汽車節(jié)能技術(shù)經(jīng)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(xué)汽車工程學(xué)院，吉林 長春 130025）

0 引言

石油、煤和天然氣是當(dāng)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(chǔ)上改進，提高能源消耗的經(jīng)濟性[2]。隨著能源問題的突顯、政策法規(guī)的趨嚴(yán)，節(jié)能成為目前全球汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展的共同趨勢和轉(zhuǎn)型升級方向[3]。本文致力于建立一個經(jīng)濟性模型，從“單車最優(yōu)節(jié)油方案”到“企業(yè)最優(yōu)節(jié)油方案”對汽車企業(yè)節(jié)油技術(shù)經(jīng)濟性進行分析。在保證汽車生產(chǎn)企業(yè)的各個車型均使用“單車最優(yōu)節(jié)油方案”之后，要規(guī)劃各個車型的生產(chǎn)量，各車型生產(chǎn)量的規(guī)劃與各車型的汽車需求量相對應(yīng)，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(shù)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(fā)展趨勢各有不同，所以導(dǎo)致企業(yè)的最優(yōu)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(jié)油技術(shù)經(jīng)濟性評價模型

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

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

由于節(jié)油技術(shù)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(xiàn)金流入，計算公式為：

單車節(jié)油收益（C）=每年行駛公里數(shù)÷100×百公里油耗×節(jié)油率×油價

平均每年行駛公里數(shù)為2萬公里左右，汽油價格均價在7元左右，在節(jié)油技術(shù)節(jié)油率和具體應(yīng)用車型均確定的情況下，可以計算現(xiàn)金流入。

現(xiàn)金流出是消費者為采用節(jié)油技術(shù)多付出的成本，稱為購入成本。

凈現(xiàn)值（NPV）的計算公式是：

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

2 節(jié)油技術(shù)經(jīng)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(yīng)用CVT替代4AT，在發(fā)動機技術(shù)上加入升程可變優(yōu)化技術(shù)，并且采用低滾阻輪胎，在車身設(shè)計上，將風(fēng)阻系數(shù)優(yōu)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(shù)的購入成本及節(jié)油效果Table 2 Purchase costs and fuel saving effects of various technologies

2.1 CVT技術(shù)

節(jié)油收益為：20000÷100×5.9×6%×7=495.6元

總的凈現(xiàn)值NPV=節(jié)油收益NPV值-購入成本=4813-1200=3613元

2.2 升程可變優(yōu)化

節(jié)油收益為：20000÷100×5.9×3.5%×7=289.1元

總的凈現(xiàn)值NPV=節(jié)油收益NPV值-購入成本=2807-600=2207元

2.3 低滾阻輪胎

節(jié)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(xiàn)值NPV=節(jié)油收益NPV值-購入成本=744-400=344元

表3 卡羅拉典型節(jié)油技術(shù)經(jīng)濟性對比分析Table 3 Comparative economic analysis of corolla typical fuel saving technology

3 汽車企業(yè)節(jié)能技術(shù)選擇經(jīng)濟性評價

本節(jié)的主要研究內(nèi)容是“建立汽車企業(yè)節(jié)油技術(shù)選擇經(jīng)濟性評價模型”，在滿足國家相關(guān)政策要求的前提下，構(gòu)建一個汽車企業(yè)節(jié)油技術(shù)選擇經(jīng)濟性評價模型，汽車生產(chǎn)企業(yè)可以將此模型作為生產(chǎn)規(guī)劃的輔助工具，可以為汽車企業(yè)在選擇節(jié)油技術(shù)提供一個簡捷、有效的方法，保證企業(yè)汽車產(chǎn)品的多樣性以及最大的經(jīng)濟利益。

在研究“單車最優(yōu)節(jié)油方案”之后，繼而研究“企業(yè)最優(yōu)節(jié)油方案”，目標(biāo)是建立一個企業(yè)節(jié)油技術(shù)經(jīng)濟性評價的數(shù)學(xué)模型，當(dāng)輸入企業(yè)相關(guān)數(shù)據(jù)時，可以為企業(yè)選擇節(jié)油技術(shù)提供參考。

本文建立一個單結(jié)點線性規(guī)劃模型來對企業(yè)初始階段時的最優(yōu)節(jié)油方案進行分析：設(shè)企業(yè)車隊共有N種車型，各車型的生產(chǎn)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(jié)油技術(shù)后的燃料消耗量）為FC1、FC2、、、FCi、、、FCN，各車型對應(yīng)燃料消耗量目標(biāo)值為T1、T2、、、Ti、、、TN，各車型的CAFé核算倍數(shù)為W1、W2、、、Wi、、、WN。以企業(yè)利潤最大化為目標(biāo)函數(shù)，可得線性規(guī)劃模型如下：

目標(biāo)函數(shù)：

約束條件：

模型中，Vi為線性規(guī)劃的決策變量，即各車型的最優(yōu)生產(chǎn)量，P是車隊預(yù)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(chǎn)量，α是產(chǎn)量變動百分比。單結(jié)點線性規(guī)劃模型為了得到汽車企業(yè)各車型的最優(yōu)規(guī)劃產(chǎn)量及企業(yè)當(dāng)年獲得的最大利潤值，需要受到各車型的最優(yōu)節(jié)油技術(shù)方案、燃料消耗量積分核算及市場需求量對汽車企業(yè)的影響，因此在模型中應(yīng)有市場需求、政策法規(guī)及生產(chǎn)能力三方面的約束。分析市場、政策及企業(yè)現(xiàn)狀從以三個方面來設(shè)置約束條件：

（1）市場需求約束

市場需求預(yù)測是企業(yè)選擇市場機會的重要依據(jù)，也是企業(yè)選擇目標(biāo)市場的重要依據(jù)。企業(yè)制定經(jīng)營計劃不能單憑當(dāng)前的狀況和過去的資料，所以若想使企業(yè)的經(jīng)營工作更富有成效，還需緊緊把握住市場的發(fā)展趨勢。在汽車節(jié)油技術(shù)經(jīng)濟性評價的過程中，由于企業(yè)利潤最大化是最終目標(biāo)，所以市場需求的預(yù)測就在整個模型中起到了很重要的作用。本文所建立的數(shù)學(xué)模型最終目的是通過合理規(guī)劃各車型的生產(chǎn)方案，使企業(yè)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(jīng)濟發(fā)展水平很大程度的影響了汽車市場的發(fā)展，在表示國家經(jīng)濟水平發(fā)展的諸因素中，城鎮(zhèn)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(zhèn)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(shù)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(shù)作為第三個影響因素，用黑色金屬購進價格指數(shù)來代表；政策因素作為我國最具代表性的宏觀調(diào)控手段，很大程度的影響了汽車市場的發(fā)展，故將其作為第四個影響因素；節(jié)油技術(shù)水平的發(fā)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(huán)境問題也隨之出現(xiàn)，嚴(yán)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(xiàn)，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(guī)約束

《乘用車企業(yè)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(zhí)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(yè)平均燃料消耗量目標(biāo)值， β×TCAFC為企業(yè)平均燃料消耗量達標(biāo)值，其計算式為：

CAFC為企業(yè)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(shù)。在已知這些基礎(chǔ)數(shù)據(jù)之后，再代入企業(yè)的平均燃料消耗量實際值就可以計算出企業(yè)燃料消耗量積分，目的是在保證企業(yè)燃料消耗量積分為正的同時，該積分值越大越好[16]。

（3）生產(chǎn)能力約束

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

對于各車型汽車需求量預(yù)測，本文擬采用多元線性模型作為分析基礎(chǔ)，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(zhèn)居民人均可支配收入指數(shù)X1，燃料、動力價格購進指數(shù)X2，鋼鐵價格購進指數(shù)X3，虛擬解釋變量為政策因素D1和汽車節(jié)油技術(shù)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(guān)系式。

結(jié)合汽車預(yù)測需求量及相關(guān)約束條件，采用MATLAB軟件求解以企業(yè)利潤最大化為目標(biāo)函數(shù)的線性規(guī)劃模型，獲得最合理的各車型規(guī)劃產(chǎn)量，最終得到企業(yè)利潤最大化。

4 汽車企業(yè)節(jié)能技術(shù)選擇經(jīng)濟性評價實例

現(xiàn)以汽車生產(chǎn)企業(yè)A作為汽車企業(yè)節(jié)能技術(shù)選擇經(jīng)濟性評價實例進行分析。本文首先收集了相關(guān)數(shù)據(jù)[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(jié)合中華人民共和國統(tǒng)計局2017年《中國統(tǒng)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(guān)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(guān)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(zhèn)居民人均可支配收入，X2表示燃料、動力價格購進指數(shù)，X3表示鋼鐵價格購進指數(shù)，D1表示政策因素，D2表示汽車節(jié)油技術(shù)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(guān)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(dāng)前經(jīng)濟、政治、原材料及燃料動力價格的價格發(fā)展水平及發(fā)展趨勢，預(yù)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(yù)測Y值為0.356056，可以近似作為該車企本年度計劃生產(chǎn)車輛的增加百分比（約為35.6%），于是總的規(guī)劃產(chǎn)量就得到了。

A企業(yè)主要生產(chǎn)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(jié)能技術(shù)后的實際油耗，并設(shè)三種車型的規(guī)劃產(chǎn)量分別為V1、V2、V3，設(shè)產(chǎn)量變動百分比為20%。

表5 A汽車企業(yè)車型生產(chǎn)情況表Table 5 Production of a car company models

目標(biāo)函數(shù)：

約束條件：

由上述約束條件求得目標(biāo)函數(shù)的解為（12068，14025，13059），目標(biāo)函數(shù)即企業(yè)的收益為453984751元。

5 結(jié)論

本文主要從單車節(jié)能技術(shù)選擇經(jīng)濟性和汽車企業(yè)節(jié)能技術(shù)選擇經(jīng)濟性兩方面進行評價，前者主要針對單車節(jié)能技術(shù)經(jīng)濟效益評價，從而得到“單車最優(yōu)節(jié)油方案”，作為企業(yè)研發(fā)節(jié)能車型技術(shù)方案選擇的參考，而后者主要研究 “企業(yè)節(jié)能技術(shù)經(jīng)濟性評價”，提出一種汽車企業(yè)節(jié)能技術(shù)選擇經(jīng)濟性評價方法，結(jié)合各影響因素的約束，通過解最優(yōu)效益的模型方程，得到汽車企業(yè)的最佳規(guī)劃產(chǎn)量，從而得到最佳的經(jīng)濟效益。兩種方法相互補充，為企業(yè)生產(chǎn)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(jié)論：

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

2）目前低滾阻輪胎被廣泛應(yīng)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(shù)認(rèn)可度不會高；

3）汽車企業(yè)節(jié)能技術(shù)選擇經(jīng)濟性評價模型考慮市場需求、政策法規(guī)及生產(chǎn)能力三方面的約束，對于企業(yè)具有一定的適應(yīng)性。

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