CN110254569A - 一种乘用车整车轻量化技术水平评价方法和存储介质 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种乘用车整车轻量化技术水平评价方法和存储介质，用于对车型轻量化技术水平的评估分析，并使轻量化的评价结果具有可比性。该乘用车整车轻量化技术水平评价方法如下：利用下述公式对乘用车整车轻量化技术水平进行评价，L＝名义密度X重量比功率X脚印油耗，其中L为整车轻量化系数，L值越小，说明乘用车整车轻量化技术水平越高。上述评价方法体现了汽车轻量化的核心工作目标，提升燃油经济性和动力，减小汽车的重量，实现节能减排，绿色环保的设计理念，可用于指导企业设定合理的轻量化目标，评价自身产品的竞争力，也可以用于开展行业不同车系、不同品牌、不同车型间的车型轻量化技术水平评估分析，并使轻量化的评价结果具有可比性。
Description
技术领域
本发明属于汽车制造技术领域，具体涉及到一种乘用车整车轻量化技术水平评价方法。
背景技术
随着轻量化技术的广泛应用，如何评价一款汽车的轻量化技术水平成为轻量化工程开发急待解决的问题。国内外对于轻量化指标及关联因素定量影响的研究较少，在评价方法和指标上尚未形成广泛的共识。目前行业仅在燃油车的轻量化方法方面开展了一些研究，主要涉及的评价指标有：
1)车身轻量化系数：
据文献【1】(李军等，乘用车轻量化评价方法研究[J]，汽车工艺与材料，2014.09：1-5)，车身轻量化系数最早由宝马公司提出，是目前被行业普遍接受的一个评价车身轻量化技术水平的指标。式(1)为车身轻量化系数的定义。
式中：
L—车身轻量化系数；
M—白车身骨架重量，kg；
Ct—白车身静态扭转刚度，Nm/°，带玻璃的油漆白车身，不带四门两盖；
A—车身的脚印，m2＝轴距×轮距；
2)整车轻量化指数E：
李军等在文献[1]中提出了传统燃油车的整车轻量化评价方法，适用于评价不同乘用车之间轻量化技术水平的评价。乘用车整车轻量化系数E见式(2)。
式中：
M—为汽车的整备质量，kg，根据相关行业标准定义；
Q—百公里综合油耗，L，按照GB/T 19233-2008:《轻型汽车燃料消耗量试验方法》；
Ct—为白车身静态扭转刚度，Nm/°，带玻璃的油漆白车身，不带四门两盖；
V—为名义体积，m3，长×宽×(高-离地间隙)；
F—为车身一阶(扭转)频率，Hz；
P—为发动机的功率，kw；
[CNCAP]—CNCAP星级评分，若是[ENCAP]安全分数可进行相应转化。
3)整车轻量化系数：
李军等在文献【2】(李军等，乘用车轻量化及微合金化钢板的应用[M]；北京理工大学出版社，2015)中提到，式(2)中相关参数主要是企业开发过程参数，此类参数一般不公开，考虑到行业内车型的轻量化技术水平比较，需要建立的评价指标应该是简单易操作的，因此，研究人员剔除此上述三个参数，选取了整备重量、名义体积、百公里综合油耗和发动机功率等四个行业公开且易获取的指标，提出了整车轻量化系数，计算公式见式(3)。
式中LW数值越小，轻量化技术水平越高。该指标已被写入《节能与新能源汽车技术路线图》，但使用还不够普遍。
国内近十年多人研究，但均未取得共识和有应用价值的成果，使得轻量化评价方法的研究成为汽车轻量化深入开展的关键基础应用技术之一。整车级轻量化评价体系的缺失，以及对应的轻量化引导政策缺失，导致汽车平均整备质量不断增加。乘用车消费结构的变化，迫切需要轻量化的评价体系去引导理性消费。
发明内容
本发明的目的是提出一种乘用车整车轻量化技术水平评价方法和存储介质，用于对车型轻量化技术水平的评估分析，并使轻量化的评价结果具有可比性。
本发明的乘用车整车轻量化技术水平评价方法如下：利用下述公式对乘用车整车轻量化技术水平进行评价，L＝名义密度X重量比功率X脚印油耗，其中L为整车轻量化系数，L值越小，说明乘用车整车轻量化技术水平越高。
具体来说：
所述名义密度＝W/V，其中W为整车的整备质量，V为整车的名义体积，所述名义体积V采用下述公式获得，V＝L×B×(H-G)，其中，L为车长，B为车宽，H为车高，G为满载状态下的最小离地间隙。
所述重量比功率＝W/P，其中W为整车的整备质量，P为驱动机构最大功率。当所评价的车为燃油车时，驱动机构最大功率P为发动机最大功率；当所评价的车为纯电动车时，驱动机构最大功率P为所有驱动电机的最大功率之和。
所述脚印油耗＝Q/A，其中Q为单位距离能耗比，A为整车四轮间的垂向投影面积。所述整车四轮间的垂向投影面积A采用下述公式获得，A＝(前轮距+后轮距)/2×轴距。当所评价的车为燃油车时，单位距离能耗比Q为百公里油耗；当所评价的车为纯电动车时，单位距离能耗比Q为电池容量与最大续航里程的比值。
本发明还提出了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有指令，关键在于所述指令被处理器执行时实现上述的乘用车整车轻量化技术水平评价方法。
本发明定义了一个整车轻量化评价指标—整车轻量化系数，由名义密度、重量比功率和脚印油耗三个指标的乘积组成，涉及车型的油耗(电耗)、整备质量、发动机(或驱动电机)的功率等整车性能参数，以及名义体积，脚印面积等尺寸参数，该评价方法体现了汽车轻量化的核心工作目标，提升燃油经济性和动力，减小汽车的重量，实现节能减排，绿色环保的设计理念，适用于M1类(其他类型汽车可以参考)燃油或电动乘用车整车轻量化技术水平的评估，指导企业设定合理的轻量化目标，评价自身产品的竞争力。也可以用于开展行业不同车系、不同品牌、不同车型间的车型轻量化技术水平评估分析，并使轻量化的评价结果具有可比性。
附图说明
图1是燃油乘用车重量比功率与电动乘用车加速性能关系图
图2是重量比功率与电动乘用车加速性能关系图
图3是年度燃油经济性与脚印面积的关系图。
具体实施方式
下面对照附图，通过对实施实例的描述，对本发明的具体实施方式如所涉及的各构件的形状、构造、各部分之间的相互位置及连接关系、各部分的作用及工作原理等作进一步的详细说明。
实施例1：
本实施例提出了一种乘用车整车轻量化技术水平评价方法，用于对车型轻量化技术水平的评估分析，并使轻量化的评价结果具有可比性。
本发明的乘用车整车轻量化技术水平评价方法如下：利用下述公式对乘用车整车轻量化技术水平进行评价，L＝名义密度X重量比功率X脚印油耗，其中L为整车轻量化系数，L值越小，说明乘用车整车轻量化技术水平越高。
具体来说：
所述名义密度＝W/V，其中W为整车的整备质量，V为整车的名义体积，所述名义体积V采用下述公式获得，V＝L×B×(H-G)，其中，L为车长，B为车宽，H为车高，G为满载状态下的最小离地间隙。
所述重量比功率＝W/P，其中W为整车的整备质量，P为驱动机构最大功率。当所评价的车为燃油车时，驱动机构最大功率P为发动机最大功率；当所评价的车为纯电动车时，驱动机构最大功率P为所有驱动电机的最大功率之和。
所述脚印油耗＝Q/A，其中Q为单位距离能耗比，A为整车四轮间的垂向投影面积。所述整车四轮间的垂向投影面积A采用下述公式获得，A＝(前轮距+后轮距)/2×轴距。当所评价的车为燃油车时，单位距离能耗比Q为百公里油耗；当所评价的车为纯电动车时，单位距离能耗比Q为电池容量与最大续航里程的比值。
下面分别结合燃油车和电动车来详细说明评价方法的原理。
1、燃油车整车轻量化系数Lv：
燃油车整车轻量化系数Lv的计算公式为：
式中：Lv——为燃油车整车轻量化系数，v代表Vehicle，以便与车身轻量化系数区别；
W——为汽车的整备质量，单位：kg；
P——为发动机最大功率，单位：kw；
A——四轮间的垂向投影面积(即前、后轮平均轮距乘以轴距)，单位：m2；
V——名义体积(长度×宽度×(高度-满载状态下的最小离地间隙))，单位：m3；
Q——百公里综合油耗，单位：L/100km；
燃油车整车轻量化系数主要由三部分构成，涉及名义密度(W/V)、重量比功率(W/P)和脚印油耗(Q/A)三个指标。整车轻量化系数Lv越小，代表车型的轻量化技术水平越高。
2、电动车整车轻量化系数Lev：
随着国内双积分政策的落地，新能源汽车市场快速发展。在传统燃油汽车基础上设计的新能源汽车整备质量一般会增加15％-30％以上。重量的增加，显著影响其电耗、动力性、制动性、被动安全性和续航里程等，只有大幅减轻整车其他零件的重量才能抵消电池增加的重量，因此新能源汽车的轻量化显得更为重要。随着新能源汽车的蓬勃发展，建立新能源电动汽车的评价指标，对于指导新能源汽车正向开发和轻量化设计具有重要的指导意义。
基于燃油车轻量化评价(上述式4)指标研究工作的基础上，考虑燃油车和纯电动汽车评价体系的延续性，并结合国内油耗与排放法规的发展趋势，定义电动乘用车轻量化系数Lev。
式中：
Lev—电动汽车整车轻量化评价指标；
C—电池容量，单位：kwh；
Mm—最大续航里程，单位：km；
W—汽车的整备质量，根据相关行业标准定义，单位：kg；
A—为脚印面积，(前轮距+后轮距)/2×轴距，单位：m2；
P—为电机总峰值功率(前电机和后驱动电机功率之和)，单位：kw。
对于依据GB/T 36980明确标注电能消耗量(kWh/100km)的电动车，电能消耗量可近似等价于电池容量与最大续驶里程的比值，或乘以一定的电网转化系数。式(4)中传统燃油车的轻量化系数各参数在背景技术的文献【1】中已有详细论述，纯电动车的轻量化评价系数Lev各指标选择，主要考虑与燃油车评价指标的延续性，同时结合纯电动乘用车的特点、行业法规趋势等等，以期达到合理。Lev参数与Lw参数对照的变化及选择原因见表1。
表1燃油车和纯电动车轻量化评价参数对照
整车轻量化系数Lv中相关参数纳入的原因分析如下：
名义密度：
汽车轻量化的首要任务就是在保证性能的前提下尽可能地降低整车的重量，以达到节能减排的目的，较小的轻量化系数也就应该对应较小的整备质量。因此将整备质量置于公式上方，除以整车的尺寸参数。
研究人员曾对国内乘用车市场的近8000个车型样本进行过分析【见文献1】，油耗、整备质量与脚印面积和名义体积的关系中，名义体积明显优于脚印面积。见表下表。
表2整备重量与整车相关参数关联性分析
| 尺寸参数指标 | 名义体积 | 脚印面积 | 投影面积 | 轴距 |
| 线性相关系数/R | 0.85 | 0.8 | 0.75 | 0.64 |
因此，定义车辆的名义密度：名义密度＝整备质量/名义体积 式(6)；
名义体积定义为：V＝L×B×(H-G) 式(7)；
式中，V为名义体积；L为车长；B为车宽；H为车高；G为最小离地间隙(一般为满载)。上述各参数值按照GB 3730.3和GB 12673的定义和测量方法获取。
车辆的名义密度(Kg/米3)，表示单位车辆空间使用了多少重量的材料，其数值越小越好。此指标可以说明，在满足汽车产品的性能和客户使用要求的前提下，一定重量的材料能创建多大的车辆空间，空间的增大有利于保证驾乘人员的安全空间和舒适驾乘空间，同时可以满足汽车装载空间的需求。
重量比功率：
车辆比功率(单位为Kw/Kg)是行业技术人员高度重视的一个描述车辆质量与车辆动力匹配状态的参数，因其与车辆的动力性能、制动性能和能耗状态密切相关。为了更直观理解其作用，定义车辆比功率的倒数——重量比功率(单位为Kg/Kw)来表征轻量化与动力性的关系。重量比功率的物理意义表示单位动力承担了多少质量物质在运动，数值越小，它的动力性能和能耗状态越好。
对于传统燃油车发动机功率是汽车提供动力性的重要指标，无论发动机采用何种新技术，目的都是为了提高燃油效率以及发动机的功率。
纯电动车的驱动主要是驱动电机，因此，驱动电机最大功率P是决定纯电动车动力性的最重要参数，对于四驱电动车会有前后驱动电机，动力由前后电机共同提供，因此，选取电机总功率置于公式的下方，说明较高的电机总功率，有利于整车轻量化系数的降低。
图1和图2分别为国内部分在售燃油车和纯电动乘用车的加速性能与重量比功率的关系，其线性相关系数分别为0.89和0.97，可以认为是高度相关(＞0.75)。由图可知，电机功率是电动车加速性能的基础，确保轻量化的同时也能兼顾性能。
脚印油耗：
(1)美国的轻型车燃油经济性标准是以脚印面积为自变量，燃油经济性随脚印面积改变而变动，脚印面积越小，每加仑燃油行驶的距离越长。脚印面积两端的燃油经济性目标值呈水平分布，这种分布结构起到了鼓励小尺寸车、限制大尺寸车的目的(如图3所示)。
(2)根据国内专家研究结果(文献【4】，禹如杰等，基于脚印面积的乘用车燃料消耗量标准影响研究，《汽车与配件》，2015年02期)基于脚印面积的燃油经济性标准更倾向于鼓励在不减少车辆尺寸的情形下减轻车重(即降低名义密度)，同时它也鼓励在不增加车辆重量的前提下增大车身尺寸。与此不同的是基于整备质量的燃料消耗量标准倾向于激励企业采用先进节能技术的方式来达到油耗标准，而非鼓励企业通过汽车轻量化来满足标准要求。
(3)(根据文献【3】(EPA&NHTSA,Joint Technical Support Document-FinalRulemaking to Establish Light-Duty Vehicle Greenhouse Gas Emission Standardsand Corporate Average Fuel Economy Standards，[EPA-420-R-10-901])美国EPA&NHTSA关于美国轻型汽车排放和油耗法规的解读，国外采用脚印面积主要考虑到汽车开发平台决定，该参数相对固定，改变的成本较为昂贵，且需花费较大时间，这更有利于法规的稳定实施。基于脚印面积的燃料消耗量标准在很大程度上可以鼓励轻量化，增加企业为达到标准而投机取巧的难度。
国内第五阶段油耗法规GB 19578《乘用车燃料消耗量限值》征求意见稿已正式发布，确定采用以整备质量作为基准参数的线性燃料消耗量评价体系。虽然考虑到法规标准体系延续性，并未直接采用国外脚印面积与油耗关联的法规评价体系，但取消阶梯式评价方式，也使得轻量化的评价更具可操作性。
因此，引入脚印油耗的指标，来体现轻量化对燃油经济性的贡献。
本实施例还提出了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有指令，所述指令被处理器执行时实现上述的乘用车整车轻量化技术水平评价方法。
下面结合具体数据来对实施例进行更为详细的说明。
1、燃油车乘用车轻量化技术水平评价：
表3给出了10款不同车型的主要参数，以用于评价各车型的轻量化整车技术水平。
表3
将表车型1相关参数带入式(6)、式(7)和式(8)中得到名义体积、脚印面积、名义密度、重量比功率和脚印油耗等5个参数。然后依据式(4)计算得到各款车型的整车轻量化系数，见表4。
表4
由于整车轻量化系数越小越好，按照从小到大给对应车型进行排序，给出各车型的轻量化技术水平排名。
对于燃油车的不同车系、不同品牌和不同级别等同类型大样本的对比，可以取样本轻量化系数均值进行对比排序，同类均值最小的，说明该类型车的轻量化技术水平最高。
2、电动车乘用车轻量化技术水平评价：
表5给出了10款电动乘用车的参数，采用电动车整车轻量化系数Lev来评价各车型的整车轻量化技术水平。
表5
将表5中车型相关参数带入式(6)、式(7)和式(8)中得到名义体积、脚印面积和名义密度。然后依据式(5)计算得到整车轻量化系数，见表6。
表6
由于整车轻量化系数越小越好，按照从小到大给对应车型进行排序，给出各车型的轻量化技术水平排名。
上面结合附图对本发明进行了示例性描述，显然本发明具体设计并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的构思和技术方案进行的各种非实质性的改进，或未经改进将本发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种乘用车整车轻量化技术水平评价方法，其特征在于利用下述公式对乘用车整车轻量化技术水平进行评价，L＝名义密度X重量比功率X脚印油耗，其中L为整车轻量化系数，L值越小，说明乘用车整车轻量化技术水平越高。
2.根据权利要求1所述的乘用车整车轻量化技术水平评价方法，其特征在于所述名义密度＝W/V，其中W为整车的整备质量，V为整车的名义体积，所述名义体积V采用下述公式获得，V＝L×B×(H-G)，其中，L为车长，B为车宽，H为车高，G为满载状态下的最小离地间隙。
3.根据权利要求1所述的乘用车整车轻量化技术水平评价方法，其特征在于所述重量比功率＝W/P，其中W为整车的整备质量，P为驱动机构最大功率。
4.根据权利要求3所述的乘用车整车轻量化技术水平评价方法，其特征在于当所评价的车为燃油车时，驱动机构最大功率P为发动机最大功率；当所评价的车为纯电动车时，驱动机构最大功率P为所有驱动电机的最大功率之和。
5.根据权利要求1所述的乘用车整车轻量化技术水平评价方法，其特征在于所述脚印油耗＝Q/A，其中Q为单位距离能耗比，A为整车四轮间的垂向投影面积。
6.根据权利要求5所述的乘用车整车轻量化技术水平评价方法，其特征在于所述整车四轮间的垂向投影面积A采用下述公式获得，A＝(前轮距+后轮距)/2×轴距。
7.根据权利要求5所述的乘用车整车轻量化技术水平评价方法，其特征在于当所评价的车为燃油车时，单位距离能耗比Q为百公里油耗；当所评价的车为纯电动车时，单位距离能耗比Q为电池容量与最大续航里程的比值。
8.一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有指令，其特征在于所述指令被处理器执行时实现权利要求1-7中任一权利要求所述的乘用车整车轻量化技术水平评价方法。
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