朱 妮，歐陽明高，盧蘭光，江發(fā)潮

(1.中國農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，北京 100083;2.清華大學(xué)，汽車安全與節(jié)能國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100084)

前言

目前，我國已明確以純電動(dòng)汽車為主，混合動(dòng)力汽車為輔的新能源汽車戰(zhàn)略發(fā)展方針。但是受限于動(dòng)力電池等關(guān)鍵部件的性能和價(jià)格，純電動(dòng)汽車的市場(chǎng)普及步履維艱、進(jìn)展緩慢。從能量消耗最低的角度出發(fā)，貼近用戶需求的中低速電動(dòng)汽車被國際社會(huì)稱為是市場(chǎng)的突破口［1］，美國和加拿大等國家已經(jīng)相繼頒布法規(guī)規(guī)范高速成長(zhǎng)中的中低速電動(dòng)汽車的市場(chǎng)和使用［2］。

中低速電動(dòng)汽車是針對(duì)城市居民的需求開發(fā)的，乘員數(shù)1～4人，續(xù)駛里程約為100km，最高車速為70km/h的輕型汽車［3］。中低速電動(dòng)汽車有效控制了能量消耗，實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)有純電動(dòng)汽車開發(fā)技術(shù)水平與細(xì)分市場(chǎng)需求的完美結(jié)合，做到技術(shù)、實(shí)用和功能等多方面的綜合統(tǒng)一。但是，其相對(duì)于燃油汽車是否具有成本優(yōu)勢(shì)和有多大優(yōu)勢(shì)等問題，人們?nèi)匀淮嬖谝蓡?，目前?duì)于這方面的研究很少，尤其是裝用鉛酸電池和鋰離子電池的中低速電動(dòng)汽車的成本對(duì)比，更鮮有研究結(jié)論。

本文中從消費(fèi)者的角度詳細(xì)討論中低速電動(dòng)汽車的生命周期成本，包括購買和使用過程中的成本，并將其與燃油汽車的生命周期成本進(jìn)行比較，研究在電動(dòng)汽車技術(shù)發(fā)展和燃油價(jià)格不斷上漲的情況下何時(shí)能實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車與燃油汽車的盈虧平衡。對(duì)此，重點(diǎn)分析電池價(jià)格、電池壽命和燃油價(jià)格等關(guān)鍵因素對(duì)汽車生命周期成本的影響，研究中低速電動(dòng)汽車相比同級(jí)別燃油汽車的成本優(yōu)劣性，及裝用鉛酸電池和鋰離子電池對(duì)低速電動(dòng)汽車商業(yè)化的意義。

1 中低速電動(dòng)汽車的成本模型

1.1 汽車生命周期成本和盈虧敏感性的理論模型

對(duì)于消費(fèi)者來說，汽車生命周期成本包括兩大部分:(1)購置成本;(2)運(yùn)行成本［4-5］。對(duì)于燃油汽車，購置成本即為購車時(shí)的支出。而電動(dòng)汽車的購置成本則包含購車時(shí)的支出和電池更換成本。

選用中低速電動(dòng)汽車和同配置的燃油汽車初始購置成本由整車廠提供的各零部件批量采購的成本折算得到，更換動(dòng)力電池的成本則根據(jù)假設(shè)的電池壽命，結(jié)合在一定范圍內(nèi)電池單價(jià)的預(yù)測(cè)來計(jì)算。

運(yùn)行成本包括能源費(fèi)用、維護(hù)費(fèi)用和其它支出。其中，其它支出為汽車保險(xiǎn)等費(fèi)用，因?yàn)殡y以量化且相對(duì)較小，故在本文計(jì)算中忽略不計(jì)。中低速電動(dòng)汽車和燃油汽車運(yùn)行成本的差異主要表現(xiàn)在能源費(fèi)用，即耗電費(fèi)用和燃油費(fèi)用的差別，主要影響因素分別為充電單價(jià)和燃油單價(jià)。汽車的生命周期成本的分析模型如圖1所示(其中動(dòng)力電池成本僅為電動(dòng)汽車所有)。

根據(jù)圖1所示的汽車生命周期的成本模型，為量化中低速電動(dòng)汽車相比燃油汽車的優(yōu)勢(shì)，提出了中低速電動(dòng)汽車盈虧敏感性的概念，將其定義為燃油汽車與電動(dòng)汽車的生命周期成本之比。比值越大，表明電動(dòng)汽車相比燃油汽車的成本優(yōu)勢(shì)越大。當(dāng)盈虧敏感性指數(shù)小于1時(shí)，政府和相關(guān)部門應(yīng)結(jié)合具體市場(chǎng)情況，及時(shí)出臺(tái)相關(guān)的補(bǔ)助政策以推動(dòng)中低速電動(dòng)汽車的發(fā)展。

1.2 生命周期成本分析算法

1.2.1 生命周期成本和盈虧敏感性模型

根據(jù)圖1所示的汽車生命周期成本模型，其計(jì)算如式(1)～式(3)所示。

式中:CEV為電動(dòng)汽車生命周期成本;CCV為燃油汽車生命周期成本;CVeh，EV為電動(dòng)汽車初始購置成本;CVeh，CV為燃油汽車初始購置成本;CBat，LC為電動(dòng)汽車電池生命周期成本;COp，LC，EV為電動(dòng)汽車生命周期運(yùn)行成本;COp，LC，CV為燃油汽車生命周期運(yùn)行成本;Ssen為盈虧敏感性指數(shù)。

1.2.2 動(dòng)力電池總成本模型

動(dòng)力電池一百多年的發(fā)展經(jīng)歷了鉛酸電池、鎳氫電池和鋰離子電池3個(gè)時(shí)代。其中，鎳氫電池因其高功率密度主要應(yīng)用于混合動(dòng)力電動(dòng)汽車，如豐田普銳斯等;鉛酸電池雖然污染較嚴(yán)重，比能量、比功率和循環(huán)壽命都較低，但因其技術(shù)成熟，且價(jià)格低廉，目前在我國占有較大的市場(chǎng)份額，廣泛應(yīng)用于中低速電動(dòng)汽車;鋰離子動(dòng)力電池因其高能量密度、長(zhǎng)壽命等卓越性能在近期受到廣泛關(guān)注。3種電池的基本性能參數(shù)對(duì)比如表1所示。

表1 3種動(dòng)力電池性能比較［6］

受循環(huán)壽命的局限，無論是裝用鉛酸電池或鋰離子電池，中低速電動(dòng)汽車原配的動(dòng)力電池組都無法滿足整個(gè)使用壽命期間的需求，在整車報(bào)廢前須多次更換動(dòng)力電池組。尤其是鋰離子電池目前處于發(fā)展早期，其大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化尚未啟動(dòng)，普遍預(yù)期未來其單價(jià)將會(huì)出現(xiàn)大幅度降低。因此在本文中，將考慮電池技術(shù)突破和市場(chǎng)擴(kuò)張對(duì)動(dòng)力電池總成本支出的影響，即電池壽命延長(zhǎng)和電池單價(jià)降低對(duì)總支出的動(dòng)態(tài)效應(yīng)。

因?yàn)槠嚨娜芷谑且粋€(gè)較長(zhǎng)的時(shí)間段，運(yùn)行成本在未來的投入將占非常大的一部分，所以在本文中引入了經(jīng)濟(jì)學(xué)原理的折現(xiàn)率概念，折現(xiàn)率即將未來有限期內(nèi)的資金支出折算成現(xiàn)金的比率，對(duì)于消費(fèi)品的估值支出一般按5%計(jì)算［5］。動(dòng)力電池的全生命周期成本模型如式(4)～式(6)所示。

式中:［x］表示不超過x的最大整數(shù);C為電池容量;CBat為單塊電池的購置成本;K為電動(dòng)汽車生命周期內(nèi)電池總塊數(shù);k為電動(dòng)汽車生命周期內(nèi)更換的第k塊電池;LBat為電池壽命;LV為整車生命周期行駛里程;N為汽車壽命;Q為電池單價(jià);r為折現(xiàn)率;U為電池電壓。

1.2.3 運(yùn)行費(fèi)用成本模型

汽車運(yùn)行費(fèi)用包括燃油費(fèi)、耗電費(fèi)和維護(hù)費(fèi)。設(shè)定汽車一年中行駛365天，電動(dòng)汽車的維護(hù)費(fèi)約為燃油汽車維護(hù)費(fèi)的40%［5］。運(yùn)行費(fèi)用同樣要考慮折現(xiàn)率。運(yùn)行費(fèi)用成本模型如式(7)～式(14)所示。

式中:CEle為電動(dòng)汽車每年耗電費(fèi);CFue，CV為燃油汽車每年燃油費(fèi);CMai，CV為燃油汽車每年維護(hù)費(fèi);CMai，EV為電動(dòng)汽車每年維護(hù)費(fèi);COp，CV為燃油汽車每年運(yùn)行成本;COp，EV為電動(dòng)汽車每年運(yùn)行成本;EA為每公里耗電量;FA為每公里耗油量;MA為每公里維護(hù)成本;PEle為充電單價(jià);PFue為燃油單價(jià);Rd為每日行駛里程;η為充電效率，η=80%。

2 生命周期成本分析

2.1 初始購置成本分析

選擇常州麥科卡電動(dòng)車輛科技有限公司生產(chǎn)的中低速電動(dòng)汽車哈利為研究對(duì)象，其配備的動(dòng)力電池容量為10kW·h，續(xù)駛里程為100km，電池充電效率為80%，放電深度為80%。設(shè)定使用壽命為15年(或運(yùn)行30萬km)。相同配置的燃油汽車100km油耗為5L。

哈利與同級(jí)別的燃油汽車的整車物料成本清單如表2所示。

表2 模型物料成本清單

在結(jié)構(gòu)上，純電動(dòng)汽車比燃油汽車多了動(dòng)力電池和電機(jī)，少了發(fā)動(dòng)機(jī)部件。由表2可以看出，中低速電動(dòng)汽車相比燃油汽車初始購置成本的增加主要來自動(dòng)力電池。發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟，價(jià)格穩(wěn)定。車用電機(jī)價(jià)格在未來將出現(xiàn)小幅度的降低，但它在整車成本中所占比例非常小，所以本文中不考慮其變化。鋰離子電池隨著技術(shù)的改進(jìn)和市場(chǎng)的擴(kuò)大，其成本必然有顯著降低，圖2為國泰君安證券汽車研究部對(duì)3種動(dòng)力電池未來價(jià)格的預(yù)測(cè)。

2.2 更換動(dòng)力電池總成本分析

在購買中低速電動(dòng)汽車時(shí)，將附帶一套動(dòng)力電池，單套動(dòng)力電池的成本(元)大約為電池單價(jià)(元/(W·h))的1萬倍。根據(jù)國泰君安證券汽車研究部的研究，預(yù)測(cè)鋰離子電池的壽命如圖3所示。本文中選定3個(gè)代表性動(dòng)力電池壽命長(zhǎng)度(5萬km，10萬km，15萬km)進(jìn)行分析。在不同的電池壽命下，根據(jù)1.2.2節(jié)中的動(dòng)力電池總成本模型，計(jì)算得到電動(dòng)汽車在使用期間的動(dòng)力電池總成本如圖4所示。

2.3 運(yùn)行成本分析

運(yùn)行成本主要包括能源費(fèi)用和維護(hù)費(fèi)用兩大部分。據(jù)美國能源部統(tǒng)計(jì)，北京的私家車平均日均行駛里程為50km(假設(shè)一年中行駛365天)。2009年我國電網(wǎng)平均銷售電價(jià)為0.53072元/(kW·h)，居民生活用電平均0.4674元/(kW·h)，居民、電網(wǎng)企業(yè)和政府所能共同接受電動(dòng)汽車充電電價(jià)比日常居民用電電價(jià)略高15%［7］?？紤]到電動(dòng)汽車主要在經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)推廣，因此在此選擇充電電價(jià)為0.7元/(kW·h)。而其能源費(fèi)用則取決于油價(jià)。我國對(duì)油價(jià)的調(diào)整主要考慮的因素包括主產(chǎn)油國的動(dòng)蕩、世界儲(chǔ)量的減少和國內(nèi)需求的增加。圖5示出1998年至今北京93#汽油單價(jià)的統(tǒng)計(jì)及其變化趨勢(shì)預(yù)測(cè)曲線，權(quán)且作為我國油價(jià)預(yù)測(cè)的依據(jù)。

油價(jià)對(duì)于運(yùn)行費(fèi)用的影響如圖6所示。油價(jià)增高導(dǎo)致燃油汽車和電動(dòng)汽車運(yùn)行費(fèi)用的差額增大，電動(dòng)汽車在運(yùn)行中的優(yōu)勢(shì)隨油價(jià)的增高更顯著。

3 中低速電動(dòng)汽車盈虧敏感性分析

基于前面的生命周期成本模型對(duì)中低速電動(dòng)汽車和燃油汽車的盈虧敏感性進(jìn)行分析，電池壽命分別為5萬km、10萬km和15萬km 3種情況下的分析結(jié)果如圖7所示。圖中數(shù)字為盈虧敏感性指數(shù)。圖中同時(shí)標(biāo)出在當(dāng)前燃油價(jià)格下鉛酸電池和鋰離子電池的單價(jià)。

由圖7(a)可見，在當(dāng)前市場(chǎng)技術(shù)情況下，配備鉛酸電池的低速電動(dòng)汽車相比燃油汽車已經(jīng)具備了市場(chǎng)化成本的絕對(duì)優(yōu)勢(shì);而配備鋰離子電池的低速電動(dòng)汽車目前還處于虧損狀態(tài)。若按圖5中的油價(jià)預(yù)測(cè)，2014年底至2015年初油價(jià)可升至10元/L升，由圖7(b)可以看出，若鋰離子電池壽命可達(dá)到10萬km，則中低速電動(dòng)汽車的成本將與燃油汽車達(dá)到平衡。由圖7(c)可知，若油價(jià)6.7元/L和鋰離子電池單價(jià)5元/(W·h)都保持不變，則鋰離子電池壽命須達(dá)到15萬km，中低速電動(dòng)汽車成本才能與燃油汽車平衡。

4 結(jié)論

系統(tǒng)比較了中低速電動(dòng)汽車和燃油汽車生命周期成本，得出在現(xiàn)有市場(chǎng)條件下，中低速電動(dòng)汽車若裝用鉛酸電池，則相對(duì)于燃油汽車已經(jīng)具備顯著的生命周期成本優(yōu)勢(shì);若裝用鋰離子電池，成本則相當(dāng)高昂，但伴隨國內(nèi)油價(jià)的不斷提升，電池性能的不斷突破和市場(chǎng)規(guī)模的不斷擴(kuò)大等，預(yù)計(jì)在2013年裝用鋰離子電池的中低速電動(dòng)汽車的生命周期成本能夠和同級(jí)燃油汽車達(dá)到平衡。

中低速純電動(dòng)汽車是節(jié)能減排和經(jīng)濟(jì)實(shí)用的汽車產(chǎn)品，符合中國當(dāng)前國情，應(yīng)該予以高度重視［8］。目前，我國關(guān)于中低速電動(dòng)汽車的法規(guī)還處于缺失狀態(tài)，因此應(yīng)該高度關(guān)注，多給予鼓勵(lì)和推廣，從而開啟電動(dòng)汽車的市場(chǎng)大門。

［1］王瑛，王賀武，歐陽明高.電動(dòng)汽車微型化發(fā)展路徑分析［J］.電源技術(shù)，2008，32(4):257-260.

［2］張文亮，武斌，李武峰，等.我國純電動(dòng)汽車的發(fā)展方向及能源供給模式探討［J］.電網(wǎng)技術(shù)，2009，33(4):1-5.

［3］中國純電動(dòng)汽車發(fā)展配套措施研究報(bào)告［R］.中國汽車工程學(xué)會(huì)，2009.

［4］馬鈞，俞一鳴.強(qiáng)混合動(dòng)力汽車生命周期成本研究［J］.農(nóng)業(yè)裝備與車輛工程，2009(7):22-25.

［5］Dixon L，Porche III I R，Kulick J.Driving Emissions to Zero［R］.California:Rand Corporation，2002.

［6］崔勝民.新能源汽車技術(shù)［M］.北京:北京大學(xué)出版社，2009.

［7］騰耘，胡天軍，衛(wèi)振林.電動(dòng)汽車充電電價(jià)定價(jià)分析［J］.交通運(yùn)輸系統(tǒng)工程與信息，2008，8(3):126-130.

［8］陳全世，朱家鏈，田光宇.先進(jìn)電動(dòng)汽車技術(shù)［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2009.