插電式混合動力汽車消費者擁有成本模型

王 寧，龔在研，趙 潔

（1.同濟大學 汽車學院，上海200092；2.同濟大學 新能源汽車產(chǎn)業(yè)化研究中心，上海200092）

21世紀是人類社會面臨空前的能源和環(huán)境挑戰(zhàn)的世紀.電動汽車因其良好的節(jié)能減排效益得到國內(nèi)外學者的高度重視.Georg［1］分析和比較了純電動、混合動力汽車對能源安全和環(huán)境保護的作用.Carla等［2］研究了插電式混合動力車型的能量消耗，排放和成本.Mathew等［3］研究發(fā)現(xiàn)擁有150km續(xù)駛里程的純電動車能夠在技術，成本，性能和效率上滿足消費者的大部分需求.Yetano等［4］通過調研指出私人消費者關注新能源汽車產(chǎn)品特性依次是：車輛的購置和使用成本；加注燃料間的續(xù)駛里程；燃料加注的可及性；多種能源使用的可能性；溫室氣體減排.

通過以上文獻可以發(fā)現(xiàn)，消費者的購置和使用成本對插電式混合動力（plug－in hybrid electric vehicle，PHEV）的市場發(fā)展和應用起關鍵的決定性作用，相關政策設計也需要了解消費者的擁有成本，而目前基于消費者視角的定量研究還缺乏深入系統(tǒng)的分析.本文從技術特性出發(fā)，利用Advisor對其關鍵技術結構和尺寸進行仿真，分析其經(jīng)濟性，在此基礎上構建消費者擁有成本模型，研究基本、政府補貼和石油漲價三種情景下其市場競爭力.

1 PHEV工作模式

PHEV通過能量控制策略確定汽車的電能和石油兩種驅動能源使用的時間與方式，從而實現(xiàn)電量消耗模式（charging－depleting mode，CD），電量保持模式（charging－sustaining mode，CS），常規(guī)充電模式中切換運轉［5］.

1.1 車輛模型

本文選取的PHEV20km和PHEV60km、傳統(tǒng)混合動力汽車（hybrid electric vehicle，HEV）與傳統(tǒng)內(nèi)燃機汽車模型（conventional vehicle，CV）具有相同的等級.PHEV采取并聯(lián)布置結構.

1.2 整車參數(shù)與性能目標

本文參考了目前中國市場上主流的幾款緊湊型燃油轎車，設定車輛設計參數(shù)：空氣阻力系數(shù)為0.30，迎風面積為2.1m2，滾動阻力系數(shù)為0.008，整備質量為999kg，額定載質量為136kg，車輪半徑為0.275m，平均電氣系統(tǒng)負荷為500W.性能目標：百公里加速時間13s，持續(xù)最高車速150km·h－1，50km·h－1最大爬坡度7.2%，全電力行駛里程CV、HEV為0km，PHEV分別為20和60km兩種情況，初始車輛電池荷電狀態(tài)（state of charge，SOC）（PHEV在部分充電測試條件下）對于 HEV為65%，PHEV為35%.

1.3 電能消耗

根據(jù)美國環(huán)保署（EPA）對于Chevrolet Volt等PHEV車型的測試結果，假設PHEV的電能消耗約為225Wh·km－1，另外考慮到電池效率以及為保障電池壽命而對結束SOC的要求，只有75%左右的電池能是可以轉化為有效消耗能的.

1.4 出行習慣

為了分析不同使用群體充電習慣對燃料經(jīng)濟性的影響，假設車輛充滿電開始行程和車輛低SOC完全以電量保持模式開始行程的幾率是一樣高的.

2 PHEV經(jīng)濟性分析

2.1 動力部件選型

基于緊湊型轎車的發(fā)動機特征，選擇Saturn 1.9L和Prius2004款1.5L汽油發(fā)動機、本田EV PLUS使用的永磁同步無刷電機MC＿PM 49作為CV和三款混合動力汽車的動力源.CV發(fā)動機（FC＿SI95）排量為1.9L，最大功率為95kW（4 800r·min－1），最大扭矩為165N·m（6 000r·min－1），質量為304kg，最高效率為35%，最大功率質量比為0.3125.HEV／PHEV20km／PHEV60km 發(fā)動機（FC＿PRUIS＿JPN）排量為1.5L，最大功率為43kW（4 000r·min－1），最大扭矩為102N·m（4 000r·min－1），質量為137kg，最高效率為40%，最大功率質量比為0.313 9.電機（MC＿PM 49）額定電壓為288V，最大功率為49kW（1 700～8 750r·min－1），最大扭矩為275N·m（0～1 700r·min－1），質量為60kg，最高效率為96%，最大功率質量比為0.816 7.速度—扭矩特征見圖1～圖3.HEV選擇ESS＿NIMH6電池，單個電池模塊質量為1kg，比功率為800W·kg－1，比能量為40Wh·kg－1，功率能量比為20.PHEV20km 與 PHEV60 km選擇ESS＿NIMH45＿OVONIC電池，單個電池模塊質量為8.4kg，比功率為393W·kg－1，比能量為71W·h·kg－1，功率能量比為5.5.

2.2 動力部件參數(shù)優(yōu)化

根據(jù)電池的基本性能，可以計算PHEV20km和PHEV60km動力電池分別需要10個和30個電池模塊.對于普通HEV則參照豐田Prius選用40個電池模塊.基于ADVISOR軟件的自動優(yōu)化系統(tǒng)計算獲得動力部件參數(shù)CV發(fā)動機最高功率為95 kW；HEV發(fā)動機最高功率為67kW，電機最高功率為44kW，電池模塊數(shù)量為40，功率為32kW，能量為1.6kWh；PHEV20km發(fā)動機最高功率為61 kW，電機最高功率為51kW，電池模塊數(shù)量為10，功率為33kW，能量為6.0kWh；PHEV60km發(fā)動機最高功率為38kW，電機最高功率為75kW，電池模塊數(shù)量為30，功率為99kW，能量為17.9kWh.

2.3 Advisor仿真經(jīng)濟性分析

本文建立嵌入Advisor的PHEV仿真模型（圖4）.借鑒美國汽車工程師協(xié)會（SAE）的《J1711混合動力汽車排放和能量消耗試驗方法推薦規(guī)程》.采用美國環(huán)保局城市行駛循環(huán)（urban dynamometer driving schedule，UDDS）和高速行駛循環(huán)（highway fuel economy cycle，HWFET）兩個工況，引入利用系數(shù)（utility factor，UF）以確定駕駛過程中電量消耗和電量保持不同模式所占的權重，進行經(jīng)濟性評價.經(jīng)過計算得到燃油經(jīng)濟性見表1，純電動行駛經(jīng)濟性見表2，引入UF值的PHEV燃料經(jīng)濟性見表3，最終PHEV燃料經(jīng)濟性見表4.

圖4 PHEV頂層模塊Fig.4 PHEV top－level module

表1 部分充電測試階段（PCT）汽油經(jīng)濟性水平Tab.1 Fuel economy in the partial charge test（PCT）

表2 完全充電測試階段（FCT）電力經(jīng)濟性水平Tab.2 Electricity economy in the full charge test（FCT）

表3 計入利用系數(shù)（UF）的權重后燃料經(jīng)濟性水平Tab.3_Fuel economies with a consideration of the UF weight

3 PHEV消費者擁有成本模型

消費者總擁有成本是指在擁有及使用汽車過程中累計發(fā)生的經(jīng)濟成本，在本文中主要包括購置成本和使用成本.

3.1 購置成本

購置成本由整車制造裝配成本（直接成本）、間接成本和稅收優(yōu)惠三部分組成.HEV與CV兩類車輛有相似的車身和底盤部件，約占全車成本的70%～80%［6］.針對PHEV，只估計比較獨特的發(fā)動機系統(tǒng)、電機系統(tǒng)、電池系統(tǒng)和充電裝置成本.

表4 最終汽車燃料經(jīng)濟性水平比較Tab.4 Comparison of final fuel economies

3.1.1 整車制造裝配成本

整車制造裝配成本主要由車輛基礎部件制造成本、發(fā)動機成本、電機成本、電池組成本、充電裝置等5個部分構成.發(fā)動機價格由發(fā)動機本身價格和熱管理系統(tǒng)價格決定［7］.根據(jù)市場上常見直列四缸發(fā)動機成本和制造企業(yè)內(nèi)部訪問數(shù)據(jù)進行回歸分析［8］，得到經(jīng)驗公式CL4＝84P＋2 968，CTM＝1.652P.其中CL4為發(fā)動機成本，CTM為熱管理系統(tǒng)成本，P為發(fā)動機最高功率.CV，HEV，PHEV20km，PHEV60 km的發(fā)動機系統(tǒng)總成本分別為：發(fā)動機成本10 948，8 596，8 092，6 160元；熱管理系統(tǒng)成本為156.94，110.684，100.772，62.776元.

整個電機系統(tǒng)主要包括的部件是：電機，電機控制器和電機熱管理設備.根據(jù)本文研究中假設量產(chǎn)10萬臺的規(guī)模，其成本根據(jù)市場上電機成本和制造企業(yè)內(nèi)部訪問數(shù)據(jù)進行類比，得到電機系統(tǒng)成本估算公式：CM＝95.9PM＋1 330，CMC＝55PM＋1 055，CMTM＝7PM＋500.其中CM為電機成本，PM為電機最高功率，CMC為電機控制器成本，CMTM為電機熱管理系統(tǒng)成本.HEV電機系統(tǒng)成本為：電機成本5 549.6元，電機控制器成本3 475元，電機熱管理系統(tǒng)成本798元；PHEV20km電機系統(tǒng)成本為：電機成本6 220.9元，電機控制器成本3 860元，電機熱管理系統(tǒng)成本847元；PHEV60km電機系統(tǒng)成本為：電機成本8 522.5元，電機控制器成本5 180元，電機熱管理系統(tǒng)成本1 015元.此外對于CV來說，需要安裝啟動電機，本文調查了市場上類似車輛采用的電機，估計成本為300元左右.

電池組的成本主要取決于電池存儲能量的大小.基于美國能源局（EIA）2005年鎳氫電池（NiMh）成本大約在900～1 200美元·（kWh）－1［9］，根據(jù)美國加州電能研究院（CEI）的Kalhammer教授2007年預測電池成本與電池的功率能量比呈現(xiàn)一定關系［10］，得到電池成本估算公式：CB＿HEV＝5 180E，CB＿PHEV20＝3 710E，CB＿PHEV60＝2 450E.其中CB＿HEV，CB＿PHEV20，CB＿PHEV60分 別 為 HEV，PHEV20km，PHEV60km 電池成本，E為電池能量.HEV，PHEV20km，PHEV60km電池能量分別為1.6，6，17.9kWh，由此得出電池成本分別為8 288，22 260，43 855元.對于CV而言，電氣系統(tǒng)蓄電池成本估計為300元左右.對于PHEV而言，需要一套能夠將交流電轉化為直流電并存儲在動力電池中的充電裝置，價格約為3 000元左右［2］.對于一輛量產(chǎn)的普通緊湊型車輛（CV總重量為1 320kg）而言，其基礎部件的成本約為6萬元左右［7］.按照前面的分析，可以估算出CV，HEV，PHEV20km，PHEV60km的制造裝配成本（直接成本）分別為71 705，86 817，104 381，127 795元.整車制造成本各部分比例見圖5，電池成本分別占到了PHEV20km和PHEV60 km的21%和34%.

圖5 仿真車輛零部件制造成本關系圖Fig.5 Manufacturing costs of simulated vehicle parts

3.1.2 間接成本

間接成本包括：生產(chǎn)管理成本、企業(yè)運營管理成本、銷售成本、利潤等.本文通過各大汽車企業(yè)年報（2006年～2008年）和企業(yè)內(nèi)部專業(yè)人士訪談，估算汽車行業(yè)各大廠商在生產(chǎn)銷售環(huán)節(jié)的中間成本與直接成本之間的比例關系，根據(jù)公式：Ci＝Cmu，其中Ci為間接成本，Cm為整車制造成本，u為當量系數(shù).各大廠商當量系數(shù)均在0.45～0.49之間，本文取u＝0.47，計算得到 CV，HEV，PHEV20km，PHEV60 km的間接成本分別為33 701，40 804，49 059，60 064元.

3.1.3 政府稅收

按照我國現(xiàn)有汽車消費政策，消費者支付的購置稅為零售價格扣除增值稅之后的10%，CV，HEV，PHEV20km，PHEV60km零售價格分別為104 689，126 753，152 396，186 581元；消費者需要支付的購置稅分別為8 948，10 834，13 025，15 947元；消費者購置成本（含稅）分別為：113 637，137 587，165 421，202 528元.

3.2 使用成本

3.2.1 燃料費用

使用成本主要包括燃料（汽油和電能）費用和維護費用.首先根據(jù)國家商務部的相關規(guī)定，車輛的名義壽命假設為15年或者60×104km，取決于哪一個先達到.其次是計算車輛的出行規(guī)律，即一般的消費者使用車輛的頻度、時間、距離等的平均值.本文根據(jù)同濟大學汽車營銷管理學院在2010年對80位上海車主出行規(guī)律做的為期10d的身訪調研（委托專業(yè)的調研公司隨車出行調研），來確定本次研究中的消費者出行規(guī)律.得出平均日行駛里程54.9km，年均行駛里程20 038.5km，PHEV20km和PHEV60 km全電力行駛概率分別為0.4和0.76.在此基礎上，根據(jù)2011年8月上海93號汽油的價格為7.79元·L－1；其次是上海地區(qū)按照民用電價0.617元·（kWh）－1（假設未來5年電費水平基本不變，PHEV的平均充電效率為85%），汽車充電的電費成本為0.726元·（kWh）－1，可以計算出燃料的消耗費用：CV百公里油耗7.4L，年均汽油消耗1 483L，年均汽油費用11 551元；HEV百公里油耗6.6L，年均汽油消耗1 323L，年均汽油費用10 303元；PHEV20km年均電力、汽油行駛里程分別為8 015，12 023km，百公里耗電和油耗為19kWh，6.1L，年平均電力、汽油消耗1 523kWh，733L，年均電費和汽油費為1 106，5 714元，年均燃料消耗費用6 820元；PHEV60km年均電力、汽油行駛里程分別為15 229，4 809km，百公里耗電和油耗為18kWh，5.5L，年平均電力、汽油消耗為2 741kWh，265L，年均電費和汽油費為1 990，2 061元，年均燃料消耗費用為4 051元.

3.2.2 維護費用

PHEV沒有市場化銷售，維護費用較難量化.因此本文利用傳統(tǒng)內(nèi)燃機汽車的維護費用數(shù)據(jù)作為基礎，重點列出因為能量結構轉變而影響的維修類別，主要是因為內(nèi)燃機系統(tǒng)的簡化或者使用減少而節(jié)約費用，通過同濟新能源汽車工程中心專家訪談的方法確定PHEV的維護費用.CV，HEV，PHEV20 km，PHEV60km生命周期維護費用總計分別為41 625，40 125，35 625，33 000元，包括：機油濾清器替換分別為8 250，7 200，4 500，3 000元；空氣濾清器替換分別為975，825，525，0元；火花塞替換分別為900，600，600，0元；正時鏈替換分別為1 500，1 500，0，0元；其他共有維護項目為30 000元.由此可得出年均維護費用分別為2 775，2 675，2 375，2 200元.

3.3 消費者持有成本模型

從消費者角度而言，擁有一輛汽車的成本包括購買成本和使用成本.其中購買成本是固定成本，包括整車制造成本和政府相關稅收；而使用成本主要由車用能源消耗成本和車輛維護成本構成，是隨著車輛運行年限變動的成本.根據(jù)以上分析得出消費者車輛總擁有成本如下：

式中：Ctotal為消費者擁有成本；Cm為整車制造成本；Ci為間接成本；Ct為政府稅收；Cc為能源消耗成本；Cv表示維護成本.

雖然PHEV在車輛制造環(huán)節(jié)成本會高于CV和HEV，但是消費者仍然能夠通過車輛使用階段的能耗成本節(jié)約來得到一定的經(jīng)濟收益（圖6）.

根據(jù)目前新能源汽車的發(fā)展情形，可以定義3種情景，基本情景：油價維持在7.79元·L－1，沒有政策支持.油價上漲情景：在基本情景的基礎上，統(tǒng)計1998年至2010年國內(nèi)油價變化趨勢，進行回歸，求得油價年均增長率為9.94%，故假設15年內(nèi)每年油價上升10%.政策支持情景：PHEV作為一種節(jié)能環(huán)保的新型能源形勢，在推廣初期，各級政府可以適當通過經(jīng)濟杠桿或者直接財政補貼的方式在車輛發(fā)展的不同階段施加不同形式、不同力度的激勵.根據(jù)我國《關于開展私人購買新能源汽車補貼試點的通知》，對PHEV按照動力電池容量給予一次性3000元·（kWh）－1的補貼，最高不超過5萬元，則PHEV20km和PHEV60km分別可獲1.8萬元和5萬元的補貼；HEV作為1.6L以下節(jié)能車型可獲一次性3 000元補貼，可以被視作是政府補貼情景.由此可以計算4款仿真車型消費者在三種不同情景下總擁有成本關系（圖7～圖9）.

從圖7中可知，雖然PHEV在使用成本方面因為較好的燃料經(jīng)濟性和較低的維護費用，具有比較明顯的優(yōu)勢；但是因為初始購置成本過高，因此在車輛行駛生命周期的絕大部分時間，消費者總擁有成本要高于普通內(nèi)燃機汽車，只有到第11年才開始體現(xiàn)出比微弱的成本優(yōu)勢.從圖8中可知，即使沒有政府補貼的情況下，如果油價繼續(xù)像現(xiàn)在一樣保持上升通道，車主也能在第7～8年左右收回差價.汽油價格的長期上升趨勢，對新能源汽車的發(fā)展來說是長期利好的.從圖9中可知，在政府財政補貼的支持下，PHEV在4～5年內(nèi)多支付的購置成本可以得到補償.

4 結論

本文基于基本情景、政府補貼、油價上漲三種情景分析了PHEV消費者全生命周期擁有成本，可以發(fā)現(xiàn)目前的補貼政策標準在5年之內(nèi)具有明顯的作用，隨著電池成本和整車購置價格的降低，相關購車補貼政策可以減弱或取消.油價是PHEV商業(yè)化應用的敏感因素，購車補貼的標準可以隨著油價上漲速度的不同進行適當?shù)恼{整.另外實際運營過程還要充分考慮基礎設施的建設和運營問題，所以真正商業(yè)化可能需要更長的一段時間.

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