美國基于汽油的電動汽車燃料經濟性評價方案介紹

王 兆，袁建軍

Wang Zhao1，Yuan Jianjun2

（1.中國汽車技術研究中心，天津 300162；2.北京汽車研究所有限公司，北京 100079）

1 法律依據

為提高機動車能源效率、節約能源，美國于1975年通過《能源政策保護法》。該法案第3條對《機動車信息及成本節約法》進行了修訂，規定在美國生產或進口至美國的汽車必須滿足強制性的燃料經濟性標準，即企業平均燃料經濟性標準。

根據《機動車信息及成本節約法》，電動汽車在其定義的“汽車”范疇內，但該法案規定的“燃料”并不包括電能，而是將電能與天然氣、液化石油氣、氫氣、醇類燃料等劃歸“替代燃料”。因此，如果不將電動汽車耗電量換算為相應的汽油燃料消耗量，就無法將電動汽車納入企業平均燃料經濟性核算。

1980年1月7日美國總統簽署《克萊斯勒公司借貸擔保法》（1979年），在《電動及混合動力車輛研究、開發及示范法》（1976年）中增加了新條款，并以此在《機動車信息及成本節約法》中要求能源部確定各類車輛的當量汽油燃料經濟性，以便將燃料經濟性較高的電動汽車納入企業平均燃料經濟性核算，鼓勵企業生產電動汽車，加快電動汽車商業化進程。

《克萊斯勒公司借貸擔保法》（1979年）還對《電動及混合動力車輛研究、開發及示范法》（1976年）作了進一步的修訂，要求能源部會同交通部、環保局對將電動汽車納入企業平均燃料經濟性核算開展為期7年的評價。

2 主要進程

按照《機動車信息及成本節約法》第503（a）（3）條，能源部于1980年5月提出了基于汽油的電動汽車當量燃料經濟性計算方法，最終于1981年4月完成法規制定。能源部還按照法律要求，會同交通部、環保局開展為期7年的評價活動，在1987年以前每年對電動汽車當量汽油燃料經濟性因子進行調整。這一措施一直延續至1994年①因國內資料有限且年代較久沒有電子文檔，1994年以前各年度電動汽車當量汽油燃料經濟性因子無從考證。。

1994年，能源部對基于汽油的電動汽車當量燃料經濟性計算方法進行了修訂，根據錯峰充電、全國平均發電效率、發電燃料來源及其消耗速度等提出了新的電動汽車當量汽油燃料經濟性因子；并改變每年調整電動汽車當量汽油燃料經濟性因子的做法，規定在2000年前將保持一個固定數值。除此以外，能源部還提出用SAE J 1634取代SAE J 227a作為燃料經濟性測量標準。

1999年，能源部再次對基于汽油的電動汽車當量燃料經濟性計算方法進行較大幅度的調整，采用與其他替代燃料相同的“燃料含量因子”取代“資源稀缺度因子”，對應電力傳輸損失增加了汽油運輸損失、加注效率的內容，并簡化了“車載附件因子”。

3 基于汽油的電動汽車當量燃料經濟性計算方法

《機動車信息及成本節約法》第 503（a）（3）條對能源部在確定基于汽油的電動汽車當量燃料經濟性時應考慮的因素作了明確規定：

（1）綜合車輛種類、功能、重量確定的電動汽車電能效率；

（2）全國平均發電效率和輸電效率；

（3）美國各類資源節約需要以及發電燃料的用量和相對稀缺度；

（4）與汽油車相比，電動汽車特殊的使用模式。

4 1994年確定的“基于汽油的電動汽車當量燃料經濟性計算方法”

4.1 行駛模式因子（DPF）

能源部認為行駛模式是指電動汽車與汽油車每年行駛里程的比值。由于電動汽車實際使用里程數據缺乏，能源部確定在有足夠的數據支持之前，將其暫定為100%（1.00）。

除上述原因外，盡管目前開發的部分電動汽車特別是主要在社區行駛的電動汽車在續駛里程、加速性能等方面與傳統車輛存在一定差異，但絕大多數消費者購買電動汽車是為了最終完全替換傳統車輛，而不是僅僅作為備用車輛。因此，從滿足消費者需求的角度，電動汽車應該能夠提供與傳統車輛相當的性能。換言之，電動汽車的運行模式與傳統車輛一致；相應地，電動汽車在進行燃料經濟性評價時采用的行駛工況也應與傳統車輛一致。

另外，從法律角度來看，盡管目前的電動汽車續駛里程和連續行駛時間較短，并可能由此導致其使用和行駛方式與傳統車輛存在較大差別，但根據40 CFR 600對汽車的定義，納入企業平均燃料經濟性核算的電動汽車，應滿足“公共街道、道路或公路”行駛需要。因此，能源部認為除續駛里程較短外，電動汽車在其他方面應與傳統車輛一致。實際上，即使是汽油車輛，其使用和行駛方式也存在很大差別，而現有EPA法規并沒有對各類汽油車輛的燃料經濟性根據行駛模式進行相應的調整，因此，能源部決定對DPF取值1.00，但仍在計算公式中保留這一項，以便今后修改調整。

4.2 輸電效率

電能在傳輸過程中會發生一定程度的損耗（即所謂的線損率），并對當量汽油燃料經濟性產生一定負面影響，應將其考慮在內。根據統計，美國全國平均電力傳輸效率約為91.5%，這一數值在今后一段時期不會發生明顯的變化。

4.3 附件因子（AF）

盡管會有少量電動汽車會在氣候較為寒冷的地區使用，并可能為此安裝靠汽油運行的附件，盡管影響因素很多，但能源部在確定基于汽油的電動汽車當量燃料經濟性時，只考慮暖風、除霜器這兩種附件，認為安裝任何一種，都可能導致基于汽油的電動汽車當量燃料經濟性下降10%，且二者具有疊加效果，如表1所示。

盡管這是一個粗略的估計，并不一定準確，但相對而言，附件因子使得基于汽油的電動汽車當量燃料經濟性不利于使用汽油驅動部件的電動汽車；對使用電動暖風及除霜器的電動汽車是一種鼓勵。實際上，只有很少的電動汽車安裝了需要靠汽油運行的附件。

表1 車載附件因子

4.4 發電效率及發電燃料的相對稀缺度

總發電量、發電消耗的能量、發電構成、燃料儲量以及發電所需燃料來源的消耗。

（1）發電效率

發電效率用發電量熱值（Eqi）與發電所需燃料熱值（Iqi）的比值表示（見表2），單位為10005BTU②BTU是英熱單位（英制）。1BTU就是將1磅水的溫度升高1華氏度所需要的熱量，約等于251.9958卡路里（calorie）/0.293Wh/1.055kJ。1BTU/h=0.293071W。。

表2 各類燃料Eq i、Iq i及Eq i/Iq i

整體平均發電效率則根據發電構成中各類燃料發電量所占比例與對應的發電效率計算得出（見表3）。

表3 各類燃料發電效率

（2）發電燃料的相對稀缺度

各類發電燃料的相對稀缺度是根據各類發電燃料可消耗的年限占所有發電燃料可消耗年限的比例，以此確定各類資源的相對稀缺度。其中，各類燃料可消耗年限是根據其在美國已探明儲量和年消耗量確定的（見表4）。

表4 各類發電燃料儲量

如表5所示，認為核電和水電取之不盡，用之不竭，不存在發電燃料消耗年限的問題，其相對稀缺度實際應為零。在稀缺度調查中，需要對使用年限取倒數，為防止結果無窮大，核電和水電稀缺度取0.010。

表5 相對稀缺度Vi

4.5 發電效率及發電燃料的相對稀缺度

1994年以前使用的汽油當量因子（PEF）按如下公式計算，具體數值如表6所示。

其中，DPF為行駛模式因子；nt為全國平均輸電效率；AF為附件因子；Etotal為總發電量構成比例，%；Ii為燃料i占發電燃料總量的比例，%；Vi為燃料i的相對稀缺度。

表6 PEF及確定PEF所需各參數

5 1999年確定的“基于汽油的電動汽車當量燃料經濟性計算方法”

1999年修訂的“基于汽油的電動汽車當量燃料經濟性計算方法”計算公式為：

其中，Eg為電能的當量汽油含量為燃料含量因子；AF為靠汽油驅動的車載附件因子；DPF為行駛模式因子。

與1994年提出的版本相比，主要在以下幾個方面進行了修改。

5.1 采用考慮全壽命周期的電能當量汽油含量（Eg）

電動汽車和汽油車輛最大的區別在于汽油車是在車上完成燃料燃燒過程的，而電動汽車燃料燃燒（美國以化石燃料發電為主）是在車輛外進行的。無論電動汽車還是汽油車，燃料燃燒過程是所有環節中效率最低的。如果只考慮車輛運行階段的汽油消耗和電力消耗，而不考慮其上游環節的能源消耗，會導致電動汽車的燃料經濟性被不合理放大。

汽油和電力全生命周期的相對能源效率，即電能的當量汽油含量 Eg=Tg×Tt×C/Tp。

其中，Tg為美國化石燃料平均發電效率，0.328；Tt美國平均輸電效率，0.924；Tp汽油運輸及加注效率，0.830；C每加侖汽油的能量轉換因子，33440Wh。

（1）將化石燃料發電效率作為平均發電效率在計算美國平均發電效率時只考慮化石燃料，原因有兩個：其一，在今后較長的一段時期內，化石燃料仍然是美國發電的主要燃料。美國核電和水電站有限且在滿負荷運轉，且近期沒有相應的擴容計劃。因此，電動汽車發展導致的電力消耗增長只能通過化石燃料來提供；其二，盡管核電、水電燃料充足，但多數情況下，將原始燃料或物理能轉化為電能的過程并不比化石燃料高效。以核電為例，由于核電廠產生蒸汽的溫度低于化石燃料發電廠，從而導致其熱動效率相對較低。根據能源部的估算，在294K溫度下，核電理論卡諾效率極限為49%，而化石燃料則達到64%，以化石燃料實際發電效率為32.8%計算，核電的發電效率約為25%左右。因此，在計算發電效率時，考慮核電的影響，最終可能導致整體發電效率下降。需要說明的是，水利發電效率明顯高于化石燃料和核電。但由于美國水電站較少，且缺乏相應的數據積累。因此，能源部假定水電發電容量增長所產生的效率提高正好可以抵消核電容量增長所導致的效率下降。

除上述原因外，只考慮化石燃料的發電效率還有一個非常重要的因素是這種方法比較簡單，可以節省時間。

（2）對應電力傳輸損失增加了汽油運輸、加注效率的內容

如果只考慮輸電過程的電力損失而不考慮汽油在運輸、存儲過程的損失，會對基于汽油的電動汽車當量燃料經濟性產生不利的影響，對電動汽車是不公平的。因此，修訂時對汽油運輸、加注效率作出了規定，即Tp。盡管由于加油站所處地域、運輸距離、設備等差異，Tp可能并不準確，甚至存在較大的差別，但法規規定的汽油運輸、加注效率低于輸電效率，實際給予了電動汽車一定程度的優惠。

（3）每加侖汽油的能量轉換因子

能源部認為不同品牌、不同標號的燃料含量不同，應在可能的條件下采用根據調查確定的平均值。但由于環保局并未提供試驗燃料含量值，因此能源部采用替代燃料數據中心報告的數據，用115000 BTU除以轉換系數3.412 BTU/Wh，即33705Wh/gal。

5.2 采用與其他替代燃料相同的“燃料含量因子”取代“資源稀缺度因子”

（1）“資源稀缺度因子”存在的問題

最初對資源稀缺度的計算是根據各類燃料的市場價格確定。在1994年確定的“基于汽油的電動汽車當量燃料經濟性計算方法”中，稀缺度是根據美國石化燃料儲量占全球儲量的份額及其消耗速度確定的。很多人為此批評這一方法不夠具體，能源部對此進行了進一步的研究調查，并發現其中存在的一些錯誤假設。

例如，對資源使用年限的估算是根據每種燃料的已探明儲量和消耗速度（即年消耗量）計算的，但探明儲量是根據目前的經濟、技術條件確定的，隨著技術發展，探明儲量還會不斷地增加；假定所有資源都按同樣的速度，在同一時間消耗完畢也是不正確的。消耗年限不僅與儲量有關，也取決于消耗速度。而且，當某種資源消耗殆盡后，必然會導致剩余其他資源的消耗速度加快。

能源部根據儲量、市場價格對資源稀缺度進行調整，但仍然需要采用很多主觀色彩較濃的假設條件，而且其中部分假設條件之間存在沖突。除此以外，能源部還嘗試采用其他方法來確定資源稀缺度，例如根據全國的平均電價、發電所需燃料生命周期的溫室氣體排放等，結果發現這些方法也存在較為明顯的不確定和不足，無法滿足政策或技術標準需要。

（2）“燃料含量因子”

能源部還對發電所需各類資源儲量作了進一步的調查分析，結果發現盡管所有化石燃料儲量有限，但發電所需的燃料可以用較低的價格通過其他途徑獲得。因此，能源部認為發電所需燃料不僅不短缺，反而非常充足，“資源稀缺度因子”指標沒有任何意義。

最終，能源部決定參照49 U.S.C 32905（a）的規定采用“燃料含量因子”，即除汽油和柴油外的單燃料車輛的燃料經濟性應根據其采用的替代燃料含量確定：1gal液態替代燃料含有0.15gal汽油。即“燃料因子”等于1/0.15或6.67。

（3）采用“燃料含量因子”的優點

與現有關于其他各類替代燃料的法律規定一致，同等對待包括電動汽車在內的各類替代燃料車輛的制造商，與此前考慮的其他方法相比，簡單、直接、易于實施。

需要說明的是，在企業平均燃料消耗量核算中，納入核算的替代燃料車輛數目是有上限限制的。但電動汽車并不受此約束，因此，在企業平均燃料經濟性核算中實際上給予電動汽車更大的優惠。

5.3 簡化了車載附件因子（AF）

與1994年版本相比，本次修訂的車載附件因子只考慮是否安裝靠汽油驅動的附件，而不考慮附件數量的差異（表7）。

表7 車載附件因子

5.4 DPF

如4.1所述，根據40 CFR 600對汽車的定義，納入企業平均燃料經濟性核算的電動汽車，應滿足“公共街道、道路或公路”行駛需要，即除續駛里程較短外，在其他方面應與其他車輛一致。因此，繼續對DPF取值1.00，但仍在計算公式中保留這一項，以便今后修改調整。

5.5 基于汽油的電動汽車當量燃料經濟性因子最終賦值

根據電動汽車是否具有靠汽油驅動的暖風、除霜器，基于汽油的電動汽車當量燃料經濟性因子賦值如表8。

表8 基于汽油的電動汽車當量燃料經濟性因子賦值

6 基于汽油的電動汽車當量燃料經濟性計算示例

某電動汽車按照環保局規定試驗程序測定的市區耗電量為265Wh/mile，公路耗電量為220 Wh/mile。

根據市區、公路分別占55%、45%的權重系數，綜合耗電量應為：