基于電池差異的增程式客車生命周期成本分析

劉釗　蔣進(jìn)科

摘 要：為了研究當(dāng)前技術(shù)條件下不同容量蓄電池的增程式電動客車綜合成本，引入了生命周期成本分析評價體系，對增程式電動客車的各種成本進(jìn)行了詳細(xì)的探索。從用戶角度出發(fā)，以現(xiàn)有各種能源價格為基礎(chǔ)進(jìn)行成本估算，并使用了與車輛實(shí)際行駛狀態(tài)最接近的中國典型城市工況作為基礎(chǔ)，通過對4種類型增程式電動客車的生命周期成本差異進(jìn)行比較，選出當(dāng)前條件下綜合成本最低的增程式電動客車車型。結(jié)果顯示，在4種電池容量的車型中，容量最小的車型生命周期成本最低。同時加入了敏感性分析，分別從燃料價格變動、蓄電池價格變動以及蓄電池壽命變化角度，分析各類增程式電動客車的優(yōu)勢，隨著燃料價格上漲與電池價格下降，電池容量小的車型價格優(yōu)勢越來越小。關(guān)鍵詞：增程式客車;動力電池容量;生命周期成本中圖分類號：U469.7 ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ?文章編號：1671-7988（2020）08-17-04

Abstract：?In order to study the comprehensive cost of Extended-Range buses with different batteries under the current technical conditions， a life cycle cost analysis and evaluation system was introduced， and various costs of extended range buses were explored in detail. From the perspective of the user， the cost is estimated based on the existing energy prices under the successive Chinese typical city bus driving cycles which are closest to the actual driving conditions of the vehicle. The differences are compared， and the range-extended bus model with the lowest comprehensive cost under the current conditions is selected and the results show that among the four battery capacity models， the model with the smallest capacity has the lowest life cycle cost. A sensitivity analysis was added to analyze the advantages of various range-extended buses from the perspectives of fuel price changes， battery price changes， and battery life changes. As fuel prices increase and battery prices decrease， the price advantage of models with small battery capacity increases. It is getting smaller and smaller.Keywords： Extended-range bus; Energy of battery; Life cycle costCLC NO.： U469.7 ?Document Code： A ?Article ID： 1671-7988（2020）08-17-04

前言

目前，我國新能源汽車的發(fā)展日新月異，同時城市公交客車的清潔化、電動化也取得了令人矚目的成就[1，2]。但就目前純電動公交客車的使用情況來看，依然存在車輛購置成本高、行駛里程短、電池容量不穩(wěn)定、電池壽命短等問題[3，4]。盡管目前純電動公交客車享受著國家和地方的雙重補(bǔ)貼，但補(bǔ)貼僅僅是在過渡時期的應(yīng)急措施，并不能成為一項(xiàng)長久的政策，在動力電池未取得突破性進(jìn)展的時期，有必要結(jié)合目前新能源客車的發(fā)展技術(shù)條件與成本狀況，進(jìn)行新能源客車車型的選擇。

在2018年發(fā)改委下發(fā)的《汽車產(chǎn)業(yè)投資管理規(guī)定（征求意見稿）》中，已將增程式電動汽車列為純電動汽車投資項(xiàng)目，將增程式電動汽車從混合動力汽車類型中分離，為增程式電動汽車的發(fā)展帶來新的契機(jī)。增程式電動汽車動力結(jié)構(gòu)是一種最接近純電動汽車的結(jié)構(gòu)類型，發(fā)展增程式電動汽車同樣對純電動汽車有較強(qiáng)的促進(jìn)作用。

1 生命周期成本

生命周期成本是以生命周期為視角的成本評價方式，包括獲取、運(yùn)營、維護(hù)修理和處置一個項(xiàng)目或系統(tǒng)在一段時間內(nèi)的總成本。汽車的生命周期成本主要包括研發(fā)成本、制造成本、使用成本、回收成本和社會成本[5，6]。其模型如下：

這些內(nèi)容可分為3部分，其中研發(fā)成本和制造成本屬于企業(yè)成本，使用成本和回收成本屬于用戶成本，廢棄物、污染屬于社會成本。

根據(jù)我國《機(jī)動車強(qiáng)制報廢標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定》，公交客運(yùn)汽車使用年限為13年，行駛里程為40萬km。城市客車日行駛里程在200-250km之間，年行駛里程在6萬-7.5萬km之間，則一輛公交車的使用年限預(yù)計(jì)為6-7年。因此，本文以7年或40萬公里作為城市客車運(yùn)營壽命的依據(jù)，計(jì)算并分析增程式電動城市客車的使用成本。

本文在比亞迪K8純電動客車的基礎(chǔ)上，采用加入増程器，以及換裝三元鋰電池的方式，進(jìn)行增程化改裝?？蓛H列出這些車型的差異之處，即生命周期成本差異。其模型如下：

2 生命周期成本差異計(jì)算

本文采用蓄電池容量分別為58kwh、87kwh、116kwh、145kwh的增程式電動客車進(jìn)行對比，由于4種車型只有蓄電池容量的差別，因此本文僅從與蓄電池容量有關(guān)的制造、使用、回收3方面進(jìn)行探討，而認(rèn)為研發(fā)階段各種車型沒有區(qū)別。

根據(jù)“真鋰研究”網(wǎng)站的調(diào)研顯示，2015年中國新能源汽車市場的動力鋰離子電池單元成本都已在1200元/kWh左右的水平，而鎳鈷錳酸鋰電池中含有貴金屬，取其成本為1300元/kWh，電池成組需要增加均衡電路和冷卻系統(tǒng)，大概需要增加1/3的成本，故鎳鈷錳酸鋰電池組成本為1733元/kWh。

4種類型的增程式電動客車制造成本差異如表1所示。

使用成本包括能耗成本和維修保養(yǎng)成本，能耗成本以車輛正常工作所消耗的能量進(jìn)行計(jì)算，根據(jù)比亞迪K8的數(shù)據(jù)及測試要求，該型城市客車半載（15150kg）在40km/h等速法測得續(xù)駛里程為475km，由計(jì)算得出40km/h等速條件下車輛行駛所需功率為14kW，車輛行駛電耗為35kWh/100km，該車動力電池容量為279kWh，一般情況下動力電池可用容量為總?cè)萘康?0%，防止由于電池過度放電造成的壽命減少，故可用容量為223.2kWh，計(jì)算得出整車電耗為47 kWh/?100km，則該車電池充放電損耗、電機(jī)損耗、傳動損耗、附件損耗等其他損耗共12kWh/100km，換算得到其他損耗功率為4.8kW。

如果根據(jù)中國典型城市公交循環(huán)工況的計(jì)算，車輛滿載行駛所需平均功率為16.5kW，此時由于電池充放電和電機(jī)平均效率下降，估計(jì)其他損耗增加為10kW，加上其他損耗共26.5kW，K8純電動客車的百公里電耗為161.7kWh/100km，則該車?yán)m(xù)駛里程140km，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于等速法測量的475km。

4種類型增程式電動客車由于動力電池容量不同而導(dǎo)致車重不同，使得車輛車輛行駛所需平均功率略有差異，進(jìn)而影響其百公里電耗。由于車輛不可能時刻都處于滿載，因此還需要計(jì)算半載時的能源消耗，計(jì)算過程省略，計(jì)算結(jié)果見下表。同時車輛在極端天氣情況下為了保障車廂的舒適程度還需要開啟空調(diào)，因此也要考慮車輛開空調(diào)的情況，電動汽車的空調(diào)制冷和制熱都需要消耗能量，假設(shè)空調(diào)制冷和制熱消耗功率同樣為10kW，則各車型百公里電耗與純電續(xù)駛里程如表2。

城市客車滿載約80人，半載40人，一般情況下僅有上下班高峰期車輛會達(dá)到滿載，其余時間按半載計(jì)算，則滿載與半載比例約為1：4。傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車的暖風(fēng)系統(tǒng)可使用發(fā)動機(jī)熱量供熱，無需消耗額外能量，而純電動汽車需要消耗電能加熱電熱絲進(jìn)行供熱，假設(shè)暖風(fēng)系統(tǒng)和制冷系統(tǒng)所需功率相同，因此加上冬季暖風(fēng)，純電動客車開空調(diào)和不開空調(diào)比例為1：1，增程式電動客車在純電動階段需要用電熱絲，在增程階段可以用發(fā)動機(jī)的熱量。增程式電動客車Ⅰ開空調(diào)和不開空調(diào)比例約為1：3，增程式電動客車Ⅱ開空調(diào)和不開空調(diào)比例約為3：7，增程式電動客車Ⅲ開空調(diào)和不開空調(diào)比例約為3：7，增程式電動客車Ⅳ開空調(diào)和不開空調(diào)比例約為1：2。

根據(jù)上述滿載與半載、開空調(diào)與不開空調(diào)的比例引入加權(quán)值進(jìn)行正交計(jì)算，得出增程式電動客車Ⅰ百公里電耗為156.6kWh/100km，增程式電動客車Ⅱ百公里電耗為162.7kWh?/100km，增程式電動客車Ⅲ百公里電耗為164.6kWh/100km，增程式電動客車Ⅳ百公里電耗為170.0kWh/100km。

增程式電動客車Ⅰ單日用電360kWh，其中蓄増程器發(fā)電313.8kWh，消耗天然氣46.7kg，消耗電能46.4kWh。增程式電動客車Ⅱ用電374.2kWh，蓄増程器發(fā)電305kWh，消耗天然氣45.4kg，消耗電能69.2kWh。增程式電動客車Ⅲ用電378.6kWh，蓄増程器發(fā)電285.8kWh，消耗天然氣42.5kg，消耗電能92.8kWh。增程式電動客車Ⅳ用電391kWh，増程器發(fā)電275kWh，消耗天然氣40.9kg，消耗電能116kWh。

目前陜西一般工商業(yè)電價采用峰谷分時銷售，售價為高峰時段1.1元/kWh，平段0.75元/kWh，低谷時段0.4元/kWh。電動客車車使用夜間低谷時段充電，成本為0.4元/kWh，車用壓縮天然氣（CNG）銷售價格約為2.5元/m3，換算為3.6元/kg，則各種類型車輛生命周期能耗成本如表3所示。

維修保養(yǎng)成本是指保持車輛正常運(yùn)行所要進(jìn)行的更換零部件、發(fā)動機(jī)油、輪胎等成本。城市客車行駛40萬公里需1739天，增程式電動客車如果每天充一次電，在生命周期內(nèi)蓄電池循環(huán)小于2000次，無需更換;但如果在行駛一個周期之后進(jìn)行補(bǔ)電，則需要更換蓄電池。但蓄電池容量小的車型在增程階段相對充放電電流較大，會對壽命產(chǎn)生影響，因此本文認(rèn)為增程式Ⅰ型車輛在生命周期內(nèi)需更換3次蓄電池，而其它車型需更換2次蓄電池。經(jīng)過計(jì)算，各種類型的增程式電動客車生命周期內(nèi)維修保養(yǎng)成本如表4所示。

在報廢回收階段，各類型增程式電動客車蓄電池的回收報廢處理外其他報廢處理成本基本相同，因此只需計(jì)算蓄電池的回收報廢成本。

其中蓄電池的各類金屬含量比例如表5所示[7，8]。

目前蓄電池中主要金屬的價格如表6所示。

增程式電動客車采用鎳鈷錳酸鋰三元鋰離子蓄電池，同樣按增程式Ⅰ型車輛在生命周期內(nèi)更換3次蓄電池，其它車型更換2次蓄電池進(jìn)行計(jì)算，則報廢回收成本差異如表7所示。

社會成本主要指車輛對環(huán)境的污染，本文以用戶為主體，只考慮車輛在使用階段對于環(huán)境的影響，而不考慮車輛在生產(chǎn)、運(yùn)輸、報廢階段對環(huán)境的影響，同時也不考慮燃料的生產(chǎn)與運(yùn)輸對環(huán)境的影響。

各車型CO2排放量及污染物處理成本如表8所示，成本碳交易市場最低限價8歐元/噸，約80元/噸進(jìn)行計(jì)算。

各類型增程式電動客車生命周期成本差異如表9所示。

由此可見，增程式Ⅰ型電動客車生命周期成本最低。

3 敏感性分析

單因素敏感性分析是在分析某一因素對經(jīng)濟(jì)效果的影響時，假定其他因素不變，考慮某一因素變動對其結(jié)果的影響。本文從燃料價格變動、蓄電池成本變化、蓄電池壽命變化等方面分析其對增程式電動客車的影響。

3.1 燃料價格變動分析

由于世界范圍內(nèi)的燃料緊缺，燃料價格上漲是必然趨勢，而燃料的價格變動直接影響到增程式電動客車的使用成本，對于蓄電池容量較小的車型尤其明顯。本文選取天然氣售價上漲30%、50%、70%和90%，計(jì)算對于各類型增程式電動客車的影響，計(jì)算結(jié)果如表10所示。

由表中數(shù)據(jù)可知，天然氣價格上漲會降低增程式電動客車的成本優(yōu)勢，且蓄電池容量小的車型變化更為明顯。

3.2 蓄電池價格變動分析

蓄電池成本會隨著社會化生產(chǎn)逐年降低，其變化趨勢如表11所示。

由表中數(shù)據(jù)可知，蓄電池價格下降同樣會降低增程式電動客車的成本優(yōu)勢，且蓄電池容量小的車型變化更為明顯。

3.3 蓄電池壽命變動分析

隨著蓄電池材料科學(xué)的發(fā)展，蓄電池的循環(huán)壽命會逐漸提高，當(dāng)蓄電池循環(huán)壽命提高40%時，純電動客車即可無需“補(bǔ)電”而完成單日運(yùn)輸任務(wù)，此時增程式電動客車的優(yōu)勢會迅速降低，結(jié)果如表12所示。

由表中數(shù)據(jù)可知，蓄電池循環(huán)壽命提升同樣會降低增程式電動客車的成本優(yōu)勢。

就現(xiàn)階段而言，在保證車輛正常行駛的動力性要求前提下，最大程度的減少蓄電池容量，是成本最優(yōu)化的結(jié)果。隨著化石能源成本的增加以及蓄電池技術(shù)的發(fā)展，生命周期成本最優(yōu)結(jié)果將向蓄電池容量增大的增程式電動客車的方向，

甚至是純電動汽車過度。

4 結(jié)論

為了進(jìn)一步了解不同容量蓄電池的增程式電動客車的各種成本差異，本文基于生命周期成本差異分析了4種增程式電動客車制造成本、使用成本、回收成本、社會成本。結(jié)果顯示蓄電池容量最小的增程式電動客車成本總和最低。

通過對燃料價格變動、蓄電池價格變動、蓄電池壽命變動等因素進(jìn)行敏感性分析，當(dāng)燃料價格上漲、蓄電池價格降低以及蓄電池壽命增長時，各種類型電動客車的成本逐漸接近，大容量電池的車型成本逐漸降低。同時也意味著純電動客車的成本降低的同時，混合動力車型平滑過渡到純電動車型的時機(jī)能夠確定。

由本文計(jì)算可知，單日運(yùn)營等效天然氣消耗量低并不代表該車具有較好的經(jīng)濟(jì)性，從用戶角度來看，支出總成本低才是經(jīng)濟(jì)性的主要指標(biāo)。以現(xiàn)階段的技術(shù)水平和能源價格，大力發(fā)展純電動汽車并不完全符合汽車發(fā)展的客觀規(guī)律，應(yīng)循序漸進(jìn)按照混合動力汽車、增程式電動汽車再到純電動汽車的發(fā)展路線進(jìn)行逐步升級。

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