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應(yīng)急救援用移動式充電車經(jīng)濟性分析

2016-11-23 05:53:48蘭貞波劉飛劉波馮萬興張杰周盛
廣東電力 2016年10期
關(guān)鍵詞:救援車儲能電動汽車

蘭貞波,劉飛,劉波,馮萬興,張杰,周盛

(國網(wǎng)電力科學(xué)研究院武漢南瑞有限責(zé)任公司,湖北 武漢 430074)

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應(yīng)急救援用移動式充電車經(jīng)濟性分析

蘭貞波,劉飛,劉波,馮萬興,張杰,周盛

(國網(wǎng)電力科學(xué)研究院武漢南瑞有限責(zé)任公司,湖北 武漢 430074)

根據(jù)未來電動汽車救援需求,介紹3種不同類型電動汽車救援車——傳統(tǒng)能源救援車、儲能電池系統(tǒng)救援車以及結(jié)合傳統(tǒng)能源和儲能電池系統(tǒng)于一體的救援車,說明3種救援車的主要區(qū)別在于救援車自身動力類型和救援時的充電救援方式。依據(jù)汽車的生產(chǎn)、運維和報廢過程產(chǎn)生的費用對救援車進行全壽命周期成本分析對比,得出3種救援車全壽命周期成本費用,結(jié)果表明,傳統(tǒng)能源和儲能電池系統(tǒng)于一體的救援車全壽命周期成本費用最低,相比其他兩類車型經(jīng)濟性最好,可廣泛推廣使用。

應(yīng)急救援;電動汽車;救援車;全壽命周期成本;經(jīng)濟性

在全球面臨著能源和環(huán)境雙重危機的大背景下,電動汽車在降低傳統(tǒng)化石能源依賴和減少尾氣排放等方面具有突出優(yōu)勢,大力發(fā)展電動汽車已成為目前世界各主要國家的共識。隨著電動汽車運營數(shù)量的不斷增加,道路上行駛的電動汽車出現(xiàn)故障的概率也會大大提高,電動汽車故障救援工作的重要性日漸突出,如何解決電動汽車實際行駛過程中的故障問題成為當(dāng)務(wù)之急。

為了保障電動汽車的安全可靠使用,國內(nèi)外相關(guān)機構(gòu)和行業(yè)組織都非常重視電動汽車的應(yīng)急救援,在電動汽車故障檢測與信息管理、應(yīng)急救援充電設(shè)備等方面進行了初步研究,并取得了一定的成果。但是,針對應(yīng)急救援用移動式充電車的全壽命周期成本分析的研究很少,本文對3種功能一致、類型不同的應(yīng)急救援車進行全壽命成本分析,包括傳統(tǒng)能源救援車、純電動應(yīng)急救援車以及結(jié)合傳統(tǒng)能源和儲能電池系統(tǒng)于一體的救援車,為應(yīng)急救援充電車的研發(fā)提供理論依據(jù),更為我國電動汽車的廣泛運行提供強力技術(shù)保障。

1 應(yīng)急救援充電車全壽命周期成本分析方法

分析救援充電車的全壽命周期成本需要考慮其全壽命周期所產(chǎn)生的所有費用,目前相關(guān)研究工作不少[1-4],文獻[5]以全壽命周期理論為基礎(chǔ),對電動汽車在全壽命周期過程內(nèi)對環(huán)境造成的影響進行了全面分析,并將電動汽車與燃油汽車對環(huán)境造成的影響進行比較;文獻[6]建立了混合動力汽車的外部環(huán)境成本模型和直接經(jīng)濟成本模型,從車型和時間兩個維度,提出了基于分步疊加思想的計算方法;文獻[7]從消費者角度對電動汽車全壽命周期內(nèi)的成本進行了全面分析, 建立了電動汽車的全壽命周期成本模型, 將電動汽車與燃油汽車成本進行了比較分析;文獻[8]對電動、傳統(tǒng)、混合動力3種類型汽車的能耗和使用成本問題從數(shù)學(xué)的角度進行了建模、求解及分析;文獻[9]對5條煤電技術(shù)供電驅(qū)動電動汽車路線進行了全生命周期能耗和溫室氣體排放定量計算,并與綜合電網(wǎng)供電路線和傳統(tǒng)汽油車路線進行了對比分析。上述研究對象均針對電動汽車,沒有對電動汽車救援車的全壽命周期進行成本分析研究。

汽車全壽命周期成本的分析應(yīng)該考慮流程中所有產(chǎn)生的費用。全壽命周期成本計算應(yīng)依據(jù)國際電工委員會制定IEC 60300-3-3標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定,明確指出設(shè)備的壽命周期階段可以分為概念和定義階段、設(shè)計與研制階段、制造階段、安裝階段、運營和維護階段和退役處置階段,因此,全壽命周期成本是以上各階段所發(fā)生的所有成本之和。從設(shè)備使用者角度來看,全壽命成本包括設(shè)備購置、施工安裝、調(diào)試、運行維護、檢修、改造直至報廢的全過程發(fā)生的總費用,可用式(1)的模型[10],即

(1)

式中:CLCC為全壽命周期成本;CP為設(shè)備的初始投資成本;CC為設(shè)備的運行成本;CM為設(shè)備的檢修維護成本;CF為設(shè)備的故障成本;CRe為退役處置成本。

依據(jù)汽車的全壽命周期流程,本文對3種類型救援車進行了全壽命周期成本分析,為了簡化部分計算,在分析過程中統(tǒng)一將汽車的生產(chǎn)、裝配與配送部分的費用折算至救援車的CP中,考慮了救援車的CC,同時將救援車的CF(比如汽車在日常維護期間需要定期更換輪胎及電池等零部件)與CM統(tǒng)一考慮,CRe為退役處置成本,也是本文的報廢成本??紤]到資金的時間價值,需將救援車生命周期內(nèi)所產(chǎn)生的費用折算至購置初期的現(xiàn)值,本文需要折算的費用包括救援車的運維費用和報廢費用(初始投資成本則不用考慮),其計算方法為

(2)

式中:C為折算至購置初期的成本;T為救援車的壽命年限;Ci為救援車歷年的花費成本;r為通貨膨脹率;R為社會貼現(xiàn)率。

2 全壽命周期成本分析

本文對3種不同類型應(yīng)急救援車進行全壽命成本分析,包括傳統(tǒng)能源救援車、純電動應(yīng)急救援車以及結(jié)合傳統(tǒng)能源和儲能電池系統(tǒng)于一體的救援車,分別記作車型1、車型2和車型3。3類救援車的功能一致,均具備應(yīng)急充電功能和拖車救援功能,通過配置不同的設(shè)備來實現(xiàn)相應(yīng)的功能。車型1是以傳統(tǒng)燃油作為動力,車載柴油發(fā)電機為救援充電電源的組合方式;車型2是以電池組為救援車動力,救援用充電電源同樣也是電池組的組合方式;車型3選用傳統(tǒng)燃油動力汽車,并加裝軸取力發(fā)電機、儲能電池用于救援充電。3種不同類型救援車全壽命周期成本分析過程中重點要分析的對象包括車輛底盤、車載電池、發(fā)電機和一體化充電機。對3類救援車的全壽命周期成本分析的優(yōu)、缺點進行分析和總結(jié),所得結(jié)果見表1。

表1 不同類型救援車性能對比

車型優(yōu)點缺點1救援車?yán)m(xù)航能力強(柴油能量密度高);救援車自身故障率相對較低;提高了救援能力和效率行駛單位里程所需費用較多2行駛單位里程所需費用較少限制了汽車的續(xù)航里程;救援車救援效率低3救援車?yán)m(xù)航能力強(柴油能量密度高);救援車自身故障率相對較低;汽車結(jié)構(gòu)設(shè)計相對簡單救援車行駛單位里程所需費用較多;救援效率低

2.1 不同類型救援車配件

為了體現(xiàn)一致性,本文假設(shè)3種類型救援車的車載充電機型號和規(guī)格都一致(3種車都必須用到充電機)。

2.1.1 車型1的組件

a) 底盤??紤]到救援車內(nèi)部空間及實際城市交通路況,傳統(tǒng)燃油救援車底盤選用QL 11009 KARY載貨汽車底盤,該底盤依據(jù)GB 17691—2005(國Ⅳ)、GB 3847—2005生產(chǎn)制造,底盤軸距3 815 mm,6輪,2軸。發(fā)動機選用型號為4HK1-TCG40,發(fā)動機排量5.193 L,發(fā)動機功率139 kW。總質(zhì)量10 000 kg,整備質(zhì)量2 970 kg,最高車速可達(dá)110 km。

b) 車載發(fā)電機。傳統(tǒng)燃油救援車為給待救援車提供電源,須配備車載發(fā)電機,假設(shè)車載發(fā)電機采用150 kW靜音柴油發(fā)電機。

2.1.2 車型2的組件

a) 底盤。選用與傳統(tǒng)燃油救援車大小一致的底盤,底盤軸距3 800 mm,6輪,2軸。

b) 電池。純電動救援車的電池分為電動車自身動力電池和救援用充電電池兩部分。假設(shè)純電動救援車自身動力電池的電量為150 kWh,對應(yīng)的續(xù)航里程約為180 km,基本滿足城市救援車?yán)m(xù)航里程。假設(shè)救援車上自帶充電電池電量100 kWh,額定電壓325 V,容量400 Ah。

2.1.3 車型3的組件

a) 底盤。結(jié)合傳統(tǒng)能源和儲能電池系統(tǒng)于一體的救援車選用與傳統(tǒng)燃油救援車一致的底盤。

b) 電池。該類型救援車無需考慮車載動力電池,只需設(shè)計對應(yīng)救援充電用電池。同樣假設(shè)救援車上自帶充電電池電量100 kWh,額定電壓325 V,容量400 Ah。

c) 軸取力發(fā)電機。為了提高能力利用率,采用軸取力發(fā)電機,額定功率50 kW,轉(zhuǎn)速1 050~1 650 r/min,輸出功率35~55 Hz,電壓400 V。

2.2 初始投資成本

汽車生產(chǎn)、裝配和配送的主要能源消耗發(fā)生在涂裝、空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)、照明、供暖、物料搬運、焊接以及車間壓縮空氣等工藝或設(shè)備中??疾橐酝嘘P(guān)汽車生命周期評價文獻,評估裝配階段,一般假設(shè)裝配過程能源消耗與質(zhì)量成線性關(guān)系,通常取17.4~22.1 MJ/kg的平均值19.750 MJ/kg作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù),該數(shù)據(jù)最早出現(xiàn)在 1996 年美國汽車工程文獻。這種方法雖然有一定的合理性,但是對高排放的涂裝工序來說,顯然誤差很大,且沒有隨技術(shù)提高做出修正??紤]汽車從裝配線運輸?shù)浇?jīng)銷店的清單與運輸裝置的能量強度和運輸距離有關(guān),本文統(tǒng)一將汽車的生產(chǎn)、裝配與配送部分的費用折算至汽車的售價(初始投資成本)中。

3種救援車不同組件的初始投資成本:傳統(tǒng)燃油汽車底盤大約價格為25萬元,發(fā)電機費用為10萬元,無需安裝相應(yīng)電池;對應(yīng)的純電動汽車底盤售價大約為30萬元,無需相應(yīng)發(fā)電機電池費用為50萬元;結(jié)合傳統(tǒng)能源和儲能電池系統(tǒng)于一體的救援車發(fā)電機費用為3萬元,電池費用20萬元。3類救援車的上裝部分中的靜音降噪車廂約為15萬元,一體化充電機組件為20萬元,其他電氣設(shè)備總和約為18萬元,改裝費大約為17萬元,故3種類型救援車的初始投資成本分別為105萬元、150萬元和118萬元,具體參數(shù)比較見表2。

表2 3種類型救援車初始投資成本 萬元

配件分類費用車型1車型2車型3底盤253025車廂151515發(fā)電機1003電池05020充電機202020改裝181818其他171717

2.3 運維成本

為了使車輛周期的研究結(jié)果能夠與汽車全壽命周期銜接,構(gòu)成電動汽車生命周期評價結(jié)果,并且為了確保全生命周期分析結(jié)果具有可比性,需要設(shè)定相同的汽車壽命里程,汽車壽命周期里程一般設(shè)定在(15~300)×103km。本文研究設(shè)定汽車壽命周期里程為250×103km,與阿貢國家實驗室(Argonne National Laboratory, ANL) 研究的汽車壽命里程平均為 257.44 ×103km基本一致。在汽車壽命期間需要對汽車進行日常維護保養(yǎng),以保證車輛性能。

2.3.1 運行成本

對3類救援車的運行成本的分析主要分兩類:一是救援車自身行駛所需費用;二是救援車救援時所需費用,兩者均指考慮時間價值后對應(yīng)的油費和電費,不考慮人工費用。

2.3.1.1 自身行駛費用

考慮到汽車全壽命周期約為15年,對救援車全壽命周期行駛里程為250×103km而言:傳統(tǒng)燃油救援車燃油驅(qū)動行駛100 km耗油20 L;純電動救援車純電動驅(qū)動行駛100 km耗電100 kWh , 依據(jù)式(2)考慮資金的時間價值,則傳統(tǒng)燃油救援車全壽命周期運行汽油費用32.5萬元,純電動救援車全壽命周期運行電費12.5萬元,結(jié)合傳統(tǒng)能源及儲能電池救援車的行駛費用與傳統(tǒng)燃油汽車費用基本一致,約為32.5萬元。

2.3.1.2 充電救援費用

假設(shè)每臺救援車平均每100 km救援5臺電動車,平均每臺被救援電動車每次充電20 kWh,則每臺救援車全壽命周期內(nèi)救援電動車數(shù)量大約為12 500臺,救援時總用電量為250 MWh。對于傳統(tǒng)燃油救援車而言,由于1 L汽油重0.75 kg,而1 kg汽油完全燃燒能釋放46 MJ的熱量,1 kWh的熱量為3.6 MJ,考慮內(nèi)燃機效率在30%~40%之間,本文取35%折算,那么1 L汽油能夠給電動車充電的電量大約為3.35 kWh??紤]資金的時間價值后,則傳統(tǒng)燃油救援車救援用充電費用大約為48.5萬元;純電動救援車救援用充電費用大約為12.5元;結(jié)合傳統(tǒng)能源及儲能電池救援車救援用電費與純電動汽車救援費用一致,為12.5萬元。

考慮資金的時間價值后,3種類型救援車全壽命周期運行成本:車型1救援車為81萬元;車型2救援車為25萬元;車型3救援車為45萬元。

2.3.2 維修成本

假設(shè)汽車每行駛 62 500 km 需要更換一次輪胎,在全壽命期間需要更換3次;假設(shè)每行駛 6 250 km 需要更換1次發(fā)動機機油,車輛全壽命期間需要更換 39 次;假設(shè)每行駛12 500 km 雨刷液就被完全消耗,汽車全壽命期間需要更換 19 次;假設(shè)每行駛 62 500 km 需要更換1次制動液和動力總成冷卻液,汽車壽命期間需要更換3次;假設(shè)汽車全壽命期間只需更換1次變速箱油,這樣,考慮資金的時間價值后,救援車全壽命周期內(nèi)更換輪胎費用約為35 820元,機油費用為8 385元,雨刷液對應(yīng)的費用為1 000元。

傳統(tǒng)燃油救援車全壽命周期內(nèi),車載發(fā)電機的維修與更換費用大約為20萬元(更換1次,維修多次的費用);電池組的維護費用應(yīng)考慮純電動救援車的電池不僅是自身的動力電源,還是被救援車充電電源,其維護成本相對較高,本文假設(shè)該類型救援車在車輛壽命期間電池維護成本相當(dāng)于整體更換1次、局部更新多次鉛酸電池組的成本,大約為70萬元。結(jié)合傳統(tǒng)能源及儲能電池救援車由于其電池組僅供救援充電用,其電池維護成本相對較少,大約為30萬元,一體化充電機維護費用約5萬元。

綜上所述,考慮資金的時間價值后,3種類型救援車的維護成本:傳統(tǒng)燃油救援車為32.5萬元;純電動救援車為82.5萬元;結(jié)合傳統(tǒng)能源及儲能電池救援車為47.5萬元,具體參數(shù)見表3。

表3 3種類型救援車運維成本 萬元

車型運行成本行駛費用救援費用維修費用運維總費用132.5048.5032.50113.50212.5012.5082.50107.50332.5012.5047.5092.50

從表3可看到,3種類型救援車全壽命周期運維成本為113.5萬元、107.5萬元和92.5萬元。

2.4 報廢回收

電動汽車報廢階段分為車輛主體粉碎和電池報廢處理,根據(jù)財政部、商務(wù)部《關(guān)于2008年老舊汽車報廢更新補貼資金發(fā)放有關(guān)事宜》(財政部、商務(wù)部公告2008年第10號)和省經(jīng)濟和信息化委員會魯經(jīng)貿(mào)循函字[2009]7號文件的相關(guān)內(nèi)容,總質(zhì)量在12 000 kg以上(含12 000 kg)的載貨汽車及準(zhǔn)牽引總質(zhì)量在12 000 kg以上(含12 000 kg )半掛牽引車,補貼標(biāo)準(zhǔn)為每輛車4 000元人民幣。沒有動力裝置的全掛車、半掛車不屬于補貼范圍。2.4.1 發(fā)電機報廢

150 kW的發(fā)動機報廢價格大約為1 500元,而軸取力發(fā)電機報廢價格少于100元,本文忽略。

2.4.2 電池報廢

按照比亞迪能量型FV200A單節(jié)鐵電池的技術(shù)參數(shù),假設(shè)救援車上自帶充電電池電量為100 kWh,額定電壓為325 V,容量為400 Ah,則電池總重量大約為200×6.7 kg=1.34 t,考慮到實際電池間的蓄電池機架,總重量大約為1.5 t。對于純電動救援車動力電池電量為150 kWh,對應(yīng)重量為2.25 t,即純電動救援車電池總重為自身動力電池與救援充電電池重量之和為3.75 t,結(jié)合傳統(tǒng)能源及儲能電池于一體的救援車電池總重量即救援充電用電池重量為1.5 t。

考慮資金的時間價值,電池報廢價格折算至購車初期大約為8元/kg,因救援車全壽命周期內(nèi)電池更換1次,純電動救援車電池報廢價格約為6萬元;傳統(tǒng)能源及儲能電池于一體的救援車電池報廢價格約為2.4萬元。不同組件報廢的費用見表4。

表4 3種類型救援車報廢費用 萬元

車型本體報廢發(fā)電機報廢電池報廢其他配件總報廢費用10.400.3000.200.9020.4006.000.206.6030.4002.400.203.00

3 結(jié)果分析

對傳統(tǒng)能源救援車、儲能電池系統(tǒng)救援車以及結(jié)合傳統(tǒng)能源和儲能電池系統(tǒng)于一體救援車的3種類型車進行了全生命周期分析,具體成本對比見表5。

從表5可看到,3種類型全壽命周期成本從低到高依次為:傳統(tǒng)能源和儲能電池系統(tǒng)于一體的救援車、傳統(tǒng)能源救援車和純電動救援車,其費用分別為207.50萬元、217.60萬元和 250.90 萬元。

表5 3種類型救援車全壽命周期成本對比 萬元

4 結(jié)束語

本文針對3種不同類型應(yīng)急救援車,包括傳統(tǒng)能源救援車、純電動應(yīng)急救援車以及結(jié)合傳統(tǒng)能源和儲能電池系統(tǒng)于一體的救援車。在考慮資金的時間價值基礎(chǔ)上,依據(jù)汽車的生產(chǎn)、運維和報廢過程費用,對3種不同救援車進行全壽命周期成本進行了分析,其中傳統(tǒng)能源和儲能電池系統(tǒng)于一體的救援車全壽命周期成本費用為207.5萬元,是3種救援車中經(jīng)濟性最好的,而傳統(tǒng)能源救援車和純電動救援車全壽命周期成本費用分別為217.6萬元和250.9萬元。該經(jīng)濟性分析為應(yīng)急救援充電車的動力類型和救援充電方式的研發(fā)提供理論依據(jù),更為我國電動汽車的廣泛運行提供了強力技術(shù)保障。

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(編輯 王夏慧)

Analysis on Economy of Mobile Charging Vehicles for Emergency Rescue

LAN Zhenbo, LIU Fei, LIU Bo, FENG Wanxing, ZHANG Jie, ZHOU Sheng

(Wuhan Nari Limited Liability Company of State Grid Electric Power Research Institute, Wuhan, Hubei 430074, China)

According to future electric vehicle rescue demands, this paper introduces three different types of rescue vehicles for electric vehicles including traditional energy rescue vehicles, storage battery system rescue vehicles and integrated rescue vehicles combining traditional energy and storage battery system. It explains major differences of these three kinds of rescue vehicles are self power types and charging rescue modes. In terms of production cost, operation and maintenance cost and cost produced in the process of rejection, it analyzes life cycle cost of the rescue vehicle and obtains costs of three kinds of vehicles. Results indicate life cycle cost of the integrated rescue vehicle combining traditional energy and storage battery system is the lowest and this kind of rescue vehicle has the best economy compared with the other two kinds of vehicles, which can be widely popularized and applied.

emergency rescue; electric vehicle; rescue vehicle; life cycle cost; economy

2016-06-15

國家電網(wǎng)公司科技指南項目(SGTYHT/14-JS-188)

10.3969/j.issn.1007-290X.2016.10.002

F407

A

1007-290X(2016)10-0007-05

蘭貞波(1988),男,湖北洪湖人。工程師,工學(xué)碩士,主要從事高電壓絕緣技術(shù)及電磁場數(shù)值計算工作。

劉飛(1970),男, 湖北武漢人。高級工程師,工學(xué)博士,主要從事電工新技術(shù)工作。

劉波(1987),男,湖北咸寧人。工程師,工學(xué)碩士,主要從事高壓智能電器工作。

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