纯电动乘用车能耗指标先进性判定方法研究

李兴虎

（北京航空航天大学 交通科学与工程学院，北京 100191）

纯电动乘用车能耗指标先进性判定方法研究

李兴虎

（北京航空航天大学 交通科学与工程学院，北京 100191）

对《免征车辆购置税的新能源汽车车型目录》中275个纯电动乘用车车型的百公里能耗进行了统计分析，获得了百公里能耗的分布特征，以及不同整备质量区间中百公里能耗的最大、最小值以及均值等特征参数。以275个纯电动乘用车车型的百公里能耗指标为例分析了现行纯电动乘用车百公里能耗指标先进性界限划分方法存在的问题，找到了现行方法的主要不足。提出了纯电动乘用车百公里能耗指标先进性界限划分的拟合直线平移法，并将其应用于纯电动乘用车百公里能耗指标先进性的判定。结果表明，拟合直线平移法操作简单、易于应用、符合纯电动乘用车车型百公里能耗实际分布特点，可用于纯电动乘用车补贴、新车研发和新型纯电动乘用车生产许可依据的制定等，对促进纯电动乘用车节能技术的应用具有重要意义。

纯电动乘用车；百公里能耗；先进性；拟合直线平移法

能耗指标一直是汽车制造商、研发人员、消费者和政府管理部门等关注的汽车关键技术指标之一［1］。对传统乘用车而言，能耗指标（或百公里油耗、燃油效率等）先进性的判定依据已经非常明确。传统乘用车的燃料消耗量限值标准和排放标准中普遍采用依据车辆质量的分级限值方法［2-3］，即根据车辆的整备质量或总质量等，把车辆分为若干个质量区间，针对各个质量区间内的车辆分别制定目标燃料消耗量或排放限值，使能耗或排放指标的先进性一目了然，低于限值的车辆即为先进，反之亦然。我国的第一、二、三阶段及第四阶段乘用车燃料消耗量限值根据整备质量把乘用车划分为16个整备质量区间，每个质量区间的车辆整备质量相差110 kg左右，每个整备质量区间内的乘用车执行一个燃料消耗量标准［2］。日本的汽车燃料效率限值则采用最大总质量法，即根据车辆最大总质量确定车辆需要满足的燃料消耗量标准［4］。欧盟及美国等的汽车排放标准中也采用了基于车辆基准质量或总质量等的汽车排气污染物分级限值［5］。基于质量分段的乘用车燃料消耗量限值和排放标准的实施，有效地促进了各种先进节能和减排技术的应用、推动了乘用车燃料经济性水平的持续改善和排气污染物排放量的减少。但对纯电动乘用车而言，由于其发展尚处于起步阶段，有关能耗指标先进性判定方法的研究还很不充分，需要进一步完善。

对于纯电动乘用车而言，面临着动力电池质量比能量大等问题，如何降低纯电动汽车能耗备受各方关注［6-7］。实施能耗限值是促进纯电动汽车各种先进节能和减排技术应用，降低其能耗水平的重要途径之一。对尚处于发展初期的纯电动乘用车而言，难以直接借鉴传统燃油汽车的成熟方法，确定纯电动乘用车能耗指标的先进性，但传统汽车油耗和排放限值采用的基于车辆质量的分级方法仍然具有参考价值。我国2017年1月1日起实施的纯电动乘用车补贴方案，就采用了基于整备质量的分类方法。该方案给出了根据车辆的整备质量确定其能耗指标（百公里能耗）界限值的理论公式，当车辆的实际百公里能耗不高于由理论公式得到的界限值时，则该车辆属于补贴对象，其能耗指标是先进的，反之被认为是落后的，不属于补贴对象［8］。《免征车辆购置税的新能源汽车车型目录》［9］中纯电动乘用车车型数量众多，百公里能耗水平参差不齐，分布范围广。因此，如何科学地区分纯电动乘用车能耗指标的先进性是纯电动乘用车推广过程亟待解决的关键问题之一。

1 《免征车辆购置税的新能源汽车车型目录》中纯电动乘用车能耗指标统计分析

自2014年8月27日至2016年11月24日，中华人民共和国工业和信息化部等部委共发布九批《免征车辆购置税的新能源汽车车型目录》（以下简称《车型目录》）［9］，九批目录中纯电动乘用车车型总数已达275个。为了了解这275个纯电动乘用车车型的能耗水平，以九批《车型目录》中公布的车型性能参数为基础，对275个纯电动乘用车车型的百公里能耗进行了计算与统计分析。

第1～9批《车型目录》中所列纯电动乘用车车型的主要信息有：编号、生产企业、车辆型号、通用名称、续驶里程、整备质量、蓄电池组总质量、蓄电池组总能量和备注等。表1为第一批目录中纯电动乘用车车型的部分信息，为了避免“生产企业、车辆型号和通用名称”的出现，表1中以“×××”代替。

表1 免征车辆购置税的新能源汽车车型目录［9］

由表1可知，《车型目录》所列纯电动乘用车车型信息中，并无常用的百公里能耗这一重要的经济性评价指标。因此，由式（1）计算了275个纯电动乘用车车型的百公里能耗E，kWh/100km。

式中：EB为蓄电池组总能量，kWh；R为续驶里程，km。

图1为九批《车型目录》中275个纯电动乘用车车型的百公里能耗统计结果。统计时，首先根据E的范围确定百公里能耗区间间隔为2 kWh/100 km。然后按照E≤8、8＜E≤10、……、32＜E≤34和E＞34 划分了总计15个百公里能耗区间。最后根据落入各百公里能耗区间车型数量与车型总数求出其车型数量百分比。该结果表明：百公里能耗区间12＜E≤14和14＜E≤16内的车型数量最多，车型数量均为57个，占车型总数的百分比均为20.73%。车型数量最少的为倒数四个百公里能耗区间，车型数量均为1个，占车型总数的百分比均为0.36%。72%车型的百公里能耗E（kWh/100 km）在10＜E≤18的范围内。

图1 275个纯电动乘用车车型百公里能耗分布

2 中国现行的纯电动乘用车车型百公里能耗指标先进性界限划分方法

表2 列出了九批《车型目录》中275个纯电动乘用车车型百公里能耗（kWh/100 km）的统计结果，表中Emax、Emin、Ea和Emax/Emin依次表示百公里能耗的最大值、最小值、平均值和最大值与最小值的比值。Ea和Emax/Emin越小，表明该区间内车型的能耗越低，并且变化范围小。表2中整备质量区间采用了《新建纯电动乘用车企业管理规定》［10］中的划分方法，所以整备质量区间为非等分区间，全部纯电动乘用车车型共分为12个不同整备质量区间。由于m＞2 200 kg的三个区间内的车型样本数量仅为1个或2个，所以表2中仅列出了其平均值，分析时也仅作为参考，不与其它区间的数值进行比较。

由表2可知，275个纯电动乘用车车型的Emax/ Emin、Emax/Ea和Emin/Ea依次为4.58、2.08和0.45，这说明百公里能耗的分布范围很宽，这主要是因为所有车型的整备质量相差过大所致。m≤2 200 kg的9个整备质量区间中Emax/Emin的均值为1.76；Emax/Emin的最大值和最小值分别2.13和1.38，其所在区间依次为1 200 kg＜m≤1 400 kg和1 800 kg＜m≤2 000 kg。

表2 九批《车型目录》中不同整备质量区间纯电动乘用车百公里能耗E的统计结果

中国现行的纯电动乘用车车型百公里能耗指标先进性界限划分方法主要有两种。一种是《新建纯电动乘用车企业管理规定》（以下简称《管理规定》）［10］中的界限划分方法，由这种方法得到的分界线为台阶型折线，所以这种方法被称为台阶型折线法。《管理规定》由国家发展和改革委员会、工业和信息化部于2015年6月2日发布，《管理规定》对m≤2 000 kg的8个整备质量区间内纯电动乘用车车型NEDC工况下的百公里能耗提出了要求。表3列出了这8个整备质量区间及m＞2 000 kg整备质量区间车型的百公里能耗要求值，需要说明的是《管理规定》中未列出m＞2 000 kg整备质量区间车型的百公里能耗要求值，这部分整备质量区间车型的百公里能耗要求值系作者根据《管理规定》中m≤2 000 kg整备质量区间内车型百公里能耗要求值的变化规律推算得到。为了便于比较，表3中列出了九批《车型目录》目录中275个纯电动乘用车车型不同整备质量区间内满足百公里能耗要求值的车型数量及其车型数量百分比等的统计结果。

由表3可知，整备质量m≤750 kg的17个车型全部不满足百公里能耗要求值；区间750 kg＜m≤850 kg和850 kg＜m≤1 000 kg两个整备质量区间内低于能耗要求值车型的百分比依次为33.3%和41.4%；区间1 000 kg＜m≤2 000 kg内低于能耗要求值车型的百分比均在50%以上，其中1 800 kg＜m≤2 000 kg区间内低于能耗要求值车型的百分比达92.9%。可见，若依此百公里能耗要求值作为纯电动乘用车能耗先进性的判据，则m≤750 kg整备质量区间内车型全部不满足要求；整备质量大的车型满足能耗要求值的比例高，整备质量小的车型满足能耗要求值的比例低。特别值得注意的还有m≤750 kg整备质量区间内已有车型百公里能耗的最低值为9.87 kWh/100 km（见表2），而此判据的百公里能耗要求值为8 kWh/100 km。因此，可以说台阶型折线法不符合纯电动乘用车车型百公里能耗的实际分布特点，也不利于汽车的轻量化发展趋势。由于m＞2 000 kg整备质量区间的车型数量少，所以不予专门讨论。

为了了解《管理规定》中对电动汽车能耗的要求与九批《车型目录》中纯电动乘用车车型百公里能耗的关系，以表3所列百公里能耗要求为基准，制作了图2中黑色台阶型折线所示的纯电动乘用车百公里能耗随整备质量的变化曲线，整备质量的起点和终点分别为275款纯电动乘用车车型的最小质量640 kg和最大质量2 685 kg。空心圆形符号为九批《车型目录》中275款纯电动乘用车车型的百公里能耗值，百公里能耗随着整备质量的增加而增大，统计结果表明，二者之间呈现出强相关关系。可见，若以表3所列百公里能耗要求为基准，则有相当一部分车型的百公里能耗位于台阶型折线上方，即超出了百公里能耗要求值，特别是位于整备质量m≤750 kg区间内的车型，其百公里能耗全部超过表3所列百公里能耗要求值。

第二种百公里能耗指标先进性界限划分方法是科技部、工业和信息化部和发展改革委2016年12月29日发布的《新能源汽车推广补贴方案及产品技术要求》中的方法［8］。该文件中采用了把所有纯电动乘用车区分为三个不同的整备质量区间，每个整备质量区间内的纯电动乘用车百公里能耗界限值均随整备质量的增加而增加，但增加的速率逐步减少，百公里能耗界限值的计算公式如下：

表3 不同整备质量区间内满足《管理规定》中百公里能耗要求值的车型数量统计

式中：m为纯电动乘用车的整备质量，kg；E为百公里能耗，kWh/100 km。

根据《新能源汽车推广补贴方案及产品技术要求》的规定，当某一将纯电动乘用车NEDC工况下的百公里能耗不大于式（2）～（4）的计算结果时，该车将会得到政府的补贴，反之将不会得到政府的补贴。

为了便于比较《新能源汽车推广补贴方案及产品技术要求》中的纯电动乘用车车型能耗的界限值与九批《车型目录》中纯电动乘用车车型百公里能耗的关系，将式（2）～（4）代表的三条直线也绘制到图2中。图2中的蓝色点画线即为式（2）～（4）所示的三条直线连接而成的折线，三条线的起始点及终点根据所有车型的整备质量区间及公式的适用区间确定。这种方法的特点是由三条直线组合而成，可称之为组合线法。百公里能耗位于图2中这三条直线上面及其下面的纯电动乘用车车型即为可以得到政府补贴的车型。三条直线对应的整备质量区间内可以得到政府补贴的车型数及其百分比如表4所列。

图2 纯电动乘用车能耗先进性的划分方法

表4 不同整备质量范围内符合补贴方案要求的车型数量及百分比统计

从表4所列统计结果来可以看出，在式（2） ～（4）所示的三条直线对应的整备质量区间中，区间1 000＜m≤1 600 kg中可得到政府补贴的车型百分比最高，达到88.7%；全部275个车型中可得到政府补贴车型的百分比为79.3%。而全部275个车型中满足《管理规定》中能耗要求值的车型百分比仅为49.8%，相差29.5%。这说明《新能源汽车推广补贴方案及产品技术要求》对纯电动乘用车百公里能耗的要求较为宽松，不利于纯电动乘用车的能耗水平的降低。

对比上述的台阶型折线法和组合线法两种百公里能耗先进性评价方法，不难发现：台阶型折线法不符合《车型目录》中纯电动乘用车车型百公里能耗的实际分布特点，其评价结果不利于整备质量小的车型。此外，台阶型折线法过于复杂，各质量段百公里能耗确定的理论依据不清，实际应用中所需工作量大，程序复杂。组合线法相对于台阶型折线法而言，实际应用时，工作量较小，程序较为简单，也易于通过改变组合折线方程调节百公里能耗分界线的位置，但设定的百公里能耗要求较为宽松，不利于降低纯电动乘用车的能耗水平。

图2中的虚直线为由最小二乘法得到的九批《车型目录》中275款纯电动乘用车的百公里能耗拟合直线，其方程式为：

由图2可知，对纯电动乘用车百公里能耗水平的评价除了采用上述的台阶型折线法和组合线法外，还可以采用由全部纯电动乘用车百公里能耗得到的拟合直线划分百公里能耗指标的先进性界限。即将百公里能耗位于拟合直线上及其下面的纯电动乘用车视为百公里能耗指标先进车型，将其余纯电动乘用车视为百公里能耗指标落后车型。从而为纯电动乘用车的补贴、研发和新型纯电动乘用车的生产许可提供判定方法和依据等。

与组合线法和台阶型折线法相比，拟合直线法最为简单，其百公里能耗区分界限仅由式（5）确定，即纯电动乘用车能耗高低的界限仅根据其整备质量即可确定。但该方法的不足是过于折中，即确定的纯电动乘用车能耗界限之内的车型过多，对纯电动乘用车能耗的要求较低。

此外，图2所示结果还表明，对于m＞1 900 kg的整备质量区间，虽然三种方法的先进性界限差别明显，但由于该整备质量区间内车型数量过少，导致其判定结果完全一致。

3 纯电动乘用车车型百公里能耗指标先进性界限划分的拟合直线平移法

由上述分析可知，台阶型折线法、组合线法和拟合折直线法三种纯电动乘用车百公里能耗指标先进性界限值确定方法均存在不足，为了弥补上述三种方法的不足，本文提出了确定纯电动乘用车能耗先进性界限值的拟合直线平移法。拟合直线平移法的原理如图3所示。图3中共有四条直线，中间一条直线（虚线）为275款纯电动乘用车百公里能耗的拟合直线，其方程式如式（5）所示。实心圆形符号为九批《车型目录》中275个纯电动乘用车的百公里能耗值，黄色方块中黑色“十”字的交叉点为275个车型纯电动乘用车的平均整备质量和百公里能耗所在坐标点，其横、纵坐标数值依次为1 296.88 kg和15.83 kWh/100 km。

如果拟增加先进性界限值内纯电动乘用车车型数量，则可将拟合直线平行上移，平行上移的多少，作者建议以全部纯电动乘用车车型平均百公里能耗15.83 kWh/100 km的百分比确定，如15.83 kWh/100 km的5%、10%和20%等，即依次将拟合直线平行上移0.791 5、1.583和3.166 kWh/100 km等，微调时，可以以平均百公里能耗的1%，即0.158 3 kWh/100 km逐步增加。反之，如果拟减少先进性界限值之内纯电动乘用车车型数量，提高能耗限值门槛，则可将拟合直线平行下移，平行下移的多少同样采用全部纯电动乘用车车型平均百公里能耗15.83 kWh/100 km的百分比确定。

图3中位于拟合直线上方平行直线的方程如式（6）所示，纵坐标的平行上移量为全部纯电动乘用车车型平均百公里能耗15.83 kWh/100 km的10%，即1.583 kWh/100 km。图3中位于拟合直线下方的两条平行直线的方程分别如式（7）和式（8）所示，纵坐标的平行下移量分别为全部纯电动乘用车车型平均百公里能耗15.83 kWh/100 km的3%和10%，即0.474 9和1.583 kWh/100 km。

图3 拟合直线平移法的原理

与拟合直线相比，以上移平行直线作为能耗界限时，满足能耗先进性界限值的车型数量明显增多；以下移平行直线作为能耗界限时，满足能耗先进性界限值的车型数量明显减少。可见，通过全部纯电动乘用车车型百公里能耗拟合直线上移和下移的方法，可以有效增加或减少能耗界限内车型数量。该方法可用于区分纯电动乘用车百公里能耗先进性界限值的确定，或作为进行补贴、新型车辆研发和新型纯电动乘用车生产许可的依据等。

表5 拟合直线平移法确定的能耗先进车型数量及百分比

通过统计位于图3中的四条直线上及其下面车型的数量，即可拟合直线平移法得到能耗指标先进性评价结果，表5列出了拟合直线平移法确定的能耗指标先进车型的数量及百分比。与表3和表4对比可知，直接以拟合直线平行下移3%得到的直线作为纯电动乘用车能耗指标先进性界限值时，确定的能耗指标先进车型的数量及百分比与台阶型折线法接近；以拟合直线上移10%直线得到的直线作为纯电动乘用车能耗指标先进性界限值时，确定能耗指标先进车型的数量及百分比与组合线法接近。若以拟合直线下移10%直线得到的直线作为纯电动乘用车能耗指标先进性界限值时，能耗指标先进车型的百分比仅为27.6%，将会促进能耗水平的大幅度降低。可见，与其它方法相比，拟合直线平移法优势明显，操作简便、适用范围广，实用性强。

4 结论

以《免征车辆购置税的新能源汽车车型目录》中275个纯电动乘用车车型能耗指标为例，分析比较了纯电动乘用车能耗指标的先进性指标的评价方法，得到了以下四个主要结论。

（1）科学地区分纯电动乘用车能耗指标的先进性，对促进各种先进节能技术的应用，降低其纯电动乘用车的具有重要作用。

（2）《免征车辆购置税的新能源汽车车型目录》中纯电动乘用车能耗指标的统计结果表明，百公里能耗的变化范围最小和最大的车型所在的整备质量区间依次为1 800 kg＜m≤2 000 kg和1 200 kg＜m≤1 400 kg，其百公里能耗最大和最小值之比分别2.13和1.38。

（3）中国现行的纯电动乘用车车型百公里能耗指标先进性界限划分方法中，台阶型折线法不符合《车型目录》中纯电动乘用车车型百公里能耗的实际分布特点，其评价结果不利于整车向轻量化方向发展，并且实际应用中所需工作量大，程序过于复杂，各质量段百公里能耗的确定依据不清；组合线法相对于台阶型折线法而言，实际应用时工作量较小，程序较为简单，但百公里能耗的界限较为宽松，不利于纯电动乘用车的能耗水平的降低。

（4）基于《免征车辆购置税的新能源汽车车型目录》中275个纯电动乘用车车型的百公里能耗数据统计结果提出的纯电动乘用车车型百公里能耗指标先进性界限划分的拟合直线平移法，操作简便，适用范围广，实用性强，符合纯电动乘用车车型百公里能耗实际分布特点，可作为市售纯电动乘用车补贴、新型车辆研发和新型纯电动乘用车生产许可的理论依据等。

（References）：

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作者介绍

李兴虎（1962-），男，陕西渭南人。博士，教授，主要从事汽车环境保护技术、汽车新型动力系统与内燃机燃烧及污染控制、代用燃料等研究。

Tel：13366568189

E-mail：lxh@buaa.edu.cn

Research on the Evaluation Method of Energy Consumption Index for Pure Electric Passenger Vehicles

LI Xinghu
（School of Transportation Science and Engineering, Beihang University，Beijing 100191）

This paper analyzed the energy consumption per 100 km of 275 PEPVs in the catalogue of new energy vehicle model exempted from vehicle purchase tax, and obtained the distribution characteristics of energy consumption per 100 km, the maximum, the minimum and mean values of energy consumption per 100 km in different mass intervals. The paper also analyzed the main problems existing in the evaluation methods of the index of energy consumption per 100 km for PEPVs. The method of parallel movement of the fitting straight line was put forward and applied to the evaluation. The results show that this easily applied method is in line with the practical distribution of energy consumption per 100 km for PEPVs and can be used for PEPV subsidy, new car design and as the basis for the development of PEPV production license, promoting the application of energy-saving technology of PEPVs.

pure electric passenger vehicle；energy consumption per 100 km；advanced index；method of parallel movement of fit straight line

U469.72

A

10.3969/j.issn.2095-1469.2017.04.06

2017-03-08 改稿日期：2017-04-23

交通运输部运输车辆运行安全技术交通行业重点实验室开放基金（KFKT2016-05）

参考文献引用格式：

李兴虎. 纯电动乘用车能耗指标先进性判定方法研究［J］. 汽车工程学报，2017，7（4）：280-287.

LI Xinghu.Research on the Evaluation Method of Energy Consumption Index for Pure Electric Passenger Vehicles［J］. Chinese Journal of Automotive Engineering，2017，7（4）：280-287.（in Chinese）