中低速電動(dòng)汽車盈虧敏感性分析

朱 妮，歐陽(yáng)明高，盧蘭光，江發(fā)潮

(1.中國(guó)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(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100084)

前言

目前，我國(guó)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(guó)際社會(huì)稱為是市場(chǎng)的突破口［1］，美國(guó)和加拿大等國(guó)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(wèn)題，人們?nèi)匀淮嬖谝蓡?wèn)，目前對(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(gòu)買和使用過(guò)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(lái)說(shuō)，汽車生命周期成本包括兩大部分:(1)購(gòu)置成本;(2)運(yùn)行成本［4-5］。對(duì)于燃油汽車，購(gòu)置成本即為購(gòu)車時(shí)的支出。而電動(dòng)汽車的購(gòu)置成本則包含購(gòu)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(gòu)置成本由整車廠提供的各零部件批量采購(gòu)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(lái)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(gòu)置成本;CVeh，CV為燃油汽車初始購(gòu)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(guó)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(wú)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(wú)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(lái)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(lái)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(lái)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(guò)x的最大整數(shù);C為電池容量;CBat為單塊電池的購(gòu)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(gòu)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(wàn)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(gòu)置成本的增加主要來(lái)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(lái)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(guó)泰君安證券汽車研究部對(duì)3種動(dòng)力電池未來(lái)價(jià)格的預(yù)測(cè)。

2.2 更換動(dòng)力電池總成本分析

在購(gòu)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(wàn)倍。根據(jù)國(guó)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(wàn)km，10萬(wàn)km，15萬(wàn)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(guó)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(guó)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］。考慮到電動(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(guó)對(duì)油價(jià)的調(diào)整主要考慮的因素包括主產(chǎn)油國(guó)的動(dòng)蕩、世界儲(chǔ)量的減少和國(guó)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(guó)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(wàn)km、10萬(wàn)km和15萬(wàn)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(jiàn)，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(wàn)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(wàn)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(guó)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(guó)當(dāng)前國(guó)情，應(yīng)該予以高度重視［8］。目前，我國(guó)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。

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