基于大数据的PHEV发动机热效率对使用成本的影响分析
摘要：高效发动机在节省燃油和使用成本的同时通常伴随生产成本提高。本文针对PHEV发动机热效率对使用成本影响问题，分别在法规标准工况以及综合考虑实际单日出行里程、环境温度和实际行驶因素的用户实际使用工况下，进行使用成本进行分析。结果表明，对于业内两种不同典型热效率水平的发动机，在法规标准工况下每10万km使用成本差异为120-315元，在实际用户工况下每10万km使用成本差异为145-359元。主机厂在发展高效发动机时，可参考本文使用成本变化合理控制生产成本增量。
关键词：混合动力使用成本发动机热效率大数据
进入21世纪以来，随着能源问题日益紧张，电动化和高效化并行发展已成为汽车行业发展的主流趋势[1]。随着电动化程度逐渐加深，市场陆续出现非插电混合动力汽车（HEV）、插电式混合电动汽车（PHEV）和纯电动汽车（EV）多种技术路线，发展至今PHEV和EV已占据30%以上的市场份额[2-3]。与此同时，针对传统动力源发动机的高效化改进也在持续进行[4-5]，该技术可以使汽车在满足严格的排放标准的同时，能够满足日益挑战性的市场需求，为消费者提供更具经济性和环保性的出行选择。截至目前，高效混动专用发动机最大热效率通常可达到43%左右[6-7]。
然而，尽管发动机的高效化提高了整体性能，却伴随着生产成本的明显提升。这种效率提升通常涉及复杂的工程设计、先进的材料科技以及精密的制造过程，这些因素共同推动了发动机的性能水平[8-9]；制造环节引入这些创新也导致了昂贵的研发和生产成本[10]。同时这种效率提升带来的节能效果在某种程度上受到油耗基数减小的制约，逐渐显得弱化。以PHEV车型为例，它具有电和油两个不同的能量源，与传统能源汽车相比，对能量的使用方法不同，其具有电量消耗（CD）和电量保持（CS）两种工作模式[11-12]。在CD模式中，当车辆电池SOC处于较高阶段时，发动机通常不会启动，而是由电池驱动车辆行驶，仅产生电耗而不产生油耗。而在CS模式下，当车辆电池SOC降至较低水平时，车辆旨在保持电池SOC的基本平衡。在这种情况下，系统会自动判定是否启动发动机，因此发动机热效率对能耗的影响主要体现在CS阶段[13]。因此，对于发动机使用成本的计算变得尤为重要，只有当生产成本和使用成本达成平衡才能更好地满足客户需求。
用户在用户实际使用过程中，选择为车辆充电或加油与多种因素相关，难以准确估计单个用户的使用规律。但对于用户群体，可以通过大数据对用户在不同时间、地点和场景下的能源消耗模式进行统计，从而更准确地计算用户的使用成本。
2车辆参数及模型搭建
本文以某款混合动力中型轿车为基础对使用成本进行分析。该车使用串并联混合动力构型，其动力系统构型如图1所示，发动机通过离合器和固定速比减速器与车轮相连，发电机位于离合器输入端相连，驱动电机位于离合器输出端。该车具有串联和并联两种混合动力模式，在低速下离合器断开，进入串联模式，由发动机带动发电机发电，电能输送至驱动电机驱动车辆行驶；高速下离合器接合，进入并联模式，发动机直接驱动车辆，驱动电机利用电池电能进行发电或助力。
为探究发动机效率对使用成本的影响，本文选取两种典型的发动机效率：2020年以前，高效发动机技术多被国外品牌掌握，其最高热效率为41%左右[14]，2021年起国内品牌PHEV得到迅速发展，陆续推出搭载多种效率提升技术的发动机，其热效率可达到43%左右[15-16]，因此选取41%和43%作为两种典型热效率水平。另外，车辆纯电续驶里程对用户使用特征有较大影响，本文在市面常见的PHEV纯电续驶里程区间100～200km中选取三个典型值进行分析。为避免其他因素影响，假设车辆其他参数均一致。整车及动力系统主要参数如表1所示。
根据以上参数，基于成熟的商业化仿真软件平台AMESim搭建仿真模型，用于后续能耗计算。（图2）
3基于法规的PHEV使用成本分析
GB/T19753-2021《轻型混合动力电动汽车能量消耗量试验方法》中，基于全国范围车辆出行半径及使用行为特征数据，提出一种基于出行链的纯电利用系数计算方法，用以表征车辆两次充电间的里程分配权重[17]。本章基于此算法对用户使用成本进行分析。
3.1法规计算方法介绍
国标中定义了纯电利用系数UF，定义为一天行驶中车辆处于电量消耗（CD）模式的里程比例，其计算方法如下：
式中，x为指数参数序号；k为指数参数个数，此处为10；为第x个系数，取值如表2；为两次充电间的最大行驶里程，取值如表2；为电量消耗循环里程，在本文中为车辆的纯电续驶里程。
根据式1，可得车辆纯电续驶里程与纯电利用系数关系如图3所示。其中纯电续驶里程100、150、200km对应的纯电利用系数分别为0.792、0.