美國基于汽油的電動汽車燃料經(jīng)濟(jì)性評價方案介紹

王 兆，袁建軍

Wang Zhao1，Yuan Jianjun2

（1.中國汽車技術(shù)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(jù)

為提高機(jī)動車能源效率、節(jié)約能源，美國于1975年通過《能源政策保護(hù)法》。該法案第3條對《機(jī)動車信息及成本節(jié)約法》進(jìn)行了修訂，規(guī)定在美國生產(chǎn)或進(jìn)口至美國的汽車必須滿足強(qiáng)制性的燃料經(jīng)濟(jì)性標(biāo)準(zhǔn)，即企業(yè)平均燃料經(jīng)濟(jì)性標(biāo)準(zhǔn)。

根據(jù)《機(jī)動車信息及成本節(jié)約法》，電動汽車在其定義的“汽車”范疇內(nèi)，但該法案規(guī)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(yīng)的汽油燃料消耗量，就無法將電動汽車納入企業(yè)平均燃料經(jīng)濟(jì)性核算。

1980年1月7日美國總統(tǒng)簽署《克萊斯勒公司借貸擔(dān)保法》（1979年），在《電動及混合動力車輛研究、開發(fā)及示范法》（1976年）中增加了新條款，并以此在《機(jī)動車信息及成本節(jié)約法》中要求能源部確定各類車輛的當(dāng)量汽油燃料經(jīng)濟(jì)性，以便將燃料經(jīng)濟(jì)性較高的電動汽車納入企業(yè)平均燃料經(jīng)濟(jì)性核算，鼓勵企業(yè)生產(chǎn)電動汽車，加快電動汽車商業(yè)化進(jìn)程。

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

2 主要進(jìn)程

按照《機(jī)動車信息及成本節(jié)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(dāng)量燃料經(jīng)濟(jì)性計(jì)算方法，最終于1981年4月完成法規(guī)制定。能源部還按照法律要求，會同交通部、環(huán)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(dāng)量汽油燃料經(jīng)濟(jì)性因子進(jìn)行調(diào)整。這一措施一直延續(xù)至1994年①因國內(nèi)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(dāng)量汽油燃料經(jīng)濟(jì)性因子無從考證。。

1994年，能源部對基于汽油的電動汽車當(dāng)量燃料經(jīng)濟(jì)性計(jì)算方法進(jìn)行了修訂，根據(jù)錯峰充電、全國平均發(fā)電效率、發(fā)電燃料來源及其消耗速度等提出了新的電動汽車當(dāng)量汽油燃料經(jīng)濟(jì)性因子；并改變每年調(diào)整電動汽車當(dāng)量汽油燃料經(jīng)濟(jì)性因子的做法，規(guī)定在2000年前將保持一個固定數(shù)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(jīng)濟(jì)性測量標(biāo)準(zhǔn)。

1999年，能源部再次對基于汽油的電動汽車當(dāng)量燃料經(jīng)濟(jì)性計(jì)算方法進(jìn)行較大幅度的調(diào)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(yīng)電力傳輸損失增加了汽油運(yùn)輸損失、加注效率的內(nèi)容，并簡化了“車載附件因子”。

3 基于汽油的電動汽車當(dāng)量燃料經(jīng)濟(jì)性計(jì)算方法

《機(jī)動車信息及成本節(jié)約法》第 503（a）（3）條對能源部在確定基于汽油的電動汽車當(dāng)量燃料經(jīng)濟(jì)性時應(yīng)考慮的因素作了明確規(guī)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(fā)電效率和輸電效率；

（3）美國各類資源節(jié)約需要以及發(fā)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(dāng)量燃料經(jīng)濟(jì)性計(jì)算方法”

4.1 行駛模式因子（DPF）

能源部認(rèn)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(shí)際使用里程數(shù)據(jù)缺乏，能源部確定在有足夠的數(shù)據(jù)支持之前，將其暫定為100%（1.00）。

除上述原因外，盡管目前開發(fā)的部分電動汽車特別是主要在社區(qū)行駛的電動汽車在續(xù)駛里程、加速性能等方面與傳統(tǒng)車輛存在一定差異，但絕大多數(shù)消費(fèi)者購買電動汽車是為了最終完全替換傳統(tǒng)車輛，而不是僅僅作為備用車輛。因此，從滿足消費(fèi)者需求的角度，電動汽車應(yīng)該能夠提供與傳統(tǒng)車輛相當(dāng)?shù)男阅?。換言之，電動汽車的運(yùn)行模式與傳統(tǒng)車輛一致；相應(yīng)地，電動汽車在進(jìn)行燃料經(jīng)濟(jì)性評價時采用的行駛工況也應(yīng)與傳統(tǒng)車輛一致。

另外，從法律角度來看，盡管目前的電動汽車?yán)m(xù)駛里程和連續(xù)行駛時間較短，并可能由此導(dǎo)致其使用和行駛方式與傳統(tǒng)車輛存在較大差別，但根據(jù)40 CFR 600對汽車的定義，納入企業(yè)平均燃料經(jīng)濟(jì)性核算的電動汽車，應(yīng)滿足“公共街道、道路或公路”行駛需要。因此，能源部認(rèn)為除續(xù)駛里程較短外，電動汽車在其他方面應(yīng)與傳統(tǒng)車輛一致。實(shí)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(xiàn)有EPA法規(guī)并沒有對各類汽油車輛的燃料經(jīng)濟(jì)性根據(jù)行駛模式進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整，因此，能源部決定對DPF取值1.00，但仍在計(jì)算公式中保留這一項(xiàng)，以便今后修改調(diào)整。

4.2 輸電效率

電能在傳輸過程中會發(fā)生一定程度的損耗（即所謂的線損率），并對當(dāng)量汽油燃料經(jīng)濟(jì)性產(chǎn)生一定負(fù)面影響，應(yīng)將其考慮在內(nèi)。根據(jù)統(tǒng)計(jì)，美國全國平均電力傳輸效率約為91.5%，這一數(shù)值在今后一段時期不會發(fā)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(qū)使用，并可能為此安裝靠汽油運(yùn)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(dāng)量燃料經(jīng)濟(jì)性時，只考慮暖風(fēng)、除霜器這兩種附件，認(rèn)為安裝任何一種，都可能導(dǎo)致基于汽油的電動汽車當(dāng)量燃料經(jīng)濟(jì)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(jì)，并不一定準(zhǔn)確，但相對而言，附件因子使得基于汽油的電動汽車當(dāng)量燃料經(jīng)濟(jì)性不利于使用汽油驅(qū)動部件的電動汽車；對使用電動暖風(fēng)及除霜器的電動汽車是一種鼓勵。實(shí)際上，只有很少的電動汽車安裝了需要靠汽油運(yùn)行的附件。

表1 車載附件因子

4.4 發(fā)電效率及發(fā)電燃料的相對稀缺度

總發(fā)電量、發(fā)電消耗的能量、發(fā)電構(gòu)成、燃料儲量以及發(fā)電所需燃料來源的消耗。

（1）發(fā)電效率

發(fā)電效率用發(fā)電量熱值（Eqi）與發(fā)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(fā)電效率則根據(jù)發(fā)電構(gòu)成中各類燃料發(fā)電量所占比例與對應(yīng)的發(fā)電效率計(jì)算得出（見表3）。

表3 各類燃料發(fā)電效率

（2）發(fā)電燃料的相對稀缺度

各類發(fā)電燃料的相對稀缺度是根據(jù)各類發(fā)電燃料可消耗的年限占所有發(fā)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(jù)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(fā)電燃料儲量

如表5所示，認(rèn)為核電和水電取之不盡，用之不竭，不存在發(fā)電燃料消耗年限的問題，其相對稀缺度實(shí)際應(yīng)為零。在稀缺度調(diào)查中，需要對使用年限取倒數(shù)，為防止結(jié)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(fā)電效率及發(fā)電燃料的相對稀缺度

1994年以前使用的汽油當(dāng)量因子（PEF）按如下公式計(jì)算，具體數(shù)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(fā)電量構(gòu)成比例，%；Ii為燃料i占發(fā)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(shù)

5 1999年確定的“基于汽油的電動汽車當(dāng)量燃料經(jīng)濟(jì)性計(jì)算方法”

1999年修訂的“基于汽油的電動汽車當(dāng)量燃料經(jīng)濟(jì)性計(jì)算方法”計(jì)算公式為：

其中，Eg為電能的當(dāng)量汽油含量為燃料含量因子；AF為靠汽油驅(qū)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(jìn)行了修改。

5.1 采用考慮全壽命周期的電能當(dāng)量汽油含量（Eg）

電動汽車和汽油車輛最大的區(qū)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(fā)電為主）是在車輛外進(jìn)行的。無論電動汽車還是汽油車，燃料燃燒過程是所有環(huán)節(jié)中效率最低的。如果只考慮車輛運(yùn)行階段的汽油消耗和電力消耗，而不考慮其上游環(huán)節(jié)的能源消耗，會導(dǎo)致電動汽車的燃料經(jīng)濟(jì)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(dāng)量汽油含量 Eg=Tg×Tt×C/Tp。

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

（1）將化石燃料發(fā)電效率作為平均發(fā)電效率在計(jì)算美國平均發(fā)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(nèi)，化石燃料仍然是美國發(fā)電的主要燃料。美國核電和水電站有限且在滿負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)，且近期沒有相應(yīng)的擴(kuò)容計(jì)劃。因此，電動汽車發(fā)展導(dǎo)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(shù)情況下，將原始燃料或物理能轉(zhuǎn)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(chǎn)生蒸汽的溫度低于化石燃料發(fā)電廠，從而導(dǎo)致其熱動效率相對較低。根據(jù)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(dá)到64%，以化石燃料實(shí)際發(fā)電效率為32.8%計(jì)算，核電的發(fā)電效率約為25%左右。因此，在計(jì)算發(fā)電效率時，考慮核電的影響，最終可能導(dǎo)致整體發(fā)電效率下降。需要說明的是，水利發(fā)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(yīng)的數(shù)據(jù)積累。因此，能源部假定水電發(fā)電容量增長所產(chǎn)生的效率提高正好可以抵消核電容量增長所導(dǎo)致的效率下降。

除上述原因外，只考慮化石燃料的發(fā)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(jié)省時間。

（2）對應(yīng)電力傳輸損失增加了汽油運(yùn)輸、加注效率的內(nèi)容

如果只考慮輸電過程的電力損失而不考慮汽油在運(yùn)輸、存儲過程的損失，會對基于汽油的電動汽車當(dāng)量燃料經(jīng)濟(jì)性產(chǎn)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(yùn)輸、加注效率作出了規(guī)定，即Tp。盡管由于加油站所處地域、運(yùn)輸距離、設(shè)備等差異，Tp可能并不準(zhǔn)確，甚至存在較大的差別，但法規(guī)規(guī)定的汽油運(yùn)輸、加注效率低于輸電效率，實(shí)際給予了電動汽車一定程度的優(yōu)惠。

（3）每加侖汽油的能量轉(zhuǎn)換因子

能源部認(rèn)為不同品牌、不同標(biāo)號的燃料含量不同，應(yīng)在可能的條件下采用根據(jù)調(diào)查確定的平均值。但由于環(huán)保局并未提供試驗(yàn)燃料含量值，因此能源部采用替代燃料數(shù)據(jù)中心報告的數(shù)據(jù)，用115000 BTU除以轉(zhuǎn)換系數(shù)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(jì)算是根據(jù)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(dāng)量燃料經(jīng)濟(jì)性計(jì)算方法”中，稀缺度是根據(jù)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(jìn)行了進(jìn)一步的研究調(diào)查，并發(fā)現(xiàn)其中存在的一些錯誤假設(shè)。

例如，對資源使用年限的估算是根據(jù)每種燃料的已探明儲量和消耗速度（即年消耗量）計(jì)算的，但探明儲量是根據(jù)目前的經(jīng)濟(jì)、技術(shù)條件確定的，隨著技術(shù)發(fā)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(guān)，也取決于消耗速度。而且，當(dāng)某種資源消耗殆盡后，必然會導(dǎo)致剩余其他資源的消耗速度加快。

能源部根據(jù)儲量、市場價格對資源稀缺度進(jìn)行調(diào)整，但仍然需要采用很多主觀色彩較濃的假設(shè)條件，而且其中部分假設(shè)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(jù)全國的平均電價、發(fā)電所需燃料生命周期的溫室氣體排放等，結(jié)果發(fā)現(xiàn)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(shù)標(biāo)準(zhǔn)需要。

（2）“燃料含量因子”

能源部還對發(fā)電所需各類資源儲量作了進(jìn)一步的調(diào)查分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)盡管所有化石燃料儲量有限，但發(fā)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(rèn)為發(fā)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(biāo)沒有任何意義。

最終，能源部決定參照49 U.S.C 32905（a）的規(guī)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(jīng)濟(jì)性應(yīng)根據(jù)其采用的替代燃料含量確定：1gal液態(tài)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(yōu)點(diǎn)

與現(xiàn)有關(guān)于其他各類替代燃料的法律規(guī)定一致，同等對待包括電動汽車在內(nèi)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(shí)施。

需要說明的是，在企業(yè)平均燃料消耗量核算中，納入核算的替代燃料車輛數(shù)目是有上限限制的。但電動汽車并不受此約束，因此，在企業(yè)平均燃料經(jīng)濟(jì)性核算中實(shí)際上給予電動汽車更大的優(yōu)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(qū)動的附件，而不考慮附件數(shù)量的差異（表7）。

表7 車載附件因子

5.4 DPF

如4.1所述，根據(jù)40 CFR 600對汽車的定義，納入企業(yè)平均燃料經(jīng)濟(jì)性核算的電動汽車，應(yīng)滿足“公共街道、道路或公路”行駛需要，即除續(xù)駛里程較短外，在其他方面應(yīng)與其他車輛一致。因此，繼續(xù)對DPF取值1.00，但仍在計(jì)算公式中保留這一項(xiàng)，以便今后修改調(diào)整。

5.5 基于汽油的電動汽車當(dāng)量燃料經(jīng)濟(jì)性因子最終賦值

根據(jù)電動汽車是否具有靠汽油驅(qū)動的暖風(fēng)、除霜器，基于汽油的電動汽車當(dāng)量燃料經(jīng)濟(jì)性因子賦值如表8。

表8 基于汽油的電動汽車當(dāng)量燃料經(jīng)濟(jì)性因子賦值

6 基于汽油的電動汽車當(dāng)量燃料經(jīng)濟(jì)性計(jì)算示例

某電動汽車按照環(huán)保局規(guī)定試驗(yàn)程序測定的市區(qū)耗電量為265Wh/mile，公路耗電量為220 Wh/mile。

根據(jù)市區(qū)、公路分別占55%、45%的權(quán)重系數(shù)，綜合耗電量應(yīng)為：