插电式混合动力乘用车主性能统计与分析评价

董学锋

（中国第一汽车集团有限公司研发总院，长春 130011）

主题词：插电式混合动力乘用车 主性能 统计评价

1 前言

为了提升乘用车节能水平，缓解能源和环境压力，建立节能与新能源汽车管理长效机制，促进汽车产业健康发展，我国制定了《乘用车企业平均燃料消耗量与新能源汽车积分并行管理办法》，2018年4月1日起施行。中国在财政和政策上实施免税等一系列措施以示对新能源汽车发展的积极鼓励，截至2017年12月，共发布了15批《免征车辆购置税的新能源汽车车型目录》（以下简称《目录》），对其中的插电式混合动力乘用车，列出了汽车生产企业名称、车辆型号、通用名称、纯电动续驶里程、燃料消耗量、发动机排量、整车整备质量、动力蓄电池组总质量和动力蓄电池组总能量等生产企业信息和基本技术指标。本文针对《目录》中共89款插电式混合动力乘用车的6项主性能进行统计计算和性能分析，从而得出总体性能趋势、性能特征及水平。

2 动力电池主性能

2.1 动力电池的能量密度

动力蓄电池的能量密度即动力蓄电池组总能量与其总质量之比。目前，影响新能源汽车发展的瓶颈是电池，动力电池的能量密度尚不理想[1]，体积、质量均较大。兼有内燃机动力和电池电机驱动的双系统插电式混合动力汽车，在充电设施还不完善的今天，虽然可消除用户的顾虑，但也大幅提高了汽车结构和性能的复杂程度，整车整备质量和成本也大幅增加。利用《目录》中插电式混合动力乘用车的相应数据，可得插电式混合动力用动力电池的能量密度平均值是84.83 W·h/kg，明显低于纯电动乘用车的107.45 W·h/kg。以动力电池组总质量Ge为横坐标，对应的总能量Ee为纵坐标，形成散点图及趋势线如图1所示，其中Ee=0.066 6Ge+2.787 8为趋势平均线，反映了插电式混合动力乘用车用动力电池的平均性能，也代表总体的平均水平，以此线为基线，上、下平移，得到不同截距的平行线，从图1可知，动力电池组总能量与其总质量之间的关系，基本在Ee=0.066 6Ge+6与Ee=0.066 6Ge-2之间，高于此范围的样本有3个，低于此范围的样本有2个。其中电池能量密度最高的一款轿车为“纯电动BMW i3升级款增程型”，动力电池的总质量为256 kg，动力蓄电池总能量是33 kW·h。

图1 动力电池的能量密度

2.2 动力电池质量与整车整备质量

混合动力汽车是内燃机汽车和电动汽车的混合体，是燃油汽车时代向电动汽车时代转变时期的过渡方案之一[2]，因为具有双系统，比同级传统内燃机汽车重100～200 kg；与纯电动车相比，其电池数量少、总能量低、纯电续驶里程短，所以动力电池质量占比低。同时，混合动力也在通过轻量化技术平衡动力电池带来的质量增加[3-4]。分析《目录》中的混合动力乘用车数据，得到动力电池组质量与整车整备质量的占比平均值是8.97%；关联动力电池组总质量与整车整备质量，生成如图2所示的散点图，总体的统计平均线为Ge=0.024 4Gz+113.54。取不同的截距+175～+75，形成Ge=0.024 4Gz+175与Ge=0.024 4Gz+75之间的平行线族，可获得样本的分布情况。例如，整车整备质量为1 800 kg的混合动力乘用车，动力电池组的质量占比为7%～12%。

图2 动力电池的质量占比

3 整车主性能

3.1 纯电续驶里程与整车能量密度

影响混合动力汽车纯电续驶里程的主要因素是汽车的总质量、动力电池组总能量及系统阻力（包括滚阻、风阻和系统效率）等。混合动力乘用车的纯电续驶里程是在其整车整备质量基础上增加100 kg作为试验质量，按标准的NEDC试验循环在底盘测功机上测得，称为工况法续驶里程[5]。将动力电池组总能量与整车整备质量之比定义为整车能量密度Eg，并以它为横坐标，以纯电续驶里程Se为纵坐标，得到图3所示的纯电续驶里程与整车能量密度的关系。两者之间的统计关系可用Se=10.68Eg-Δ的斜线族来描述，其中Se=10.68Eg-13.736为趋势平均线，图中分别给出了取Δ=40、Δ=30、Δ=20、Δ=10和Δ=0的斜线族。Δ反映的是当量的系统消耗里程，Δ越小，说明车辆系统内的能量消耗越小，也体现出越高的产品技术水平。从能量平衡的角度讲，插电式混合动力乘用车的纯电续驶里程Se≤10.68Eg。

图3 纯电续驶里程与整车能量密度的关系

3.2 电池总能量与质量里程积

引入“质量里程积”[6]的概念，探讨电池的总能量Ee与质量里程积GzSe的关系，如图4所示。图4中，趋势平均线为Ee=0.530 3(GzSe)0.6768，相关性R2=0.73，离差基本在±4 kW·h范围内，主流数据点在±2 kW·h范围内。同样，其离差可以理解为由滚动阻力、风阻、电转化效率及传动效率的不同所引起。在平均线下方的，能源利用率高，反之，能源利用率低。

图4 动力电池总能量与质量里程积

3.3 广义耗电量

将电池的总能量与纯电续驶里程之比定义为广义纯电百公里耗电量[6]：

以《目录》中插电式混合动力乘用车的有关数据为样本，获得整车整备质量与广义百公里耗电量的关系如图5所示，趋势平均线表达式为Yp=13.337lnGz-79.121，样本数据多聚集在趋势平均值的0.8～1.2倍。即对于插电式混合动力乘用车，其纯电续驶里程Se、动力电池总能量Ee及整车整备质量Gz三者之间的关系可简单描述为：

图5 广义耗电量与整备质量的关系

3.4 燃油消耗量与整车整备质量

发动机的燃油经济性直接影响混合动力汽车的整车经济性[7-8]，插电式混合动力汽车有时为电驱动，有时为油电混合驱动，如不考虑电耗，且电驱动行驶里程计入燃油驱动里程，燃料消耗量必然较低。图6所示为混合动力乘用车的燃料消耗量Qs与整车整备质量Gz的关系，其统计平均线可写成Qs=0.630 4Gz+0.760 3，仅考虑燃料消耗量，较高技术水平的产品在Qs=0.630 4Gz左右，若油耗在Qs=0.630 4Gz+1和Qs=0.630 4Gz+2之间，在混合动力乘用车中油耗较高，即燃油经济性较差。

图6 燃料消耗量与整车整备质量的关系

3.5 燃料消耗量与纯电续驶里程

混合动力汽车的电动续驶里程分担了燃料消耗量，因此，其纯电续驶里程越长，燃料消耗量也相应变小。燃料消耗量Qs与纯电动续驶里程Se的关系如图7所示，平均趋势可写成Qsp=50.369Se-0.798，图7给出了Qs=0.8Qsp、Qs=1.2Qsp和Qs=1.4Qsp的3条曲线，表征着不同的燃油消耗水准。显然，目前在0.8Qsp附近的，其燃油经济性好。

3.6 发动机排量与整车整备质量

插电式混合动力汽车的发动机排量随着整车整备质量的增加而增加，目前，发动机排量主要集中在2.0 L、1.5 L、1.0 L，对应的整车整备质量分别为1 836～2 515 kg、1 510～2 170 kg、1 430～1 735 kg，如图10所示。排量最小的样本是“纯电动BMW i3升级款增程型”，其发动机排量为647 mL，整车整备质量为1 390～1 430 kg。

图7 燃料消耗量与纯电续驶里程

图8 发动机排量与整车整备质量

4 插电式混合动力乘用车评价

4.1 综合因数与评价

对于插电式混合动力汽车，我们对技术指标的愿景是：动力电池的能量密度大、纯电续驶里程长、整车整备质量小、燃料消耗量低，因此引入综合因数：

从式（3）可知，综合因数Le与电池的密度（Ee/Ge）、纯电续驶里程Se成正比，与整车整备质量Gz、燃料消耗量QS成反比。综合因数与整车整备质量的关系如图9所示，作趋势平均分析得知：两者呈线性关系，可表达为Le1=-0.88Gz+3.336。以综合因数平均线作为评价基准线，定义某车型的综合因数与其之比为综合指数，即Qe=Le/Le1。除1个车型外，Qe都在0.2～2.5间。综合指数反映了某车型与平均水平相比较的高与低，其值越大越好。图 9中给出了Qe=2.5、Qe=2、Qe=1.5、Qe=0.5、Qe=0.2的曲线是综合指数由高到低的等级线或档次线。

4.2 动力功效与评价

对于混合动力汽车，定义纯电动模式行驶功效Lw=GzSe/Ee，表达动力电池总能量的作用发挥程度，其意义在于动力电池1 kW·h的能量可将整车整备质量为1 t的车辆在标准工况下驱动行驶的距离。功效值大，说明技术水平高，体现出车辆的风阻、滚阻较小、逆变传动效率较高等技术匹配优势。

图9 综合因数与整车整备质量的关系

图10所示为利用现有混合动力乘用车样本数据计算生成的功效散点图，以整车整备质量为横轴展开，作样本的趋势分析得其平均线为L1.0=1.594 1Gz+5.951 1。以功效趋势平均线作为评价基准，某型插电混合动力乘用车的功效与其之比称为功效指数，即Qw=Lw/L1.0，图中分别给出了Qw=0.6、Qw=0.8、Qw=1.2、Qw=1.4的4条曲线。由图10可知，除1个车型外，《目录》中车辆样本的功效指数Qw均在0.6～1.4之间。Qw越大，越具有比较优势。

图10 插电式混合动力乘用车功效与整车整备质量的关系

4.3 混合动力乘用车的双积分

根据新能源乘用车车型积分计算方法及其说明，插电式混合动力汽车纯电驱动模式续驶里程不低于50 km是获得积分的必要条件。其标准车型积分是2分/辆，车型积分分成两种情况，如图11所示[9-10]。

由图11可知：满足50 km≤Se＜80 km的插电式混合动力汽车，积分依据是燃料消耗量，在燃料消耗限值的70%以上者，积1分/辆，以下者积2分/辆；Se≥80 km的插电式混合动力汽车，则车型积分依据为电能消耗量，与电动乘用车的“条件一”相同，在“条件一线”以上，其车型积分是1分/辆，在其之下是2分/辆。

图11 车型积分图

5 结束语

为鼓励新能源汽车的发展，国家出台了相关政策，近年很多新能源汽车产品不断上市，标志着中国新能源汽车的快速发展，本文试图通过搜集当前的产品数据，进行主参数与主性能的梳理分析与总结，希望捕捉到主性能和主参数中一些规律，为未来新能源汽车的产品开发策划、制定政策等提供参考依据。