汽車節能技術經濟性評價研究

沈斌，潘聞文，平翊函，韓紫云，付鐵軍

（1.中國汽車工程研究院股份有限公司，重慶 401120；2.吉林大學汽車工程學院，吉林 長春 130025）

0 引言

石油、煤和天然氣是當今世界的主要能源[1]，但是這些能源很可能在2050年被用盡。目前切實可行的一個措施就是在已有能源消耗方式的基礎上改進，提高能源消耗的經濟性[2]。隨著能源問題的突顯、政策法規的趨嚴，節能成為目前全球汽車產業發展的共同趨勢和轉型升級方向[3]。本文致力于建立一個經濟性模型，從“單車最優節油方案”到“企業最優節油方案”對汽車企業節油技術經濟性進行分析。在保證汽車生產企業的各個車型均使用“單車最優節油方案”之后，要規劃各個車型的生產量，各車型生產量的規劃與各車型的汽車需求量相對應，而汽車需求量受到政策因素、燃料動力價格因素、制造成本因素及技術因素等多方面因素的影響，由于這些不確定因素在未來的發展趨勢各有不同，所以導致企業的最優決策方案也會不同，所建立的模型需要綜合考慮這些因素的影響，合理進行決策[4-5]。

1 單車節油技術經濟性評價模型

目前我國發展比較好的幾種節油技術主要有發動機渦輪增壓技術、發動機缸內直噴技術、發動機可變氣門正時技術（VVT）、發動機可變氣門升程技術（VVL）等發動機節能技術、AMT、DCT、CVT等高效動力傳動技術、低摩擦、輕量化技術、先進電子儀器技術及混合動力技術等[6-7]。

本模型首先計算汽車生產企業內各個車型采用各種節油技術方案的油耗值，然后計算各車型采用不同節油技術方案的節油率、購入成本、節油帶來的經濟效益的凈現值。其中凈現值最大（包括正、負）的所對應的節油技術方案為各車型最適合的節油技術方案。“凈現值”是從消費者角度來考慮，采用節油技術方案所做的投資是否帶來足夠回報；“節油率”反映了相應節油技術方案節油效果的優劣。本文采用現金流量折現法計算凈現值，現金流量折現法是通過對企業未來的現金流量及其風險進行預期，選擇合理的折現率，將未來的現金流量折合成限值，從而比較方案優劣的一種技術經濟分析方法[8-10]。

由于節油技術方案使乘用車油耗降低，所以將消費者每年省下的燃料消耗費用作為現金流入，計算公式為：

單車節油收益（C）=每年行駛公里數÷100×百公里油耗×節油率×油價

平均每年行駛公里數為2萬公里左右，汽油價格均價在7元左右，在節油技術節油率和具體應用車型均確定的情況下，可以計算現金流入。

現金流出是消費者為采用節油技術多付出的成本，稱為購入成本。

凈現值（NPV）的計算公式是：

其中，C為期末金額（可正可負），r為折現率，t為投資期數，假設乘用車的使用為15年；折現率是特定條件下的收益率，說明資產取得該項收益的收益率水平。相關資料表明[11-12]，設折現率為6%。

2 節油技術經濟性計算

我們以2014款卡羅拉車型為例進行計算，與2013款卡羅拉車型相比，其應用CVT替代4AT，在發動機技術上加入升程可變優化技術，并且采用低滾阻輪胎，在車身設計上，將風阻系數優0.01。在計算中采用工信部綜合油耗5.9 L/100 km，油價為7 元/L。

表1 2013與2014版卡羅拉對比Table 1 Comparison between 2013 and 2014 Corolla

表2 各項技術的購入成本及節油效果Table 2 Purchase costs and fuel saving effects of various technologies

2.1 CVT技術

節油收益為：20000÷100×5.9×6%×7=495.6元

總的凈現值NPV=節油收益NPV值-購入成本=4813-1200=3613元

2.2 升程可變優化

節油收益為：20000÷100×5.9×3.5%×7=289.1元

總的凈現值NPV=節油收益NPV值-購入成本=2807-600=2207元

2.3 低滾阻輪胎

節油收益為：20000÷100×5.9×2.6%×7=214.7元

由于一般輪胎的使用壽命為4年，取t為4。

總的凈現值NPV=節油收益NPV值-購入成本=744-400=344元

表3 卡羅拉典型節油技術經濟性對比分析Table 3 Comparative economic analysis of corolla typical fuel saving technology

3 汽車企業節能技術選擇經濟性評價

本節的主要研究內容是“建立汽車企業節油技術選擇經濟性評價模型”，在滿足國家相關政策要求的前提下，構建一個汽車企業節油技術選擇經濟性評價模型，汽車生產企業可以將此模型作為生產規劃的輔助工具，可以為汽車企業在選擇節油技術提供一個簡捷、有效的方法，保證企業汽車產品的多樣性以及最大的經濟利益。

在研究“單車最優節油方案”之后，繼而研究“企業最優節油方案”，目標是建立一個企業節油技術經濟性評價的數學模型，當輸入企業相關數據時，可以為企業選擇節油技術提供參考。

本文建立一個單結點線性規劃模型來對企業初始階段時的最優節油方案進行分析：設企業車隊共有N種車型，各車型的生產量分別為V1、V2、、、Vi、、、VN，成本為N1、N2、、、Ni、、、NN,價格為M1、M2、、、Mi、、、MN，各車型的燃料消耗量（即采用節油技術后的燃料消耗量）為FC1、FC2、、、FCi、、、FCN，各車型對應燃料消耗量目標值為T1、T2、、、Ti、、、TN，各車型的CAFé核算倍數為W1、W2、、、Wi、、、WN。以企業利潤最大化為目標函數，可得線性規劃模型如下：

目標函數：

約束條件：

模型中，Vi為線性規劃的決策變量，即各車型的最優生產量，P是車隊預測需求量； CCAFC是車企燃料消耗量積分；Ui是各車型上一年生產量，α是產量變動百分比。單結點線性規劃模型為了得到汽車企業各車型的最優規劃產量及企業當年獲得的最大利潤值，需要受到各車型的最優節油技術方案、燃料消耗量積分核算及市場需求量對汽車企業的影響，因此在模型中應有市場需求、政策法規及生產能力三方面的約束。分析市場、政策及企業現狀從以三個方面來設置約束條件：

（1）市場需求約束

市場需求預測是企業選擇市場機會的重要依據，也是企業選擇目標市場的重要依據。企業制定經營計劃不能單憑當前的狀況和過去的資料，所以若想使企業的經營工作更富有成效，還需緊緊把握住市場的發展趨勢。在汽車節油技術經濟性評價的過程中，由于企業利潤最大化是最終目標，所以市場需求的預測就在整個模型中起到了很重要的作用。本文所建立的數學模型最終目的是通過合理規劃各車型的生產方案，使企業利潤達到最大。所以市場需求量是本文研究模型中的重要約束條件之一。如圖1所示，簡要分析影響市場需求量的幾個因素：國家經濟發展水平很大程度的影響了汽車市場的發展，在表示國家經濟水平發展的諸因素中，城鎮居民人均可支配收入能直接影響人們的購車行為，本文中用城鎮居民人均可支配收入作為影響汽車需求量的第一個因素；另一個影響汽車需求量的因素是燃料價格，用燃料、動力價格購進指數作為第二個影響因素[13]；此外，原材料成本作為影響汽車價格的一個重要因素，在一定程度上會影響汽車需求量，因此，用鋼鐵價格指數作為第三個影響因素，用黑色金屬購進價格指數來代表；政策因素作為我國最具代表性的宏觀調控手段，很大程度的影響了汽車市場的發展，故將其作為第四個影響因素；節油技術水平的發展影響了消費者的心理，因此也對汽車銷量有一定程度的影響，也將其作為第五個因素；雖然汽車為人們的口常生活帶來了很多的便利，但是隨著汽車保有量的增加，交通問題、環境問題也隨之出現，嚴重的影響了人們的口常生活及消費心理，由于這些因素不容易量化且在已確定的五個影響因素中有所體現，因此，本文中不將其納入模型考慮范圍[14-15]。

圖1 影響市場需求量的五個因素Fig.1 Five factors affecting market demand

（2）政策法規約束

《乘用車企業平均燃料消耗量與新能源汽車積分并行管理辦法》自2018年4月1日起執行。其中約束條件(3)是指燃料消耗量積分核算的約束：

其中，TCAFC為企業平均燃料消耗量目標值， β×TCAFC為企業平均燃料消耗量達標值，其計算式為：

CAFC為企業平均燃料消耗量實際值，其計算式為：

其中，Wi為CAFé車型核算倍數。在已知這些基礎數據之后，再代入企業的平均燃料消耗量實際值就可以計算出企業燃料消耗量積分，目的是在保證企業燃料消耗量積分為正的同時，該積分值越大越好[16]。

（3）生產能力約束

企業生產能力方面具有一定約束。由于企業的規劃產量能直觀反映一個企業的生產能力，但是規劃產量值也要在一定的范圍之內，這個約束就是企業生產能力的約束[17-18]，因此本文擬設置產量變動百分比α為此約束。

對于各車型汽車需求量預測，本文擬采用多元線性模型作為分析基礎，選擇汽車需求量增加百分比作為被解釋變量Y，解釋變量定為城鎮居民人均可支配收入指數X1，燃料、動力價格購進指數X2，鋼鐵價格購進指數X3，虛擬解釋變量為政策因素D1和汽車節油技術水平因素D2。這五個因素也是上文所述影響市場需求量的因素，采用EVIEWS軟件可以對其分析，得到汽車需求量增加百分比與該五個影響因素的線性關系式。

結合汽車預測需求量及相關約束條件，采用MATLAB軟件求解以企業利潤最大化為目標函數的線性規劃模型，獲得最合理的各車型規劃產量，最終得到企業利潤最大化。

4 汽車企業節能技術選擇經濟性評價實例

現以汽車生產企業A作為汽車企業節能技術選擇經濟性評價實例進行分析。本文首先收集了相關數據[19]，并得到2010-2016年汽車保有量及其同比增長率，如圖1所示。結合中華人民共和國統計局2017年《中國統計年鑒》[20]，制成汽車需求量增加百分比與各個影響因素的關系表格，如表4所示。

圖2 2010-2016年汽車保有量及同比增長率Fig.2 Car ownership and year-on-year growth rate(2010-2016)

表4 2010-2016年汽車需求量增加百分比與各影響因素的關系Table 4 Relationship between percentage of increase in demand for vehicles and various influencing factors (2010-2016)

其中，Y表示汽車需求量增加百分比，X1表示城鎮居民人均可支配收入，X2表示燃料、動力價格購進指數，X3表示鋼鐵價格購進指數，D1表示政策因素，D2表示汽車節油技術水平因素。通過采用EVIEWS軟件進行分析可以基本判定被解釋變量Y與5個解釋變量為線性關系，故我們可以建立模型方程為：

通過EVIEWS軟件的回歸分析，得到具體模型方程：

通過分析當前經濟、政治、原材料及燃料動力價格的價格發展水平及發展趨勢，預測2018年X1為35.362，X2為0.938，X3為0.926，D1及D2為1，這樣可以計算出預測Y值為0.356056，可以近似作為該車企本年度計劃生產車輛的增加百分比（約為35.6%），于是總的規劃產量就得到了。

A企業主要生產A1、A2、A3三種乘用車車型，具體信息如下表所示，其中油耗是該種車型采用節能技術后的實際油耗，并設三種車型的規劃產量分別為V1、V2、V3，設產量變動百分比為20%。

表5 A汽車企業車型生產情況表Table 5 Production of a car company models

目標函數：

約束條件：

由上述約束條件求得目標函數的解為（12068，14025，13059），目標函數即企業的收益為453984751元。

5 結論

本文主要從單車節能技術選擇經濟性和汽車企業節能技術選擇經濟性兩方面進行評價，前者主要針對單車節能技術經濟效益評價，從而得到“單車最優節油方案”，作為企業研發節能車型技術方案選擇的參考，而后者主要研究 “企業節能技術經濟性評價”，提出一種汽車企業節能技術選擇經濟性評價方法，結合各影響因素的約束，通過解最優效益的模型方程，得到汽車企業的最佳規劃產量，從而得到最佳的經濟效益。兩種方法相互補充，為企業生產提供了一種有效的工具。

通過上文的模擬計算我們可以得出以下結論：

1）對消費者而言，傳動系的優化（如使用CVT代替4AT）具有最高的經濟效益。這會促進消費者對本車型的選擇，所以，車企應加大力度進行傳動系統優化方面的研究；

2）目前低滾阻輪胎被廣泛應用于乘用車上。低滾阻輪胎的選用，可以降低油耗，但是對于消費者而言性價比低，理性消費者對這項技術認可度不會高；

3）汽車企業節能技術選擇經濟性評價模型考慮市場需求、政策法規及生產能力三方面的約束，對于企業具有一定的適應性。

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