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基于大数据的电动乘用车主参数和主性能分析
2020-06-03 00:12:44· 来源：《基于大数据的电动乘用车主参数和主性能分析》 作者：北京长城华冠汽车研发有限公司
1 前言从2014年8月到2019年12月工信部先后发布了29批《免征车辆购置税的新能源汽车车型目录》，经过几年的电动汽车的研发与实践，从电动汽车的策划、设计、试制
1 前言
从2014年8月到2019年12月工信部先后发布了29批《免征车辆购置税的新能源汽车车型目录》，经过几年的电动汽车的研发与实践，从电动汽车的策划、设计、试制、试验再到生产都有了长足的进步。现在以截至2019年12月的产品公告技术数据为基础，从宏观的整体技术参数与性能方面做一下盘点，文献对2014～2017年的产品进行了分析与评价，文献对2014～2019年产品的能量密度及续驶里程进行过解析，本文作为补充，再从其它的维度（包括车型尺寸、质量、电机动力和电量消耗等）进行梳理，重点对主参数和主性能做一次全面的总结。
2 整备质量与车辆尺寸
2.1 车辆尺寸与级别
乘用车按形体分类，按大小分级。同一级别中，又以动力功率（发动机排量）、驱动型式、手动（自动）变速器、装备等进行细分。图1是轿车的分级，是基于车型尺寸的大小，也就是基于车长和车宽进行的分级。中国车型的分级为：微型车（A00）、小型车（A0）、紧凑型车（A）、中型车（B）、大型车（C）、豪华型（D）及礼宾型（E）等；电动乘用车，除了动力源（电池代替燃油、电机代替发动机）和相应附件及控制不同外，其它基本与传统汽车相同。作为传统燃油汽车的补充或未来的替代产品之一，电动乘用车各方面与传统车的对比至关重要，尤其在外观、驾驶、乘坐和操控感觉等方面更是如此。
2.2 燃油乘用车的整备质量与广义体积
按汽车的分级，高级别的车型，尺寸大而宽敞、乘坐舒适可靠、操控轻便平稳、动力强劲有力、装备齐全华美、甚至车体带升降功能以提高通过性。这些总体上说都是最终以重量（质量）增加为代价的。总之车辆越大，整备质量也越大，图2是以中国某年注册的燃油乘用车为样本，统计两厢轿车、三厢轿车、SUV、MPV或小客车，按不同级别计算的平均值：包括平均广义体积（车长×车宽×车高）和平均的整备质量。比如A级的三厢轿车，平均广义体积为11.92 m3，平均整备质量是1 285 kg。
2.3 电动乘用车的整备质量与广义体积
用同样的方法，统计电动车的外形尺寸，并与相应的整车整备质量关联，得到电动乘用车的整备质量与广义体积的关系如图3，从目前电动车样本的统计看，其平均线是：
式中M 为整车整备质量，V 为广义体积。
图3给出了平均线的0.8～1.2倍数线，其内涵盖了绝大多数的车型样本值，超出范围的车型样本很少。与燃油车相比，同样大小的车体，电动汽车的整备质量大。从目前的统计看，小型车的整备质量差别较大。大型车的整备质量差别较小，可能是目前电动车样本的最高车速较低的缘故。用2.2中所述平均广义体积为11.92 m3的传统A级车，算得电动车的平均质量是1 464.5 kg（用V=11.92代入式（1）得出）。
2.4 不含电池的整车质量与广义体积
电动乘用车与传统燃油汽车比，能源和动力系统是主要区别，其中电池是电动汽车比燃油汽车重的根本因素，也就是说电动汽车的广义密度（整备质量与广义体积之比）比传统的燃油车大，都是电池的能量密度不高引起的。当电池的能量密度一定时，电池的能量大小取决于电池的质量，电池的能量决定了续驶里程，但质量的增加反过来又限制了续航能力。对于电动汽车，轻量化更显得重要，一方面车要减重，另一方面电池也要控制重量。因此，将整车整备质量M 分解成“不含电池的整车质量M1”和“电池系统的质量M2”两部分，M=M1+M2，对一个确定的车型，假定M1是基本不变的，可当作一个常数，M2是决定总电能和续航里程的关键因素。图4是不含动力电池的整车质量M1与广义体积V 的统计关系，是基于现有的电动车产品样本，其平均线为：
用V=11.92 m3代入式（2），得不含电池的整车质量平均值是M1=1 147.2 kg。由此动力电池系统的平均质量可通过式M2=M–M1 计算得到其结果，也即是M2=1 464.5–1 147.2=317.3 kg。
2.5 动力电池系统的质量与广义体积
同样的能量密度下，动力电池越重，整车的能量越大，续航里程也越长，图5为现有电动车产品的电池质量(M2)与整车广义体积V 的对应散点图，其平均线表示为：
图5给出的±50 kg和±100 kg所包围区域。若用A 级车的平均广义体积V=11.92 m3，代入式（3）后得M2=317.1 kg，与2.4所算的结果317.3相差0.2 kg。
3 电机动力与整车整备质量
3.1 电动机的功率与整备质量
如同燃油汽车，若想获得良好的动力性，必须有动力强劲的发动机作为支撑，电动汽车也一样，好的动力依赖于好的电机动力输出。回顾2019年之前的电动乘用车产品，统计研究电机总功率与整备质量的关系（图6）其平均线可用Pe来表达。
图6 中以平均线为中心，上下扩展其倍数线，（0.4～2.0或更大），本文称之为“动力强劲度级别”。对应本例中M=1 465 kg，不同级点的功率值分别是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。
3.2 电机的峰值功率与峰值转矩
在传统的汽车中，发动机的最大功率和最大转矩是最重要的性能指标，它决定了汽车的动力性能。对于电动汽车来说，相当于动力电机的峰值功率和峰值转矩，从汽车公告中提取相应的数据，形成车型样本的单电机功率转矩如图7所示。从现样本中得：单电机的平均转矩为：
主要区间为：Te=（0.8～1.2）（116.7ln(Pe)-273.3）。如果选用68 kW的电机，它的转矩可能在（175（0.8）～263（1.2））N·m之间，平均值是219 N·m。
3.3 转矩与整备质量
关联电机总的峰值转矩与整备质量，得到图8，总体的关联性可用线性关系表达。目前产品的平均线可表示为：
整体的数据基本分布在（0.6～2.0）倍距的范围内，也就是说现有的产品基本分布在Te=（0.6～2.0）（0.215 8M-81.5）之间。从动力性表现上说，从下到上，转矩强劲度增强（加速时间短、反应速度快），还是以整备质量为1 465 kg的电动轿车为例，当前产品的转矩分布范围是(140(0.6)～373(1.6))N·m，平均值是233 N·m。
3.4 电池能量与整备质量
对于一个设定的车型，动力电池的能量配备如何，不一定是能量越大越好，能量越大电池质量也越大，视用户群体的不同，要把握一个度。随着技术的进步，电池的能量密度逐年提高，用近两年（2018～2019年）的样本数据，制作的图9表达了整车能量与整备质量的关系，公式为：
式（7）表达整体的能量平均线与整备质量的函数关系。其中Ee=(0.7～1.4) (52.8ln(M-337.4）也覆盖了绝大多数的数据，基本代表近2年的产品情况。
3.5 续驶里程与整备质量
NEDC工况下的续驶里程与整车整备质量的对应关系用图10表示，图中的数据同样是以近2年的产品为样本，其数据特征如归结为对数函数表达，整体的数据基本由Sn=(0.6～1.4) (242.63ln(M-142）所包络，中心线为：
式（8）为目前的平均续驶里程线与整备质量的函数关系。但从目前来看，电动车的续驶里程尚未达到用户的理想预期。
4 乘用车电耗与整备质量
4.1 乘用车电耗的法规限值
为节能减排，保护环境，国家于2018年12月28日发布了GB/T 36980—2018《电动汽车能量消耗率限值》，并在2019年7月1日开始实施，标准中分2个阶段（1阶段和2阶段），其限值延用了乘用车燃油消耗量限值的表达方式，同样是按整车整备质量分段，将其表格转化阶梯图，如图11表示，将其阶梯图化为线性图，用公式表达能量消耗率为：
电动汽车能量消耗率限值是强制性的，不满足的不允许上市，对于整备质量为1.465 t 电动车，计算得：YS1=16.6 kW·h/100 km（查表也是16.7），YS2=14.2 kW·h/100 km（查表也是14.3），也就是说，1.465 t的乘用车，现阶段的电量消耗必须<16.7 kW·h/100 km 才可上市，到2 阶段时，则须<14.3 kW·h/100 km才允许销售。
4.2 乘用车的电能消耗与整备质量
在汽车企业上报新能源汽车车型目录时，车型的油耗或者电耗是必须上报的主要参数，从汽车公告数据中，搜寻电动乘用车的电耗数据，2018年～2019年的NEDC工况下电耗与整备质量，用图12表示。
式（11）覆盖了所有的电耗点，平均水平线可用Y=8.16ln(M)-45.12表示。除了3个点（2019年7月1日法规发布前的车型外），都满足电耗限值标准（第1阶段）的要求，并有近一半以上同时满足第2阶段的要求。另外整备质量小的更容易达到限值的要求，鼓励汽车小型化。
4.3 乘用车的广义电耗
电动汽车的电耗，在产品开发的定义和设计阶段通常是通过计算或比对获得，到有样车时再通过实测来确认，最终以产品的实测为准。在设计、试制、试验和改进过程中会越来越好。在策划阶段，通常经过市场分析、趋势分析、法规分析、产品对标及产品定位等方方面面来确定电耗的指标（目标），在规划前期，为简单方便，可先用广义电耗来估算，即用电池的总能量除以续驶里程来估计电耗的量级。图13是广义电汽车文摘4汽车文摘耗与整备质量的关系图。
4.4 综合电耗与广义电耗比
综合电耗和续驶里程是在特定试验条件下测出的，和汽车的燃油消耗量一样，目前都是用“NEDC工况”，未来将要统一成“WLTC工况”，但无论哪一个工况，同一类车型的相互比较，可比性强，但与千差万别的道路驾驶相比也一定是有出入的。总结一下广义电耗与综合电耗的差别，有利于前期的正确评估。从图14知，综合电耗与广义电耗较为接近：
在前期简单估算时，可用广义电耗代之进行先期的计算和评估。
5 动力性能与整备质量
5.1 比功率与最高车速
汽车的速度越高需要的功率越大、能耗也越高。在汽车产品中，有动力型和经济型之分，经济型汽车最高车速不高，但节能、适合于市内代步。不论是燃油车还是电动车，汽车的最高车速都与比功率(功率与质量之比)强相关，目前电动乘用车的比功率与最高车速如图15所示，图中标出了部分外国品牌代表车型在图中的位置。
5.2 最高车速与整备质量
用近年电动乘用车的最高车速与对应的整备质量形成图16（区分中国品牌与部分外国品牌），从近年的车型看，有特斯拉、蔚来、宝沃、捷豹为代表的高动力型（最高车速大），但最高车速在(100～170) km/h的节能适用型产品占绝对的多数。在产品的规划中，根据用户不同的需求，开发出不同的产品，而不一定是一味追求“高车速”的设计，毕竟高速度以高耗能为代价，与节能减排不符。
5.3 功效与整备质量
功效是在文献提出来的，可用来评价车辆内部能力的发挥程度，可通俗地理解为1 kW·h（1度电）的能量能把1 t的质量推送的距离是多少km（公里）。图17是用2018～2019年的电动乘用车样本数据计算并绘制的功效图，图中的平均功效线表达为:
式（14）表达的是当前的中等（平均）水平。
式（15）几乎覆盖了所有的点，显然是Lw 越大越好。
6 结束语
对近6年的产品研发与实践成果作一次总结，尤其是对近2年的产品做一下盘点（复盘），以图的形式回顾一下电动汽车的主参数和主性能。其做法是作相关数据的散点图并进行趋势线分析，以平均趋势线为基准，对相关参数与性能进行级别的划线（做台阶），形成基于现有数据的评价图。在产品的更新与换代时，可对照原有产品所在的位置，确立新产品的目标点，让每一次开发都有进步或跨跃一个新台阶。
汽车是一个复杂的系统，针对客户的不同需求，必须从结构、性能、成本、美学等方面入手，综合权衡各种细节因素，不能指望各方面全优，需要取舍，需要综合平衡，开发恰当的适销对路的产品才是企业获得竞争优势的根本。
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