我國電動汽車的能效與經(jīng)濟(jì)性分析

茹永剛， 鄭重， 韓元昭， 余洋， 于志誠， 梁秀

(1.青島特銳德電氣股份有限公司，山東 青島 266000;2.華北電力大學(xué) 高電壓與電磁兼容北京市重點實驗室，新能源電力系統(tǒng)國家重點實驗室，北京 102206)

0 引 言

傳統(tǒng)的汽車以燃油的方式驅(qū)動，不僅消耗了大量有限的化石能源，而且其污染排放也給環(huán)境帶來了影響。近年來，伴隨著技術(shù)的進(jìn)步與社會的發(fā)展，以電動汽車為代表的新能源汽車逐漸在汽車工業(yè)領(lǐng)域內(nèi)占有一席之地[1]。

在美國、日本、歐洲等，純電動汽車已得到了較大規(guī)模的推廣與應(yīng)用。數(shù)據(jù)表明，全球的電動汽車2016年累計銷售量為200萬輛。我國的電動汽車正在起步推廣中，具有相當(dāng)大的發(fā)展空間和良好的前景。根據(jù)國家對2020年之前新能源汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展規(guī)劃，未來中國將以純電驅(qū)動的汽車作為新能源汽車技術(shù)發(fā)展以及汽車工業(yè)轉(zhuǎn)型優(yōu)化的戰(zhàn)略目標(biāo)。自2014年6月起，我國開始制訂《電動汽車充電基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)規(guī)劃》[2]，2020年的新能源汽車使用數(shù)量的目標(biāo)為500萬輛，同時充換電站數(shù)量的目標(biāo)為1.2萬個，充電樁數(shù)量的目標(biāo)為450萬個。

電動汽車行業(yè)得到快速發(fā)展的原因包括其零排放、高能源利用效率[3]和經(jīng)濟(jì)性等特點。針對電動汽車的能源利用研究，國內(nèi)文獻(xiàn)多基于汽車的動力系統(tǒng)模塊進(jìn)行理論仿真與計算。對消費者做出購買決策的最重要的經(jīng)濟(jì)性因素，即電動汽車和傳統(tǒng)能源汽車在實際使用中可能產(chǎn)生的能源成本和實際費用，并沒有做系統(tǒng)的對比性研究。

針對當(dāng)前較為普遍的純電動汽車、油電混合汽車、燃?xì)馄嚭腿加推噹追N汽車類型，本文根據(jù)汽車參數(shù)，對比其發(fā)動機的一次能源效率。文中選取國內(nèi)的主要汽車類型，以及國內(nèi)代表性的能源價格，對電動汽車在我國的發(fā)展更具有顯示意義。

1 能耗研究

1.1 車型與參數(shù)

本文研究的四類汽車包括純電動汽車、燃油汽車、燃?xì)馄嚰坝碗娀旌掀嚒Ｆ渲腥加推嚨陌俟飬?shù)之間相差較大[4]，所以本文將燃油汽車按百公里耗油量分為小油耗型、中油耗型和大油耗型，并選取比較常見的車型。燃?xì)馄嚪譃閮深悾瑝嚎s天然氣(Compressed Natural Gas，CNG)汽車和液化天然氣(Liquefied Natural Gas，LNG)汽車。車型及相關(guān)參數(shù)見表1。

表1 車型與原始參數(shù)

1.2 發(fā)動機能源效率

發(fā)動機的能源效率指的是做同樣的功發(fā)動機所需要提供的總能量。對于汽車而言，就表現(xiàn)在行駛相同距離時，發(fā)動機的功耗情況。因不同類型汽車的質(zhì)量差別較大，對能耗產(chǎn)生一定影響，因而采用了比耗量參數(shù)。比耗量的含義為單位車質(zhì)量行駛一定路程所消耗的能源數(shù)量，即總能耗除以汽車質(zhì)量。能耗與比耗量的數(shù)值越小，則汽車的燃料經(jīng)濟(jì)性越好。

油電混合汽車的百公里耗量需進(jìn)行折算，等于百公里耗油量與修正燃料量加權(quán)和。有關(guān)調(diào)查數(shù)據(jù)顯示，我國的實際情況為汽車的總里程中市區(qū)里程占70%，而市郊里程占30%。所以油電混合汽車的百公里發(fā)動機能耗的計算為：

(1)

式中：E表示百公里發(fā)動機能耗,kJ；V′表示修正燃料量，L；V表示油電混合汽車的百公里耗油量，L；q表示汽油的熱值，kJ/m3。

各類汽車的百公里發(fā)動機能耗比較如圖1[5]所示。柱狀圖從左到右依次為純電動汽車、小油耗型車、中油耗型車、大油耗型車、CNG汽車、LNG汽車和油電混合汽車，其余柱狀圖亦同。可見，百公里發(fā)動機能耗和百公里發(fā)動機比耗量數(shù)值最小的均為純電動汽車，數(shù)值最大的均為CNG汽車，由此可得純電動汽車在各類汽車中燃料經(jīng)濟(jì)性最好。

圖1 各類汽車的百公里發(fā)動機能耗比較

1.3 一次能源能耗

分析不同類型汽車的能源使用情況時，還需考慮汽車對諸如煤、石油、天然氣等一次能源的能源利用情況。百公里一次能源能耗是考慮了燃料生產(chǎn)、運輸?shù)冗^程中的能量損失后，歸算至一次能源側(cè)，汽車行駛百公里實際消耗的總能量等于百公里發(fā)動機能耗與能量利用率的比值，即:

(2)

式中：E1表示百公里一次能源能耗，kJ；E表示百公里發(fā)動機能耗，kJ；η表示能量利用率，(%)。

電能從一次能源轉(zhuǎn)化為二次能源的過程中會出現(xiàn)損耗[6]。根據(jù)《中電聯(lián)發(fā)布全國電力工業(yè)統(tǒng)計快報(2011年)》，2011全國電網(wǎng)的輸配電線損率為6.31%。不同發(fā)電形式效率不同，2010年我國發(fā)電的能源形式主要包括火力發(fā)電(包括燃煤發(fā)電、燃?xì)獍l(fā)電以及燃油發(fā)電)。根據(jù)能源比例結(jié)構(gòu)和不同的能源形式發(fā)電的發(fā)電效率進(jìn)行加權(quán)計算得到2010年我國的綜合發(fā)電效率，為51.66%。對于二次能源電能，由線損率和發(fā)電效率可得到能量利用率51.55%×(1-6.31%)≈48.30%。

根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB 11085—1989《散裝液態(tài)石油產(chǎn)品損耗》，成品油正常損耗中的保管損耗、運輸損耗以及零售損耗分別取0.41%、0.30%、0.29%，則成品油損耗為1.00%，因此可將汽油的能量利用率取為99.00%。在計算天然氣的能量利用率時，要考慮天然氣生產(chǎn)、輸送和使用過程中的管輸損耗[7]。我國的天然氣管輸損耗要求不超過0.50%，因此天然氣的能量利用率為99.50%。各類汽車的百公里一次能源比耗量如圖2所示。

圖2 各類汽車的百公里一次能源比耗量

對比分析可得，百公里一次能源能耗和百公里一次能源比耗量最小的均為純電動汽車和油電混合汽車，最大的均為CNG汽車。由此可得,純電動汽車在四類汽車中，百公里估算至一次能源側(cè)的能耗仍比較小，燃料經(jīng)濟(jì)性較好。

2 能源經(jīng)濟(jì)性研究

2.1 等效能源價格

等效能源價格為產(chǎn)生單位能量所消耗能源的價格，即含1 kJ能量的一次能源的價格，計算方法為單位能源的價格除以等效熱值[8]。各類汽車的等效能源價格如圖3所示。

圖3 各類汽車的等效能源價格

由圖3可知，在各類汽車中，純電動汽車的等效能源價格最低，且與其他類汽車間存在較大差距，表明其使用的電能具有顯著的能源經(jīng)濟(jì)性。

2.2 能源成本

考慮能源損失，將汽車百公里耗量(油耗、氣耗、電耗)折算為百公里等效一次能源(動力煤、汽油、天然氣)。各類汽車的百公里耗量如表2所示。

表2 各類汽車百公里等效一次能源耗量

在計算純電動汽車的百公里等效能源時，需將二次能源轉(zhuǎn)化為等效一次能源[9]，即將電能轉(zhuǎn)化為等效動力煤，計算過程為：

(3)

式中:V煤表示百公里等效動力煤，kg；E1表示百公里一次能源能耗，kJ；q標(biāo)煤為標(biāo)準(zhǔn)煤的熱值，為29 301 kJ/kg；動力煤因數(shù)約為1.27，即1 kg標(biāo)準(zhǔn)煤等效為1.27 kg動力煤。

汽車的百公里一次能源耗量乘以一次能源價格，便得到汽車的百公里能源成本[10]。百公里能源比成本表示單位車質(zhì)量行駛百公里所消耗能源的成本，數(shù)值上等于百公里能源成本除以整車質(zhì)量。各類汽車的百公里能源比成本如圖4所示?？梢?，純電動汽車的百公里能源成本和百公里能源比成本明顯比其他類型的汽車低，說明純電動汽車的能源成本具有顯著的經(jīng)濟(jì)性。

圖4 各類汽車的百公里能源比成本

2.3 能源支出費用

汽車消費者最為關(guān)心的是汽車行駛時的實際支出，汽車行駛一百公里所支出的資金即為百公里支出費用[11]。類似于比耗量，比費用代表單位車質(zhì)量的支出費用。

我國電價因地區(qū)而異，本文以北京市電價方案為代表：在自用充電設(shè)施上充電的電價按照居民電價收取，目前的電價為0.510 3元/kWh；在公用充電設(shè)施(充電站、充電樁)上充電的電價按照本市一般工商業(yè)電價標(biāo)準(zhǔn)收取，目前的電價為0.874 5元/kWh。由于動力煤的價格50%以上由運費構(gòu)成，區(qū)域差異較大，本文中將環(huán)渤海動力煤作為代表。我國汽油的價格隨著外部因素的波動較大[12]，本文靜態(tài)計算所用93號汽油價格為6.67元/L。

百公里支出比費用如圖5所示。由計算結(jié)果可知，各類汽車的百公里支出比費用比較低的前三位為：LNG汽車、油電混合汽車、純電動汽車?？紤]到LNG汽車能耗和費用并不隨汽車整備質(zhì)量成正比增加，不適用于小型車的分析。由此可得，純電動汽車的單位車質(zhì)量費用較為經(jīng)濟(jì)。

圖5 各類汽車的百公里支出比費用

2.4 價格動態(tài)趨勢分析

在2.1節(jié)中，統(tǒng)計了煤炭、石油和天然氣等一次能源價格。由于化石能源的價格波動受到很多因素的影響，比如勘探開采技術(shù)、國際社會需求、新能源技術(shù)發(fā)展和國際政治等。因此需要考察近年來的能源價格與費用的波動走勢，才能對未來的能源利用格局進(jìn)行合理的預(yù)判。

純電動汽車的能源成本等于百公里等效動力煤與動力煤價格的乘積[13]。動力煤價格變動(2010—2015年)，研究純電動汽車的百公里能源成本隨之變化的情況，如圖6所示。

圖6 2010—2015年純電動汽車能源成本趨勢

純電動汽車的百公里能源成本在2010—2015年總體走勢為降低走勢。2002—2012年，煤炭開采技術(shù)和自動化程度大幅提高，國內(nèi)煤炭供給量充足。2013年政府取消了煤炭價格的雙軌制，國際經(jīng)濟(jì)低迷，進(jìn)口煤價格低于國內(nèi)市場價格，對國內(nèi)煤炭價格造成沖擊。同時環(huán)保問題也逐漸得到政府的重視，清潔能源的使用力度的加大和節(jié)能減排理念的推廣，將不斷縮小煤炭的需求，導(dǎo)致煤炭價格的下跌。

與此同時，調(diào)研歷年(2008—2015年)的車用電價，得到純電動汽車百公里支出費用隨時間的變化曲線，如圖7所示。

圖7 純電動汽車百公里支出費用變化趨勢

我國的電力工業(yè)結(jié)構(gòu)正向優(yōu)化發(fā)電能源的方向前進(jìn)，為實現(xiàn)節(jié)能減排和綠色安全的理念，火電的投資比重不斷降低[14]，2013年火電的投資比重已降低到25%，可再生能源發(fā)電的投資比重不斷上升，而可再生能源發(fā)電的上網(wǎng)電價較高，雖然有政府短期補貼，但長期電價的上漲也是必然的。另一方面，車用電除了基本電價外還包含充電服務(wù)費，北京市政府規(guī)定從2015年6月1日起，充電設(shè)施經(jīng)營單位可在收取電費的同時，額外收取充電服務(wù)費，每kWh收費上限標(biāo)準(zhǔn)為當(dāng)日北京市92號汽油每升最高零售價的15%。由此分析可得，未來純電動汽車的百公里支出費用將隨電價的上升而上升，但電力結(jié)構(gòu)的改革是一個比較漫長的過程，純電動汽車的百公里支出費用將緩慢上升。

因CNG和LNG隨天然氣出廠價格變動趨勢相同，所以本文將CNG汽車作為燃?xì)馄嚨拇?。燃?xì)馄嚨闹С鲑M用等于其百公里耗氣量與車用天然氣價格的乘積。如圖8所示，燃?xì)馄嚨陌俟镏С鲑M用隨車用天然氣價格的增漲而增加。

圖8 2010—2015年燃?xì)馄囍С鲑M用趨勢

燃?xì)馄嚨陌俟镏С鲑M用隨車用天然氣價格的增漲而增加。天然氣價格上漲的原因:一方面，國內(nèi)天然氣資源匱乏，且天然氣大部分集中在西部地區(qū)，埋藏深，儲量不豐富，開采難度大，導(dǎo)致我國天然氣供應(yīng)存在著較大缺口[15]；另一方面，我國節(jié)能減排運動不斷發(fā)展，“油改氣”在我國各地蓬勃發(fā)展，導(dǎo)致天然氣的需求不斷增長。如果不考慮政策因素，我國天然氣的供需不平衡導(dǎo)致天然氣價格的上漲，也可能使燃?xì)馄嚨哪茉闯杀竞椭С鲑M用不斷上漲。

根據(jù)1998—2015年北京市92號汽油的調(diào)價情況，燃油汽車與油電混合汽車的百公里支出費用動態(tài)變化如圖9所示。燃油汽車與油電混合汽車的百公里支出費用在1998—2015年間的總體走勢升高，而且兩類汽車中燃油汽車隨汽油價格變動其百公里支出費用變化明顯，而油電混合汽車的百公里支出費用隨汽油價格波動相對緩慢[16]。根據(jù)油價的發(fā)展趨勢，燃油汽車與油電混合汽車百公里支出費用的總體趨勢為緩慢上升，同時新能源技術(shù)的發(fā)展則會抑制該上升趨勢。

圖9 1998—2015年燃油汽車與油電混合汽車支出費用變化趨勢

3 誤差分析

本文所進(jìn)行的研究，不僅有調(diào)查環(huán)節(jié)，也有計算環(huán)節(jié)。其誤差主要來源于抽樣誤差、測量誤差和計算方法誤差等。本文分別對應(yīng)不同類型汽車選取了代表樣本，存在抽樣誤差。測量誤差主要存在于從汽車廠商等處獲得的初始數(shù)據(jù)。除此之外，本文中對純電動汽車的百公里能源成本進(jìn)行計算時，將所用耗電量歸算為等效動力煤進(jìn)行計算，但此方法存在一定誤差。根據(jù)有關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)[17-18]得到原始數(shù)據(jù)以及部分過程數(shù)據(jù)的相對誤差，如表3所示。

表3 不同類型汽車的相對誤差 %

4 結(jié)束語

隨著能源利用技術(shù)的不斷成熟，近年來在傳統(tǒng)的燃油汽車基礎(chǔ)上，涌現(xiàn)出了包括電動汽車在內(nèi)的很多不同動力形式的汽車。在我國，這種發(fā)展主要受到以下因素影響。

首先是我國能源結(jié)構(gòu)。我國正進(jìn)入一個推廣使用清潔能源的時期，資源環(huán)境約束的強化要求電力能源結(jié)構(gòu)的調(diào)整加快[19-20]。目前火力發(fā)電仍在我國的發(fā)電能源結(jié)構(gòu)中占較大比重，但未來的新增裝機容量將延續(xù)下滑勢態(tài)，清潔能源發(fā)電的裝機容量將增長迅速。其次是發(fā)電效率。根據(jù)統(tǒng)計數(shù)據(jù)分析，我國的火力發(fā)電效率呈上升趨勢，新能源發(fā)電技術(shù)的發(fā)電效率也將進(jìn)一步提升。這將使純電動汽車的能耗有所下降，從而降低了純電動汽車的百公里能源成本。再次是環(huán)境因素。面對我國目前嚴(yán)峻的治霾形勢，以及為了實現(xiàn)我國在2020年的碳排放量相比于2005年下降40%～45%的節(jié)能減排目標(biāo)，我國正逐步推廣使用新能源汽車與清潔能源汽車。2014年，我國共出臺了16個關(guān)于新能源汽車的政策，加快相應(yīng)的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，并對新能源汽車加大了補貼力度，免征新能源汽車的車輛購置稅，降低了消費者的購車成本。未來，新能源汽車的優(yōu)惠政策將陸續(xù)出臺和完善，新能源汽車的市場前景可觀。

隨著新能源汽車的推廣使用，新能源汽車的汽車技術(shù)將進(jìn)入快速發(fā)展階段，汽車車型種類將不斷增加，汽車的能耗參數(shù)也將隨技術(shù)的發(fā)展而有一定的降低。未來，節(jié)能和減排將成為汽車技術(shù)發(fā)展主要方向之一，以純電動汽車、混合動力汽車為代表的新能源汽車將占有更為重要的地位。