(dòng)機(jī)排量）、驅(qū)動(dòng)型式、手動(dòng)（自動(dòng)）變速器、裝備等進(jìn)行細(xì)分。圖1是轎車的分級(jí)，是基于車型尺寸的大小，也就是基于車長和車寬進(jìn)行的分級(jí)。中國車型的分級(jí)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(dòng)乘用車，除了動(dòng)力源（電池代替燃油、電機(jī)代替發(fā)動(dòng)機(jī)）和相應(yīng)附件及控制不同外，其它基本與傳統(tǒng)汽車相同。作為傳統(tǒng)燃油汽車的補(bǔ)充或未來的替代產(chǎn)品之一，電動(dòng)乘用車各方面與傳統(tǒng)車的對(duì)比至關(guān)重要，尤其在外觀、駕駛、乘坐和操控感覺等方面更是如此。

圖1 轎車的分級(jí)

2.2 燃油乘用車的整備質(zhì)量與廣義體積

按汽車的分級(jí)，高級(jí)別的車型，尺寸大而寬敞、乘坐舒適可靠、操控輕便平穩(wěn)、動(dòng)力強(qiáng)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(zhì)量）增加為代價(jià)的?？傊囕v越大，整備質(zhì)量也越大，圖2是以中國某年注冊(cè)的燃油乘用車為樣本，統(tǒng)計(jì)兩廂轎車、三廂轎車、SUV、MPV或小客車，按不同級(jí)別計(jì)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(zhì)量。比如A級(jí)的三廂轎車，平均廣義體積為11.92 m3，平均整備質(zhì)量是1 285 kg。

圖2 燃油乘用車的廣義體積和整備質(zhì)量

2.3 電動(dòng)乘用車的整備質(zhì)量與廣義體積

用同樣的方法，統(tǒng)計(jì)電動(dòng)車的外形尺寸，并與相應(yīng)的整車整備質(zhì)量關(guān)聯(lián)，得到電動(dòng)乘用車的整備質(zhì)量與廣義體積的關(guān)系如圖3，從目前電動(dòng)車樣本的統(tǒng)計(jì)看，其平均線是：

式中M為整車整備質(zhì)量，V為廣義體積。

圖3給出了平均線的0.8～1.2倍數(shù)線，其內(nèi)涵蓋了絕大多數(shù)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(dòng)汽車的整備質(zhì)量大。從目前的統(tǒng)計(jì)看，小型車的整備質(zhì)量差別較大。大型車的整備質(zhì)量差別較小，可能是目前電動(dòng)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(tǒng)A級(jí)車，算得電動(dòng)車的平均質(zhì)量是1 464.5 kg（用V=11.92代入式（1）得出）。

圖3 電動(dòng)乘用車的整備質(zhì)量與廣義體積

2.4 不含電池的整車質(zhì)量與廣義體積

電動(dòng)乘用車與傳統(tǒng)燃油汽車比，能源和動(dòng)力系統(tǒng)是主要區(qū)別，其中電池是電動(dòng)汽車比燃油汽車重的根本因素，也就是說電動(dòng)汽車的廣義密度（整備質(zhì)量與廣義體積之比）比傳統(tǒng)的燃油車大，都是電池的能量密度不高引起的。當(dāng)電池的能量密度一定時(shí)，電池的能量大小取決于電池的質(zhì)量，電池的能量決定了續(xù)駛里程，但質(zhì)量的增加反過來又限制了續(xù)航能力。對(duì)于電動(dòng)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(zhì)量M分解成“不含電池的整車質(zhì)量M1”和“電池系統(tǒng)的質(zhì)量M2”兩部分，M=M1+M2，對(duì)一個(gè)確定的車型，假定M1是基本不變的，可當(dāng)作一個(gè)常數(shù)，M2是決定總電能和續(xù)航里程的關(guān)鍵因素。圖4是不含動(dòng)力電池的整車質(zhì)量M1與廣義體積V的統(tǒng)計(jì)關(guān)系，是基于現(xiàn)有的電動(dòng)車產(chǎn)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(zhì)量平均值是M1=1 147.2 kg。由此動(dòng)力電池系統(tǒng)的平均質(zhì)量可通過式M2=M-M1計(jì)算得到其結(jié)果，也即是M2=1 464.5-1 147.2=317.3 kg。

圖4 不含電池的整車質(zhì)量與廣義體積

2.5 動(dòng)力電池系統(tǒng)的質(zhì)量與廣義體積

同樣的能量密度下，動(dòng)力電池越重，整車的能量越大，續(xù)航里程也越長，圖5為現(xiàn)有電動(dòng)車產(chǎn)品的電池質(zhì)量(M2)與整車廣義體積V的對(duì)應(yīng)散點(diǎn)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(jí)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(jié)果317.3相差0.2 kg。

圖5 動(dòng)力電池的質(zhì)量與整車廣義體積

3 電機(jī)動(dòng)力與整車整備質(zhì)量

3.1 電動(dòng)機(jī)的功率與整備質(zhì)量

如同燃油汽車，若想獲得良好的動(dòng)力性，必須有動(dòng)力強(qiáng)勁的發(fā)動(dòng)機(jī)作為支撐，電動(dòng)汽車也一樣，好的動(dòng)力依賴于好的電機(jī)動(dòng)力輸出。回顧2019年之前的電動(dòng)乘用車產(chǎn)品，統(tǒng)計(jì)研究電機(jī)總功率與整備質(zhì)量的關(guān)系（圖6）其平均線可用Pe來表達(dá)。

圖6中以平均線為中心，上下擴(kuò)展其倍數(shù)線，（0.4～2.0或更大），本文稱之為“動(dòng)力強(qiáng)勁度級(jí)別”。對(duì)應(yīng)本例中M=1 465 kg，不同級(jí)點(diǎn)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。

圖6 動(dòng)力電機(jī)總功率與整車整備質(zhì)量

3.2 電機(jī)的峰值功率與峰值轉(zhuǎn)矩

在傳統(tǒng)的汽車中，發(fā)動(dòng)機(jī)的最大功率和最大轉(zhuǎn)矩是最重要的性能指標(biāo)，它決定了汽車的動(dòng)力性能。對(duì)于電動(dòng)汽車來說，相當(dāng)于動(dòng)力電機(jī)的峰值功率和峰值轉(zhuǎn)矩，從汽車公告中提取相應(yīng)的數(shù)據(jù)，形成車型樣本的單電機(jī)功率轉(zhuǎn)矩如圖7所示。從現(xiàn)樣本中得：單電機(jī)的平均轉(zhuǎn)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(jī)，它的轉(zhuǎn)矩可能在（175（0.8）～263（1.2））N·m之間，平均值是219 N·m。

圖7 動(dòng)力電機(jī)的轉(zhuǎn)矩與功率

3.3 轉(zhuǎn)矩與整備質(zhì)量

關(guān)聯(lián)電機(jī)總的峰值轉(zhuǎn)矩與整備質(zhì)量，得到圖8，總體的關(guān)聯(lián)性可用線性關(guān)系表達(dá)。目前產(chǎn)品的平均線可表示為：

整體的數(shù)據(jù)基本分布在（0.6～2.0）倍距的范圍內(nèi)，也就是說現(xiàn)有的產(chǎn)品基本分布在Te=（0.6～2.0）（0.215 8M-81.5）之間。從動(dòng)力性表現(xiàn)上說，從下到上，轉(zhuǎn)矩強(qiáng)勁度增強(qiáng)（加速時(shí)間短、反應(yīng)速度快），還是以整備質(zhì)量為1 465 kg的電動(dòng)轎車為例，當(dāng)前產(chǎn)品的轉(zhuǎn)矩分布范圍是(140(0.6)～373(1.6))N·m，平均值是233 N·m。

圖8 動(dòng)力電機(jī)總轉(zhuǎn)矩與整備質(zhì)量

3.4 電池能量與整備質(zhì)量

對(duì)于一個(gè)設(shè)定的車型，動(dòng)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(zhì)量也越大，視用戶群體的不同，要把握一個(gè)度。隨著技術(shù)的進(jìn)步，電池的能量密度逐年提高[2]，用近兩年（2018～2019年）的樣本數(shù)據(jù)，制作的圖9表達(dá)了整車能量與整備質(zhì)量的關(guān)系，公式為：

式（7）表達(dá)整體的能量平均線與整備質(zhì)量的函數(shù)關(guān)系。其中Ee=(0.7～1.4)(52.8ln(M-337.4）也覆蓋了絕大多數(shù)的數(shù)據(jù)，基本代表近2年的產(chǎn)品情況。

圖9 動(dòng)力電池能量與整備質(zhì)量

3.5 續(xù)駛里程與整備質(zhì)量

NEDC工況下的續(xù)駛里程與整車整備質(zhì)量的對(duì)應(yīng)關(guān)系用圖10表示，圖中的數(shù)據(jù)同樣是以近2年的產(chǎn)品為樣本，其數(shù)據(jù)特征如歸結(jié)為對(duì)數(shù)函數(shù)表達(dá)，整體的數(shù)據(jù)基本由Sn=(0.6～1.4)(242.63ln(M-142）所包絡(luò)，中心線為：

式（8）為目前的平均續(xù)駛里程線與整備質(zhì)量的函數(shù)關(guān)系。但從目前來看，電動(dòng)車的續(xù)駛里程尚未達(dá)到用戶的理想預(yù)期[3]。

圖10 續(xù)駛里程與整備質(zhì)量

4 乘用車電耗與整備質(zhì)量

4.1 乘用車電耗的法規(guī)限值

為節(jié)能減排，保護(hù)環(huán)境，國家于2018年12月28日發(fā)布了GB/T 36980—2018《電動(dòng)汽車能量消耗率限值》，并在2019年7月1日開始實(shí)施[4]，標(biāo)準(zhǔn)中分2個(gè)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(dá)方式，同樣是按整車整備質(zhì)量分段，將其表格轉(zhuǎn)化階梯圖，如圖11表示，將其階梯圖化為線性圖，用公式表達(dá)能量消耗率為：

電動(dòng)汽車能量消耗率限值是強(qiáng)制性的，不滿足的不允許上市，對(duì)于整備質(zhì)量為1.465 t電動(dòng)車，計(jì)算得：YS1=16.6 kW·h/100 km（查表是 16.7），YS2=14.2 kW·h/100 km（查表是14.3），也就是說，1.465 t的乘用車，現(xiàn)階段的電量消耗必須＜16.7 kW·h/100 km才可上市，到2階段時(shí)，則須＜14.3 kW·h/100 km才允許銷售。

圖11 電動(dòng)汽車能量消耗率限值

4.2 乘用車的電能消耗與整備質(zhì)量

在汽車企業(yè)上報(bào)新能源汽車車型目錄時(shí)，車型的油耗或者電耗是必須上報(bào)的主要參數(shù)，從汽車公告數(shù)據(jù)中，搜尋電動(dòng)乘用車的電耗數(shù)據(jù)，2018年～2019年的NEDC工況下電耗與整備質(zhì)量，用圖12表示。

式（11）覆蓋了所有的電耗點(diǎn)，平均水平線可用Y=8.16ln(M)-45.12表示。除了3個(gè)點(diǎn)（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(biāo)準(zhǔn)（第1階段）的要求，并有近一半以上同時(shí)滿足第2階段的要求。另外整備質(zhì)量小的更容易達(dá)到限值的要求，鼓勵(lì)汽車小型化。

圖12 實(shí)際綜合電耗與整備質(zhì)量

4.3 乘用車的廣義電耗

電動(dòng)汽車的電耗，在產(chǎn)品開發(fā)的定義和設(shè)計(jì)階段通常是通過計(jì)算或比對(duì)獲得，到有樣車時(shí)再通過實(shí)測來確認(rèn)，最終以產(chǎn)品的實(shí)測為準(zhǔn)。在設(shè)計(jì)、試制、試驗(yàn)和改進(jìn)過程中會(huì)越來越好。在策劃階段，通常經(jīng)過市場分析、趨勢分析、法規(guī)分析、產(chǎn)品對(duì)標(biāo)及產(chǎn)品定位等方方面面來確定電耗的指標(biāo)（目標(biāo)），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(jì)電耗的量級(jí)。圖13是廣義電耗與整備質(zhì)量的關(guān)系圖。

圖13 廣義電耗與整備質(zhì)量

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(yàn)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(tǒng)一成“WLTC工況”，但無論哪一個(gè)工況，同一類車型的相互比較，可比性強(qiáng)，但與千差萬別的道路駕駛相比也一定是有出入的。總結(jié)一下廣義電耗與綜合電耗的差別，有利于前期的正確評(píng)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(shí)，可用廣義電耗代之進(jìn)行先期的計(jì)算和評(píng)估。

圖14 綜合電耗與廣義電耗

5 動(dòng)力性能與整備質(zhì)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(chǎn)品中，有動(dòng)力型和經(jīng)濟(jì)型之分，經(jīng)濟(jì)型汽車最高車速不高，但節(jié)能、適合于市內(nèi)代步。不論是燃油車還是電動(dòng)車，汽車的最高車速都與比功率(功率與質(zhì)量之比)強(qiáng)相關(guān)，目前電動(dòng)乘用車的比功率與最高車速如圖15所示，圖中標(biāo)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(zhì)量

用近年電動(dòng)乘用車的最高車速與對(duì)應(yīng)的整備質(zhì)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(dòng)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(chǎn)品占絕對(duì)的多數(shù)。在產(chǎn)品的規(guī)劃中，根據(jù)用戶不同的需求，開發(fā)出不同的產(chǎn)品，而不一定是一味追求“高車速”的設(shè)計(jì)，畢竟高速度以高耗能為代價(jià)，與節(jié)能減排不符。

圖15 比功率與最高車速

圖16 最高車速與整備質(zhì)量

5.3 功效與整備質(zhì)量

功效是在文獻(xiàn)[1]提出來的，可用來評(píng)價(jià)車輛內(nèi)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(zhì)量推送的距離是多少km（公里）。圖17是用2018～2019年的電動(dòng)乘用車樣本數(shù)據(jù)計(jì)算并繪制的功效圖，圖中的平均功效線表達(dá)為:

式（14）表達(dá)的是當(dāng)前的中等（平均）水平。

式（15）幾乎覆蓋了所有的點(diǎn)，顯然是Lw越大越好。

圖17 整車的功效與整備質(zhì)量

6 結(jié)束語

對(duì)近6年的產(chǎn)品研發(fā)與實(shí)踐成果作一次總結(jié)，尤其是對(duì)近2年的產(chǎn)品做一下盤點(diǎn)（復(fù)盤），以圖的形式回顧一下電動(dòng)汽車的主參數(shù)和主性能。其做法是作相關(guān)數(shù)據(jù)的散點(diǎn)圖并進(jìn)行趨勢線分析，以平均趨勢線為基準(zhǔn)，對(duì)相關(guān)參數(shù)與性能進(jìn)行級(jí)別的劃線（做臺(tái)階），形成基于現(xiàn)有數(shù)據(jù)的評(píng)價(jià)圖。在產(chǎn)品的更新與換代時(shí)，可對(duì)照原有產(chǎn)品所在的位置，確立新產(chǎn)品的目標(biāo)點(diǎn)，讓每一次開發(fā)都有進(jìn)步或跨躍一個(gè)新臺(tái)階。

汽車是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)，針對(duì)客戶的不同需求，必須從結(jié)構(gòu)、性能、成本、美學(xué)等方面入手，綜合權(quán)衡各種細(xì)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(dāng)?shù)倪m銷對(duì)路的產(chǎn)品才是企業(yè)獲得競爭優(yōu)勢的根本。