中低速電動汽車盈虧敏感性分析

朱 妮，歐陽明高，盧蘭光，江發(fā)潮

(1.中國農(nóng)業(yè)大學工學院，北京 100083;2.清華大學，汽車安全與節(jié)能國家重點實驗室，北京 100084)

前言

目前，我國已明確以純電動汽車為主，混合動力汽車為輔的新能源汽車戰(zhàn)略發(fā)展方針。但是受限于動力電池等關(guān)鍵部件的性能和價格，純電動汽車的市場普及步履維艱、進展緩慢。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汽車被國際社會稱為是市場的突破口［1］，美國和加拿大等國家已經(jīng)相繼頒布法規(guī)規(guī)范高速成長中的中低速電動汽車的市場和使用［2］。

中低速電動汽車是針對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］。中低速電動汽車有效控制了能量消耗，實現(xiàn)了現(xiàn)有純電動汽車開發(fā)技術(shù)水平與細分市場需求的完美結(jié)合，做到技術(shù)、實用和功能等多方面的綜合統(tǒng)一。但是，其相對于燃油汽車是否具有成本優(yōu)勢和有多大優(yōu)勢等問題，人們?nèi)匀淮嬖谝蓡?，目前對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汽車的成本對比，更鮮有研究結(jié)論。

本文中從消費者的角度詳細討論中低速電動汽車的生命周期成本，包括購買和使用過程中的成本，并將其與燃油汽車的生命周期成本進行比較，研究在電動汽車技術(shù)發(fā)展和燃油價格不斷上漲的情況下何時能實現(xiàn)電動汽車與燃油汽車的盈虧平衡。對此，重點分析電池價格、電池壽命和燃油價格等關(guān)鍵因素對汽車生命周期成本的影響，研究中低速電動汽車相比同級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低速電動汽車商業(yè)化的意義。

1 中低速電動汽車的成本模型

1.1 汽車生命周期成本和盈虧敏感性的理論模型

對于消費者來說，汽車生命周期成本包括兩大部分:(1)購置成本;(2)運行成本［4-5］。對于燃油汽車，購置成本即為購車時的支出。而電動汽車的購置成本則包含購車時的支出和電池更換成本。

選用中低速電動汽車和同配置的燃油汽車初始購置成本由整車廠提供的各零部件批量采購的成本折算得到，更換動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)電池單價的預測來計算。

運行成本包括能源費用、維護費用和其它支出。其中，其它支出為汽車保險等費用，因為難以量化且相對較小，故在本文計算中忽略不計。中低速電動汽車和燃油汽車運行成本的差異主要表現(xiàn)在能源費用，即耗電費用和燃油費用的差別，主要影響因素分別為充電單價和燃油單價。汽車的生命周期成本的分析模型如圖1所示(其中動力電池成本僅為電動汽車所有)。

根據(jù)圖1所示的汽車生命周期的成本模型，為量化中低速電動汽車相比燃油汽車的優(yōu)勢，提出了中低速電動汽車盈虧敏感性的概念，將其定義為燃油汽車與電動汽車的生命周期成本之比。比值越大，表明電動汽車相比燃油汽車的成本優(yōu)勢越大。當盈虧敏感性指數(shù)小于1時，政府和相關(guān)部門應結(jié)合具體市場情況，及時出臺相關(guān)的補助政策以推動中低速電動汽車的發(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，其計算如式(1)～式(3)所示。

式中:CEV為電動汽車生命周期成本;CCV為燃油汽車生命周期成本;CVeh，EV為電動汽車初始購置成本;CVeh，CV為燃油汽車初始購置成本;CBat，LC為電動汽車電池生命周期成本;COp，LC，EV為電動汽車生命周期運行成本;COp，LC，CV為燃油汽車生命周期運行成本;Ssen為盈虧敏感性指數(shù)。

1.2.2 動力電池總成本模型

動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個時代。其中，鎳氫電池因其高功率密度主要應用于混合動力電動汽車，如豐田普銳斯等;鉛酸電池雖然污染較嚴重，比能量、比功率和循環(huán)壽命都較低，但因其技術(shù)成熟，且價格低廉，目前在我國占有較大的市場份額，廣泛應用于中低速電動汽車;鋰離子動力電池因其高能量密度、長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)對比如表1所示。

表1 3種動力電池性能比較［6］

受循環(huán)壽命的局限，無論是裝用鉛酸電池或鋰離子電池，中低速電動汽車原配的動力電池組都無法滿足整個使用壽命期間的需求，在整車報廢前須多次更換動力電池組。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，普遍預期未來其單價將會出現(xiàn)大幅度降低。因此在本文中，將考慮電池技術(shù)突破和市場擴張對動力電池總成本支出的影響，即電池壽命延長和電池單價降低對總支出的動態(tài)效應。

因為汽車的全生命周期是一個較長的時間段，運行成本在未來的投入將占非常大的一部分，所以在本文中引入了經(jīng)濟學原理的折現(xiàn)率概念，折現(xiàn)率即將未來有限期內(nèi)的資金支出折算成現(xiàn)金的比率，對于消費品的估值支出一般按5%計算［5］。動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x的最大整數(shù);C為電池容量;CBat為單塊電池的購置成本;K為電動汽車生命周期內(nèi)電池總塊數(shù);k為電動汽車生命周期內(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;r為折現(xiàn)率;U為電池電壓。

1.2.3 運行費用成本模型

汽車運行費用包括燃油費、耗電費和維護費。設(shè)定汽車一年中行駛365天，電動汽車的維護費約為燃油汽車維護費的40%［5］。運行費用同樣要考慮折現(xiàn)率。運行費用成本模型如式(7)～式(14)所示。

式中:CEle為電動汽車每年耗電費;CFue，CV為燃油汽車每年燃油費;CMai，CV為燃油汽車每年維護費;CMai，EV為電動汽車每年維護費;COp，CV為燃油汽車每年運行成本;COp，EV為電動汽車每年運行成本;EA為每公里耗電量;FA為每公里耗油量;MA為每公里維護成本;PEle為充電單價;PFue為燃油單價;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 初始購置成本分析

選擇常州麥科卡電動車輛科技有限公司生產(chǎn)的中低速電動汽車哈利為研究對象，其配備的動力電池容量為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(或運行30萬km)。相同配置的燃油汽車100km油耗為5L。

哈利與同級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，純電動汽車比燃油汽車多了動力電池和電機，少了發(fā)動機部件。由表2可以看出，中低速電動汽車相比燃油汽車初始購置成本的增加主要來自動力電池。發(fā)動機技術(shù)已經(jīng)相當成熟，價格穩(wěn)定。車用電機價格在未來將出現(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)的改進和市場的擴大，其成本必然有顯著降低，圖2為國泰君安證券汽車研究部對3種動力電池未來價格的預測。

2.2 更換動力電池總成本分析

在購買中低速電動汽車時，將附帶一套動力電池，單套動力電池的成本(元)大約為電池單價(元/(W·h))的1萬倍。根據(jù)國泰君安證券汽車研究部的研究，預測鋰離子電池的壽命如圖3所示。本文中選定3個代表性動力電池壽命長度(5萬km，10萬km，15萬km)進行分析。在不同的電池壽命下，根據(jù)1.2.2節(jié)中的動力電池總成本模型，計算得到電動汽車在使用期間的動力電池總成本如圖4所示。

2.3 運行成本分析

運行成本主要包括能源費用和維護費用兩大部分。據(jù)美國能源部統(tǒng)計，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年我國電網(wǎng)平均銷售電價為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汽車充電電價比日常居民用電電價略高15%［7］?？紤]到電動汽車主要在經(jīng)濟發(fā)達地區(qū)推廣，因此在此選擇充電電價為0.7元/(kW·h)。而其能源費用則取決于油價。我國對油價的調(diào)整主要考慮的因素包括主產(chǎn)油國的動蕩、世界儲量的減少和國內(nèi)需求的增加。圖5示出1998年至今北京93#汽油單價的統(tǒng)計及其變化趨勢預測曲線，權(quán)且作為我國油價預測的依據(jù)。

油價對于運行費用的影響如圖6所示。油價增高導致燃油汽車和電動汽車運行費用的差額增大，電動汽車在運行中的優(yōu)勢隨油價的增高更顯著。

3 中低速電動汽車盈虧敏感性分析

基于前面的生命周期成本模型對中低速電動汽車和燃油汽車的盈虧敏感性進行分析，電池壽命分別為5萬km、10萬km和15萬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)。圖中同時標出在當前燃油價格下鉛酸電池和鋰離子電池的單價。

由圖7(a)可見，在當前市場技術(shù)情況下，配備鉛酸電池的低速電動汽車相比燃油汽車已經(jīng)具備了市場化成本的絕對優(yōu)勢;而配備鋰離子電池的低速電動汽車目前還處于虧損狀態(tài)。若按圖5中的油價預測，2014年底至2015年初油價可升至10元/L升，由圖7(b)可以看出，若鋰離子電池壽命可達到10萬km，則中低速電動汽車的成本將與燃油汽車達到平衡。由圖7(c)可知，若油價6.7元/L和鋰離子電池單價5元/(W·h)都保持不變，則鋰離子電池壽命須達到15萬km，中低速電動汽車成本才能與燃油汽車平衡。

4 結(jié)論

系統(tǒng)比較了中低速電動汽車和燃油汽車生命周期成本，得出在現(xiàn)有市場條件下，中低速電動汽車若裝用鉛酸電池，則相對于燃油汽車已經(jīng)具備顯著的生命周期成本優(yōu)勢;若裝用鋰離子電池，成本則相當高昂，但伴隨國內(nèi)油價的不斷提升，電池性能的不斷突破和市場規(guī)模的不斷擴大等，預計在2013年裝用鋰離子電池的中低速電動汽車的生命周期成本能夠和同級燃油汽車達到平衡。

中低速純電動汽車是節(jié)能減排和經(jīng)濟實用的汽車產(chǎn)品，符合中國當前國情，應該予以高度重視［8］。目前，我國關(guān)于中低速電動汽車的法規(guī)還處于缺失狀態(tài)，因此應該高度關(guān)注，多給予鼓勵和推廣，從而開啟電動汽車的市場大門。

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