电动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）

1 前言

出于能源安全与环保的考量，中国积极鼓励新能源汽车的发展，在财政和政策上出台了一系列对应措施，2014年8月至2017年12月先后发布了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》），对其中纯电动汽车，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、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》中提供的534款电动乘用车的4项主性能进行统计与分析，从而给出目前电动乘用车的主性能特征。

2 动力电池主性能

2.1 动力电池的能量密度

动力电池组的能量密度即动力电池组总能量与其总质量之比。目前，提高电池的能量密度已成为电动汽车的重要研究课题[1-2]，本文挑选《目录》中电动乘用车的数据并进行梳理分析，534个样本的能量密度平均值为107.45 W·h/kg。动力电池组总质量Ge和总能量Ee散点图及趋势线如图1所示，其中电池组能量与质量的趋势平均线为Ee=0.110 2Ge-0.729 9，反映了电动汽车所用电池的平均性能，代表总体的平均水平，以此线为基线进行上、下平移，得到不同截距的平行线。由图1可知，《目录》中电动乘用车的动力电池组总能量与总质量之间的关系，基本在Ee=0.110 2Ge±15之间，高于Ee=0.110 2Ge+15的只有2个样本，低于Ee=0.110 2Ge-15的有4个样本。图1也间接反映了电池能量密度的高低。

图1 动力电池总质量与总能量的关系

2.2 动力电池质量与整车整备质量

电动汽车颠覆了传统汽车的动力系统和供给系统，电机取代发动机，动力电池取代燃油箱。电动汽车改变了传统汽车的布置结构、各载荷大小与分布，总体上说，较重的动力电池额外增加了汽车的负担，增大了能量的消耗。统计表明，目前新能源汽车整备质量比传统汽油车整备质量高8%～10%，且纯电续驶里程还不够理想。利用《目录》中的电动乘用车数据，关联动力电池组总质量与整车整备质量，其统计关系如图2所示。统计现有样本，动力电池组总质量Ge与整车整备质量Gz之比的平均值为21.2%。从图2可以看出，主要样本点集中在Ge=0.256 9Gz和Ge=0.256 9Gz-100之间，平均线表达式为Ge=0.256 9Gz-56.136。随着电池技术水平及电池能量密度的提高，未来电池的质量占比将会下降，而随着各种轻量化措施的使用[3-7]，整车整备质量也将持续下降。

图2 电动乘用车动力电池的质量占比

3 整车主性能

3.1 续驶里程与整车能量密度

影响电动汽车续驶里程的主要因素是汽车的总质量、动力蓄电池组总能量及系统的阻力（包括滚阻、风阻和系统效率）等因素。续驶里程在底盘转鼓测功机（台架）上试验测得，试验质量是在整车整备质量的基础上增加100 kg的附加质量，试验按照标准的NEDC（4个市区+1个郊区）循环进行，其测得的续驶里程也称为工况法续驶里程。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，得到续驶里程Se与整车能量密度Eg的关系如图3a所示。两者之间的统计关系可用Se=12.5Eg-Δ的斜线族来描述，其中Se=12.5Eg-81.5为趋势平均线，图中给出了Δ=40、Δ=80、Δ=120和Δ=160的斜线族。

将《目录》中的数据按年代区分，进行数据处理后得到图3b所示的续驶里程与整车能量密度的关系随年代的变化情况，从图3b可知，趋势线的斜率随年代不断提高。趋势平均线由2014年的Se=9.024 9Eg-21.056变为2017年的Se=14.002Eg-110.58，技术进步较快；整车能量密度30 W·h/kg的车辆续驶里程平均值在2014年为249.69 km，而在2017年达到了309.42 km，有近60 km的差别。这体现了系统匹配能力的提升和能量利用效率的提高。

图3 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

汽车是载运人员或货物的交通工具，在物流中常用的货物运输计量单位是吨公里，这里引入“质量里程积”，即整车整备质量与续驶里程的乘积。图4所示为动力电池总能量与质量里程积的统计关系，其趋势平均线可表达为Ee=0.532 8[GzSe]0.7231，相关性R2=0.932 1，所有数据较为集中，离差基本在±10 kW·h内，主流数据在±5 kW·h内。同样，其差异可以理解为由不同车辆滚动阻力、风阻、电转化效率及传动效率的不同所引起。在趋势平均线下方的，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

新能源汽车双积分法规发布以后，要求生产电动汽车的企业上报耗电量，但在之前的《目录》数据中没有耗电量，因此本文引入广义百公里耗电量：

以《目录》中电动乘用车的相关数据为样本，广义百公里耗电量与整车整备质量的关系如图5所示，其趋势平均线可表达为Yp=9.327 1ln(Gz)-51.394，作其不同倍数曲线 0.6Yp、0.8Yp、1.2Yp、1.4Yp，样本数据聚集在 0.8Yp～1.2Yp之间的较多。即对于电动乘用车而言，其工况法续驶里程Se、动力电池总能量Ee及整车整备质量Gz三者的关系可描述为：

4 电动乘用车评价

4.1 综合因数评价

对于电动汽车，其技术指标向动力电池能量密度大、续驶里程长（与传统动力相当）、整车整备质量小的方向发展。因此，引入综合因数：

从式（3）可知，Le与电池密度（Ee/Ge）成正比，与Se成正比，与Gz成反比。综合因数与整车整备质量的关系如图6所示，其趋势平均线为Le1=-2.280 7Gz+20.071。以Le1为基线，定义某车辆的综合因数与相同整车整备质量下的综合因数的平均值之比为综合指数，即Qe=Le/Le1，反映了其与平均水平的高与低。当前样本的综合指数Qe基本在0.2～2.2间，且Qe越大越好。

图6 综合因数与整车整备质量的关系

4.2 动力功效评价

电动汽车利用电机将动力电池中储存的电能转化为机械能驱动车轮，定义整车功效为Lw=GzSe/Ee，即在标准的工况下，动力电池1 kW·h的能量，可驱动整备质量为1 t的车辆行驶的里程，用以表征动力电池总能量的发挥程度。功效值大，体现了车辆自身的阻力较小、逆变传动效率较高等技术优势。

图7所示为利用现有样本数据生成的功效散点图，以整车整备质量为横轴展开，其动力功效的平均线为L1.0=2.644 4Gz+5.204。以功效趋势平均线作为评价基准，某车型的功效指数定义为Qw=Lw/L1.0，图7给出了Qw=1.4、Qw=1.2、Qw=0.8和Qw=0.6的斜线族，Qw越大越具有比较优势。目前的样本的功效指数Qw均在0.6～1.4间，即《目录》中车辆样本的功效在0.6（2.644 4Gz+5.204）和1.4（2.644 4Gz+5.204）之间。

图7 电动乘用车功效

5 电动乘用车的新能源汽车积分探讨

5.1 电动乘用车的新能源汽车积分算法

根据新能源乘用车车型积分计算方法[8]，对于纯电动车，标准车型的积分是0.012Se+0.8，但标准车型积分上限为5分。为此，当电动乘用车的续驶里程达到350 km时，就获得了标准车型的积分上限，从积分的角度说，续驶里程的设计不必超过350 km。

获得积分的必要条件是：纯电动乘用车30 min最高车速不低于100 km/h；工况法续驶里程不低于100 km。纯电动乘用车工况条件下百公里耗电量Y满足条件一、但不满足条件二的，车型积分按标准车型积分的1倍计算；满足条件二的，按1.2倍计算。其余车型按0.5倍计算，并且积分仅限本企业使用，如图8所示。

图8 车型积分倍数

5.2 双积分区域条件划分的探讨

电动乘用车双积分计算方法利用2个折线划分区域，折线的转折点附近存在不合理积分问题，在不掌握耗电量测试数据样本的情况下，使用广义耗电量来替代分析，二者应具有相似的数据特征。将本文提出的Yp、1.2Yp、0.85Yp及双积分条件折线绘于图 9，可见 1.2Yp、0.85Yp与双积分条件折线比较按近，仅在整车整备质量较小的区域曲线上移，这有利于电动乘用车的轻量化，如果条件一和条件二分别替换为1.2Yp和0.85Yp，整车整备质量域限制区的表达似更为简洁。

图9 双积分条件对比

6 电动乘用车的主性能变化趋势

6.1 电池能量密度和整车能量密度的变化

提高电动汽车的电池能量密度是电池研发的重要课题之一[9]。近几年，随着电池研发和汽车轻量化投入力度的加大[10]，电池和整车的能量密度逐年提高，用《目录》中车型的数据，计算出电池能量密度、整车能量密度并按年度计算平均值，将结果绘于图10中。由图10可知，电池能量密度和整车能量密度的总体年平均增量分别为8.39 W·h/kg和1.94 W·h/kg，假设变化速率不变，则2022年电池能量密度和整车能量密度将分别达到157 W·h/kg和34 W·h/kg，届时电动汽车将进入成熟期。

图10 能量密度年度变化

6.2 电动乘用车续驶里程的变化

在控制总质量的前提下加大续驶里程是汽车设计师的追求，电池能量密度的提升是续驶里程提高的关键因素。同样将续驶里程按年度计算平均值，结果见图11。电动乘用车续驶里程的平均年增量为27.57 km，假设变化率不变，则2022年电动乘用车的续驶里程平均值可达350 km，即50%以上的电动乘用车续驶里程超过350 km。从3.1节可知，按2017年的产品技术水平推算，整车能量密度每增加1 W·h/kg，续驶里程将增加14 km。

图11 平均续驶里程年度变化

7 结束语

为推进节能减排，国家出台了新能源汽车鼓励政策和高油耗汽车的惩罚措施，本文通过搜集当前产品数据，进行主参数与主性能的分析与总结，获得了电动乘用车主性能与主参数间的部分规律，及主性能随时间的变化趋势，为电动汽车产品的开发策划、政策制定等提供参考。

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[8]中华人民共和国工业和信息化部,中华人民共和国财政部,中华人民共和国商务部,等.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[EB/OL].(2017-09-27).http://www.miit.gov.cn/n1146290/n4388791/c5826378/content.html.

[9]李泓,郑杰允.发展下一代高能量密度动力锂电池——变革性纳米产业制造技术聚焦长续航动力锂电池项目研究进展[J].中国科学院院刊,2016,31(9):1120-1127+971.

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