基于大數(shù)據(jù)的PHEV發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率對(duì)使用成本的影響分析

摘 要：高效發(fā)動(dòng)機(jī)在節(jié)省燃油和使用成本的同時(shí)通常伴隨生產(chǎn)成本提高。本文針對(duì)PHEV發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率對(duì)使用成本影響問題，分別在法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)工況以及綜合考慮實(shí)際單日出行里程、環(huán)境溫度和實(shí)際行駛因素的用戶實(shí)際使用工況下，進(jìn)行使用成本進(jìn)行分析。結(jié)果表明，對(duì)于業(yè)內(nèi)兩種不同典型熱效率水平的發(fā)動(dòng)機(jī)，在法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)工況下每10萬km使用成本差異為120-315元，在實(shí)際用戶工況下每10萬km使用成本差異為145-359元。主機(jī)廠在發(fā)展高效發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)，可參考本文使用成本變化合理控制生產(chǎn)成本增量。

關(guān)鍵詞：混合動(dòng)力 使用成本 發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率 大數(shù)據(jù)

1 緒論

進(jìn)入21世紀(jì)以來，隨著能源問題日益緊張，電動(dòng)化和高效化并行發(fā)展已成為汽車行業(yè)發(fā)展的主流趨勢(shì)[1]。隨著電動(dòng)化程度逐漸加深，市場(chǎng)陸續(xù)出現(xiàn)非插電混合動(dòng)力汽車（HEV）、插電式混合電動(dòng)汽車（PHEV）和純電動(dòng)汽車（EV）多種技術(shù)路線，發(fā)展至今PHEV和EV已占據(jù)30%以上的市場(chǎng)份額[2-3]。與此同時(shí)，針對(duì)傳統(tǒng)動(dòng)力源發(fā)動(dòng)機(jī)的高效化改進(jìn)也在持續(xù)進(jìn)行[4-5]，該技術(shù)可以使汽車在滿足嚴(yán)格的排放標(biāo)準(zhǔn)的同時(shí)，能夠滿足日益挑戰(zhàn)性的市場(chǎng)需求，為消費(fèi)者提供更具經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保性的出行選擇。截至目前，高效混動(dòng)專用發(fā)動(dòng)機(jī)最大熱效率通常可達(dá)到43%左右[6-7]。

然而，盡管發(fā)動(dòng)機(jī)的高效化提高了整體性能，卻伴隨著生產(chǎn)成本的明顯提升。這種效率提升通常涉及復(fù)雜的工程設(shè)計(jì)、先進(jìn)的材料科技以及精密的制造過程，這些因素共同推動(dòng)了發(fā)動(dòng)機(jī)的性能水平[8-9]；制造環(huán)節(jié)引入這些創(chuàng)新也導(dǎo)致了昂貴的研發(fā)和生產(chǎn)成本[10]。同時(shí)這種效率提升帶來的節(jié)能效果在某種程度上受到油耗基數(shù)減小的制約，逐漸顯得弱化。以PHEV車型為例，它具有電和油兩個(gè)不同的能量源，與傳統(tǒng)能源汽車相比，對(duì)能量的使用方法不同，其具有電量消耗（CD）和電量保持（CS）兩種工作模式[11-12]。在CD模式中，當(dāng)車輛電池SOC處于較高階段時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)通常不會(huì)啟動(dòng)，而是由電池驅(qū)動(dòng)車輛行駛，僅產(chǎn)生電耗而不產(chǎn)生油耗。而在CS模式下，當(dāng)車輛電池SOC降至較低水平時(shí)，車輛旨在保持電池SOC的基本平衡。在這種情況下，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)判定是否啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，因此發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率對(duì)能耗的影響主要體現(xiàn)在CS階段[13]。因此，對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)使用成本的計(jì)算變得尤為重要，只有當(dāng)生產(chǎn)成本和使用成本達(dá)成平衡才能更好地滿足客戶需求。

用戶在用戶實(shí)際使用過程中，選擇為車輛充電或加油與多種因素相關(guān)，難以準(zhǔn)確估計(jì)單個(gè)用戶的使用規(guī)律。但對(duì)于用戶群體，可以通過大數(shù)據(jù)對(duì)用戶在不同時(shí)間、地點(diǎn)和場(chǎng)景下的能源消耗模式進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，從而更準(zhǔn)確地計(jì)算用戶的使用成本。

2 車輛參數(shù)及模型搭建

本文以某款混合動(dòng)力中型轎車為基礎(chǔ)對(duì)使用成本進(jìn)行分析。該車使用串并聯(lián)混合動(dòng)力構(gòu)型，其動(dòng)力系統(tǒng)構(gòu)型如圖1所示，發(fā)動(dòng)機(jī)通過離合器和固定速比減速器與車輪相連，發(fā)電機(jī)位于離合器輸入端相連，驅(qū)動(dòng)電機(jī)位于離合器輸出端。該車具有串聯(lián)和并聯(lián)兩種混合動(dòng)力模式，在低速下離合器斷開，進(jìn)入串聯(lián)模式，由發(fā)動(dòng)機(jī)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，電能輸送至驅(qū)動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)車輛行駛；高速下離合器接合，進(jìn)入并聯(lián)模式，發(fā)動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)車輛，驅(qū)動(dòng)電機(jī)利用電池電能進(jìn)行發(fā)電或助力。

為探究發(fā)動(dòng)機(jī)效率對(duì)使用成本的影響，本文選取兩種典型的發(fā)動(dòng)機(jī)效率：2020年以前，高效發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)多被國外品牌掌握，其最高熱效率為41%左右[14]，2021年起國內(nèi)品牌PHEV得到迅速發(fā)展，陸續(xù)推出搭載多種效率提升技術(shù)的發(fā)動(dòng)機(jī)，其熱效率可達(dá)到43%左右[15-16]，因此選取41%和43%作為兩種典型熱效率水平。另外，車輛純電續(xù)駛里程對(duì)用戶使用特征有較大影響，本文在市面常見的PHEV純電續(xù)駛里程區(qū)間100～200km中選取三個(gè)典型值進(jìn)行分析。為避免其他因素影響，假設(shè)車輛其他參數(shù)均一致。整車及動(dòng)力系統(tǒng)主要參數(shù)如表1所示。

根據(jù)以上參數(shù)，基于成熟的商業(yè)化仿真軟件平臺(tái)AMESim搭建仿真模型，用于后續(xù)能耗計(jì)算。（圖2）

3 基于法規(guī)的PHEV使用成本分析

GB/T 19753-2021《輕型混合動(dòng)力電動(dòng)汽車能量消耗量試驗(yàn)方法》中，基于全國范圍車輛出行半徑及使用行為特征數(shù)據(jù)，提出一種基于出行鏈的純電利用系數(shù)計(jì)算方法，用以表征車輛兩次充電間的里程分配權(quán)重[17]。本章基于此算法對(duì)用戶使用成本進(jìn)行分析。

3.1 法規(guī)計(jì)算方法介紹

國標(biāo)中定義了純電利用系數(shù)UF，定義為一天行駛中車輛處于電量消耗（CD）模式的里程比例，其計(jì)算方法如下：

式中，x為指數(shù)參數(shù)序號(hào)；k為指數(shù)參數(shù)個(gè)數(shù)，此處為10；為第x個(gè)系數(shù)，取值如表2；為兩次充電間的最大行駛里程，取值如表2；為電量消耗循環(huán)里程，在本文中為車輛的純電續(xù)駛里程。

根據(jù)式1，可得車輛純電續(xù)駛里程與純電利用系數(shù)關(guān)系如圖3所示。其中純電續(xù)駛里程100、150、200km對(duì)應(yīng)的純電利用系數(shù)分別為0.792、0.877和0.923。該數(shù)據(jù)說明對(duì)于PHEV來說，絕大多數(shù)情況車輛處于CD工作模式，油耗對(duì)于使用成本的影響較小。

3.2 基于法規(guī)的用戶使用成本分析

根據(jù)上文所述的整車能耗模型，對(duì)兩種不同發(fā)動(dòng)機(jī)效率對(duì)應(yīng)的油耗進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果如表3。按照油價(jià)7.5元/L計(jì)算，CS模式每100km兩種方案使用成本差值僅為1.5元。

考慮車輛使用中CD和CS模式的比例，使用成本計(jì)算方法為

式中T為總使用成本；為CD模式使用成本；為CS模式使用成本；為CD模式單位里程行駛成本；為CS模式單位里程行駛成本，R為總行駛里程。

根據(jù)上式，分別計(jì)算每種純電續(xù)駛里程下，發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率差異造成的用戶使用成本差異，如圖4?？梢妰煞N發(fā)動(dòng)機(jī)在10萬km的用戶使用成本為120～315元不等。

4 基于大數(shù)據(jù)的PHEV使用成本分析

基于法規(guī)的用戶使用特征更加偏向理想化使用場(chǎng)景，與真實(shí)使用場(chǎng)景可能存在差別，主要體現(xiàn)在：1.用戶實(shí)際日出行里程分布特征與法規(guī)不一致；2.受溫度和行駛工況因素影響，車輛實(shí)際油耗和純電續(xù)駛里程可能與公告申報(bào)值存在差異。因此需要借助大數(shù)據(jù)平臺(tái)對(duì)車輛實(shí)際使用狀態(tài)進(jìn)行分析。本文所使用的大數(shù)據(jù)平臺(tái)包括超25萬條數(shù)據(jù)樣本，包括傳統(tǒng)車、HEV、PHEV、EV等多種類型車型，對(duì)于宏觀描述車輛在不同環(huán)境下的使用狀態(tài)具有重要意義。

4.1 實(shí)際用戶日出行里程比例分布

對(duì)用戶每日實(shí)際出行里程分布進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，如圖5所示?？梢姶蟛糠钟脩羧粘鲂欣锍滩蛔?0km，對(duì)于PHEV車型完全可以使用純電動(dòng)模式覆蓋。不同純電里程對(duì)日出行里程的覆蓋度如圖6所示?？梢娪脩魧?shí)際使用中，日出行里程比法規(guī)中更短，相同純電里程實(shí)現(xiàn)的覆蓋度更大。

4.2 實(shí)際用戶純電里程達(dá)成率分析

用戶實(shí)際使用中，溫度是導(dǎo)致實(shí)際純電里程與油耗與公告申報(bào)值存在差異的最重要因素。因此對(duì)某車型一定地區(qū)內(nèi)全年使用數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，將溫度劃分為常溫、高溫、低溫區(qū)間，得到不同溫度區(qū)間分布占比，如表4。

為單獨(dú)分析溫度對(duì)純電續(xù)駛里程的影響，選取某純電動(dòng)車型為研究對(duì)象，根據(jù)環(huán)境溫度對(duì)平均純電里程達(dá)成率進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，如表5。可見低溫對(duì)純電續(xù)駛里程影響幅度較大，可使續(xù)駛里程縮短一半以上。

根據(jù)表5得到的純電里程達(dá)成率，推測(cè)不同標(biāo)稱純電里程PHEV在不同環(huán)境溫度下可達(dá)成的實(shí)際純電里程如表6。

根據(jù)圖6的日出行里程覆蓋率曲線，可得到表7純電里程對(duì)應(yīng)的覆蓋度。

4.3 實(shí)際用戶油耗達(dá)成率分析

為單獨(dú)分析溫度對(duì)油耗影響，需保證車輛處于電量基本平衡狀態(tài)，因此選取某采用相同混動(dòng)構(gòu)型的HEV車型為研究對(duì)象，根據(jù)環(huán)境溫度對(duì)車輛油耗進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，如表8。可見低溫對(duì)油耗影響幅度也較大。

據(jù)此推測(cè)實(shí)際油耗達(dá)成情況如表9所示。

4.4 實(shí)際用戶使用成本分析

根據(jù)以上分析，在用戶實(shí)際使用工況中常溫、高溫和低溫環(huán)境下的使用成本分別如圖7至圖9所示。兩種不同發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率在10萬km對(duì)使用成本影響最低僅93元，最高也僅有597元。

結(jié)合表4所示的溫度分布，綜合使用成本如圖10所示，發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率對(duì)10萬km使用成本影響在145～359元不等。

5 結(jié)論

本文僅從使用成本角度分析，認(rèn)為發(fā)動(dòng)機(jī)效率對(duì)使用成本影響較小。對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率41%和43%的兩種方案，在法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)工況下每10萬km使用成本差異為120～315元。在大數(shù)據(jù)展現(xiàn)的用戶實(shí)際使用場(chǎng)景下，綜合考慮用戶實(shí)際單日出行里程及不同溫度下實(shí)際行駛工況達(dá)成的油耗和純電里程因素，每10萬km使用成本相差145～359元。主機(jī)廠在發(fā)展高效發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)，可參考本文的使用成本變化，根據(jù)自身具備的技術(shù)條件選擇合理的熱效率水平和控制生產(chǎn)成本增量。

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