电动乘用车轻量化评价研究及要素分析

2021-01-20董学锋徐强

汽车工艺与材料 2021年1期

董学锋徐强

（1.国汽（北京）汽车轻量化技术研究院有限公司，北京100176；2.张家港清研再制造产业研究院有限公司，张家港215600）

1 前言

按乘用车的产品分类，结合电动乘用车的产品公告和免征车辆购置税的新能源汽车车型目录中的相关数据，将样本划分为三厢轿车、两厢轿车、SUV、MPV、小客车（VAN）和两座微型6 类产品，形成了总共1051 个车型样本，并以这些样本的技术数据为基础，从10 个维度分析与产品轻量化及其性能相关的各个因素，在各类车型中，各选5 个代表产品，部分代表产品的相应技术数据或指数以深色图标表示在图中，也以数值的形式列于表中，以达到实例评价的效果，代表车型的原始技术参数列于表1中。

2 整车质量密度及评价

2.1 整备质量与指数评价

2.1.1 整备质量与广义体积

通常，同类（或同样）的产品，体积越大、质量也越重。同是汽车，也用同样的概念，体积相同，质量减轻，也称“轻量化”。但定量地表示出来，还需要有数据的支撑，即使是同类同样大小的车型，驱动轮的数量、动力电机的大小、动力电池的质量、汽车装备等参数均有差异，有时也需要将复杂问题简单化处理，将整备质量与广义体积（长×宽×高）建立统计关系。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1，从目前电动车样本的统计看，其平均线计算如下。

式中，M为整车整备质量平均值；V为广义体积。

式（1）是由几类车型（包括三厢轿车、两厢轿车、SUV、MPV、VAN、两座微型）等混在一起的统计结果，在此称之为“通用标尺质量”或称为“通用标准体重线”，图1 中的0.8～1.2 是标准体重的倍数线，即线上的点是标准体重的80%～120%[1]。

表1 代表车型的基本数据

图1 电动乘用车的整备质量与广义体积[1]

2.1.2 整备质量的密度指数

对一个评价车型，通过长宽高计算出广义体积，再通过式（1）得到标尺整备质量（平均值），将“整备质量密度指数Lm”定义为评价车型的自身整备质量与标尺整备质量之比，即：

式中，M0为被评价车型的整备质量；V 为被评价车型的广义体积。

图2 所示为全样本的整备质量密度指数图，其中的两座微型车、两厢轿车、SUV 各5 个代表车型，它们的密度指数以深色图标表示于图中；由于是与平均值的比较，所以有一半的样本大于“1”。

图2 整备质量密度指数

2.2 不含电池的整车质量与指数评价

2.2.1 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相比，主要的区别在于能源和动力系统，其中电池是电动汽车比传统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，主因是电池的储能有限，达到一定的续驶里程需要更大的电池包。不含电池的整备质量，反映了车身、底盘、动力电机及部分电气系统的质量之和，体现了动力电池以外的车的轻量化水平，对于电动汽车，车的轻量化更显得重要，如果将车的质量降低，转化为电池的扩容，对续驶里程的提升效果显著[2]，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”2 部分，M=M1+M2，M2是决定总电能和续驶里程的关键因素。图3为不含动力电池的整车质量M1与广义体积V的统计关系，其平均线为：

式中，M1为不含电池的整车质量平均值；V 为广义体积。

2.2.2 不含电池的整车质量密度指数

对一个评价车型，同理，通过长宽高计算出广义体积，再通过式（3）得到不含电池的整车标尺质量（平均质量），将“不含电池的整车质量密度指数Lm1”定义为评价车型的自身不含电池的整车质量与整车标尺质量（不含电池）之比：

式中，M10为被评车型的整车质量(不含电池）；V 为被评价车型广义体积。

图3 不含电池的整车质量与广义体积

图4 为不含电池的整车质量密度指数图，其中两座微型车、两厢轿车、SUV 的各5 个代表车型，它们的密度指数同样以深色图标表示于图中。

图4 不含电池的整车质量密度指数

3 质量比及评价

3.1 动力电池质量占比与指数评价

3.1.1 动力电池质量占比

通常燃油汽车的供油系统（加满燃油时）不超过100 kg，但电动乘用车电池系统要比这大得多，就乘用车而言，最多是9 人座，并外加行李，从目前的产品看，由于车的大小和续驶里程的不同，当前动力电池系统的质量从100～600 kg 不等，和载质量是一个量级，利用样本数据，得到图5，动力电池的系统质量平均约占整备质量的25%，现有电动乘用车统计出来的电池的平均质量与整备质量的关系：

式中，M2为动力电池质量平均值；M为整备质量。

3.1.2 动力电池质量占比指数

以现有的统计平均线作为评价的标杆，即把它当作“通用的标尺线”，显然线的上方为重，线的下方为轻，从上到下，轻量化程度从低到高，把被评价车型的动力电池的系统质量与相应的标尺质量之比，作为评价指标，定义为“动力电池质量占比指数Lz”表达式为：

式中，M20为被评车型的动力电池质量；M为被评车型的整备质量。

图5 电池的质量与整备质量

图6 所示为电池系统占比指数图。相应的代表车型的样例以深色图标表示于图中。

图6 电池的质量占比指数

3.2 载质量利用系数与指数评价

3.2.1 电动乘用车的载质量利用系数

载质量利用系数是汽车的传统概念，是载质量与整备质量之比，最早用于评价载货汽车的装载能力。现在商用车和乘用车均可采用载质量利用系数衡量承载水平，当然载质量利用系数越大越好。图7 是以整备质量M 为横坐标，载质量ML为纵坐标的乘用车承载能力图，反映了现有电动乘用车全样本的整体情况，作整体样本平均线的表达式为：

式中，ML为载质量平均值；M为整备质量。

相比而言，在平均线之上，载质量利用系数大，承载能力强，在平均线之下，载质量利用系数小，承载能力弱，按车类别比较，两座车载质量利用系数小，VAN(小客车)，因本身整备质量小，座位多，在乘用车中载质量利用系数较大。SUV 因其自身重，载质量利用系数也相对小。

图7 载质量与整备质量

3.2.2 载质量指数

为了体现轻量化，体现数值在“1”附近，且越小越好，这里用平均载质量与评价车型的载质量之比，定义为“载质量指数Lq”，体现整备质量越小，载质量越大。载质量指数Lq的数值越低。

式中，ML0为被评车型的载质量；M为被评车型的整备质量。

现有样本及代表车型的载质量指数展示于图8之中。从总体车型类别上看，两厢轿车比两座微型、SUV的载质量指数小（好）。

图8 载质量指数

4 能量密度和功率密度及评价

4.1 动力电池系统的能量密度与指数评价

4.1.1 动力电池的能量密度

动力电池的能量密度是指动力电池的总能量与动力电池系统的比值，是动力电池的重要指标，表达为单位质量所储能的多少，图9 表达了电池总能量与电池系统的总质量。用现有的样本中数据，得出现有汽车产品电池能量的平均线为:

式中，Eb为动力电池能量的平均值；M2为动力电池系统的总质量。

图9 电池总能量与电池系统质量

4.1.2 动力电池轻量化指数

从轻量化的角度出发，电池质量小而能量大是所希望的，从越小越好的的角度，“动力电池的轻量化指数Lb”，用同样质量下的电池能量平均值与自身能量的比值来进行评价：

式中，Eb0为被评价动力电池总能量；M2为被评价动力电池系统的总质量。

全样本的电池轻量化指数如图10所示，并将两厢车和SUV 的代表车型的轻量化指数用深色图标表示在图中。

图10 动力电池的轻量化指数

4.2 整车的能量密度与指数评价

4.2.1 整车的能量密度

对于电动汽车，总质量越小，总能量越大，才能有较长的续驶里程，不论是载货还是载人，总希望载质量大，因此，只能是整车整备质量小，但储能要大，动力电池的总能量与动力电池质量比值是电池的能量密度，反映的是电池的水平，动力电池的总能量除以整车质量是整车的能量密度，只有整车的能量密度大，续驶里程才能长。图11 为满载下的整车能量图。动力电池能量的平均值与总质量的关系为：

式中，Eb为动力电池能量的平均值；Mt为汽车满载总质量。

图11 电池总能量与整车总质量

4.2.2 整车能量密度指数

同样是“以小为好”的原则，用汽车总质量对应的标尺总能量（平均总能量）除以自身的总能量，得到“能量密度指数Lt”的表达式为：

式中，Eb0为被评价车型动力电池总能量；Mt为被评价车型满载总质量。

图12 所示为满载下的整车能量密度指数图。图中不仅用虚点表达了全样本的能量密度指数及分布，也用深色图标显示了代表车型所在的图中位置。

图12 能量密度指数

4.3 整车的功率密度与指数评价

4.3.1 整车的功率密度

单从汽车的动力性考量，同样的总质量，电机的总峰值功率越大，动力性越好，总峰值功率与总质量之比，可以称作功率质量密度，即整车单位质量所具备的功率，显然是越大越动力强劲。图13是按总峰值功率与总质量所形成的散点图，表达了总功率与总质量的关系，代表车型以深色图标显现，电动乘用车总体样本的平均线若用指数形式表达则为：

式中，Pe为电机的峰值总功率平均值；Mt为满载总质量。

4.3.2 整车功率密度指数

整车的功率密度越大动力性越强，但为体现轻量化的“以小为好”，将被评价车型总质量下的功率平均值除以被评价车型的总峰值功率定义为“整车功率密度指数Lw”，表达式为：

式中，Mt为被评车型的总质量；Pe0为被评车型的总峰值功率。

本质上也是评价电动车的总峰值功率与全部样本平均线（值）的比较如图14。整车功率密度指数小的比大的动力性要好。图中也给出了5 个两厢轿车和5 个SUV 车型的相对位置。

图13 总功率与总质量的关系

图14 整车的功率密度指数

5 动力经济性和续驶及评价

5.1 动力性与指数评价

5.1.1 比功率与最高速度

在乘用车中，尤其是轿车，常用比功率曲线（即横坐标为车辆的最高车速Umax，纵坐标为比功率Pm），在计算比功率时，按电动车的通常作法，用（整备质量+100 kg）作为总质量，即比功率为：

式中，Pm是比功率；Pe为电机的总峰值功率；M为整备质量。

以最高车速为横坐标，比功率为纵坐标的全样本比功率散点图，见图15，其内涵盖了滚阻和空气阻力的影响，将比功率与最高车速的散点图按汽车的阻力功率多项式的形式拟合的样本平均线为：

式中，Pm为样本的比功率平均值；Umax为最高车速。

图15 整车的车速比功率图

Pm是当前电动乘用车的比功率平均值与最高车速Umax的关系，在线右下侧的点更好，表征系统阻力（含空气阻力）更小，是更好的设计和匹配。

5.1.2 汽车比功率指数

在图15 中，相比较而言，在同样的某一最高车速下，比功率较小者，整体的动力发挥更好，显然整体效率也较高，平均线(式16)之下的点比线之上的点好，用被评价车型的比功率除以平均比功率作为“比功率指数Lp”的定义：

式中，Pe0为被评车型的电机总峰值功率；M为被评车型的整备质量；Umax为被评车型的最高车速。

图16 整车的比功率指数

图16 为全样本的比功率指数图，SUV 和两厢轿车代表车型的比功率指数，以深色图标表示在图中。

5.2 经济性与指数评价

5.2.1 电动乘用车的能量消耗与限值

对近年电动乘用车的能量消耗进行统计，工况法的能耗（电耗）与整备质量的统计散点图如图17 所示，还有5 款两厢轿车和5 款SUV 的代表车型也以深色图标表示在于图中。

为节能减排，国家于2019 年7 月1 日开始实施GB/T 36980—2018《电动汽车能量消耗率限值》，标准中分2 个阶段（第一阶段和第二阶段）[3]，将其阶梯图化为线性图，用公式表达能量消耗率限值为[1]：

式中，M 为整备质量；YS1，YS2分别为第一阶段和第二阶段的限值。

图17 电能消耗与整备质量

5.2.2 能量消耗指数

用实际的能量消耗（电耗）除以能量消耗率限值，作为评价电耗的水平，称为能量消耗指数。本节用第2 阶段限值，得“能量消耗指数Ln”为：

式中，M 为被评价车型的整备质量；Y 为被评价车型的能量消耗。

图18 是全样本的能耗指数图及代表车型的所在位置的表达；总体上说，两厢轿车好于SUV。

图18 能量消耗指数

5.3 续驶里程与指数评价

5.3.1 续驶里程与整备质量

统计分析当前电动乘用车的续驶里程与整备质量的关系如图19 所示，还有5 款两厢轿车、5款SUV、5 款两座车的代表车型以深色图标表示在图中。如用对数形式表达平均续驶里程与整备质量的关系如式（21），如用线性式表达，则如式（22）：

式中，M为整备质量；Sn是全样本的平均续驶里程。

图19 续驶里程与整备质量

5.3.2 续驶里程的指数评价

同样采用相对比较的方法，同样是“以小为好”的原则，用样本的平均续驶里程除以评价车的续驶里程来表征“续驶里程指数Lx”。如果用线性式（22），则得：

式中，M为被评价车型的整备质量（kg）；Sn0为被评价车型续驶里程（km）。

图20 所示为全样本的续驶指数图及代表车型的相对位置表示。

图20 电动汽车续驶指数

6 单项及总体的综合评价

6.1 各个单项评价及单项排名

前面的章节分别对10 个相关指数进行了定义和图解说明，对表1 中所有代表车型的相关指数作一个统一的列表，如表2 所示，整车质量密度分为整车整备质量密度指数（由式2 算得）、不含电池的整车质量密度指数（由式4 算得）2 种，代表车型的数值与排名列于表2 中的3、4 列和5、6 列；电池质量比及整车载质量由电池质量占比指数（式6）和载质量指数（式8）组成，在表中的7、8 列和9、10列；电池及电机性能包含动力电池轻量化指数（式10）、整车能量密度指数（式12）和整车功率密度指数（式14），由11、12 列、13、14 列及15、16 列构成；动力经济性及续驶指标有比功率指数（式17）、能耗指数（式20）和续驶指数（式23）共3 项，其排名由17、18 列和19、20 列及21、22 列构成。

6.2 总体综合评价及排名

将10 项指数合计列于表3 第3 列，同类车型（分组排名）在第4 列，各类车型的总排名在第5列；鉴于各类车型在结构布置上的差异，并消除其带来的影响，对不同类的车型设定不同的加权值；统计各类车型全样本的指数平均值于第6 列，用10除以各组全样的平均值，作为加权系数于7 列，将第3 列与第7 列相乘，得加权合计于列8，加权合计排名于列9，这样可认为是不同类车型可比较的综合排名。