純電動(dòng)汽車和傳統(tǒng)汽車使用周期效益比較研究

嚴(yán) 巋 陳 行

(武漢理工大學(xué)研究生院1) 武漢 430070) (武漢理工大學(xué)汽車工程學(xué)院2) 武漢 430070)

0 引 言

汽車尾氣排放是導(dǎo)致中國(guó)空氣污染的主要原因之一，全球多個(gè)國(guó)家也將電動(dòng)汽車列為可持續(xù)發(fā)展的交通方式，并對(duì)新能源汽車的能耗和排放展開研究.

Donateo等[1]對(duì)羅馬電動(dòng)車充電次數(shù)及消耗電量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，根據(jù)電量消耗折算為發(fā)電端排放，研究發(fā)現(xiàn)電動(dòng)汽車在所有的排放物數(shù)量上均少于傳統(tǒng)汽車.Patrick等[2]通過四種假設(shè)情形對(duì)電動(dòng)汽車的排放數(shù)據(jù)進(jìn)行分別計(jì)算，研究表明，只有在抵消情形下電動(dòng)汽車才具有零排放性能；在邊際充電情形下電動(dòng)汽車排放量接近于傳統(tǒng)汽車.張磊等[3]以歐拉純電動(dòng)汽車為例，對(duì)其百公里排放量進(jìn)行折算，研究發(fā)現(xiàn)基于現(xiàn)有的能源組合模型下純電動(dòng)汽車CO2排放量較傳統(tǒng)汽車減少31%.

另一方面，基于消費(fèi)者視角對(duì)新能源汽車的經(jīng)濟(jì)性研究也備受關(guān)注.Baha等[4]以插電式混動(dòng)汽車為研究對(duì)象，將擁有成本、二手車變賣成本回收和消費(fèi)者偏好為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，發(fā)現(xiàn)插電式混動(dòng)汽車較傳統(tǒng)汽車優(yōu)秀.Wu等[5]將擁有成本模型和蒙特卡洛模擬相結(jié)合，對(duì)三種不同動(dòng)力汽車車型的擁有成本進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)使用周期總行駛里程對(duì)三者的經(jīng)濟(jì)性高低有決定性作用.Jens等[6]發(fā)現(xiàn)由于缺乏數(shù)據(jù)消費(fèi)者難以評(píng)定三種車型的經(jīng)濟(jì)性優(yōu)劣，通過計(jì)算發(fā)現(xiàn)在瑞典純電動(dòng)汽車經(jīng)濟(jì)性最好.Diao等[7]在進(jìn)行生命周期成本計(jì)算的同時(shí)將不可直接測(cè)得成本也考慮在內(nèi)，這些不可直接測(cè)得成本包括車輛牌照可獲得性、限行政策等，研究發(fā)現(xiàn)，計(jì)入不可直接測(cè)得成本后電動(dòng)汽車具有優(yōu)秀的經(jīng)濟(jì)性能.Steffen等[8]對(duì)德國(guó)汽車消費(fèi)者進(jìn)行分類研究，當(dāng)年均行駛里程低于7 500 km時(shí)電動(dòng)汽車經(jīng)濟(jì)性不如傳統(tǒng)汽車，在2020年前政府所提供的電動(dòng)汽車購(gòu)車補(bǔ)貼依然是電動(dòng)汽車推廣不可或缺的手段.王寧等[9]對(duì)比研究插電式混動(dòng)汽車和傳統(tǒng)汽車經(jīng)濟(jì)性差異，由于混動(dòng)汽車較為昂貴的購(gòu)置成本導(dǎo)致在當(dāng)前研究背景下難以商業(yè)化，油價(jià)上漲會(huì)促進(jìn)電動(dòng)汽車的快速普及.

文中基于總成本方法來(lái)對(duì)純電動(dòng)汽車和傳統(tǒng)汽車進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性能的評(píng)價(jià)，對(duì)兩種汽車類型的經(jīng)濟(jì)性能進(jìn)行敏感性分析.最后判斷純電動(dòng)汽車和傳統(tǒng)汽車經(jīng)濟(jì)性及排放性的優(yōu)劣，根據(jù)關(guān)鍵性因素給消費(fèi)者和政策制定者參考意見.

1 研究方法

1.1 擁有成本分析

消費(fèi)者在一個(gè)完整的使用周期囊括的經(jīng)濟(jì)成本主要包括：初始的購(gòu)置成本、保險(xiǎn)費(fèi)用、使用周期的維護(hù)成本和燃料成本.基于此，本文構(gòu)建了一個(gè)符合中國(guó)汽車消費(fèi)者特征的汽車生命周期擁有成本計(jì)算方法(total ownership cost,TCO)[10].

TCO=Cp+CI+CO

(1)

式中：Cp(purchasing cost)為車輛初始的購(gòu)置成本，包括終端售價(jià)和稅費(fèi)，隨著二手車交易的興起，消費(fèi)者可通過出售二手車來(lái)收回部分購(gòu)置成本；CI(insurance cost)為車輛保險(xiǎn)費(fèi)用；CO(operating cost)為使用成本，包括燃料費(fèi)用和維修保養(yǎng)費(fèi)用.

1.2 購(gòu)置成本

購(gòu)置成本由初始購(gòu)置費(fèi)用減去二手車轉(zhuǎn)賣收入計(jì)算而來(lái).初始購(gòu)置費(fèi)用由廠商建議零售價(jià)(manufacturer suggested retail price,MSRP)、消費(fèi)稅、購(gòu)置稅、增值稅和車船稅構(gòu)成，其中消費(fèi)稅和增值稅已包含在MSRP中.購(gòu)置稅計(jì)算公式為

(2)

2012年，新的車船稅將乘用車按7個(gè)檔次進(jìn)行征收，各地區(qū)根據(jù)基準(zhǔn)征收標(biāo)準(zhǔn)可以進(jìn)行浮動(dòng)調(diào)整.由于車船稅逐年征收，與車險(xiǎn)類似，因此在進(jìn)行成本核算時(shí)將其計(jì)入使用周期的保險(xiǎn)費(fèi)用.初始購(gòu)置成本為

CP=MSRP+購(gòu)置稅

(3)

國(guó)內(nèi)二手車交易成交量增長(zhǎng)率已遠(yuǎn)超新車交易成交量，在分析消費(fèi)者的全周期擁有成本中將二手車售賣收益一并進(jìn)行考慮.二手車售賣收益為

(4)

式中：r為使用t年后的售賣價(jià)格;i為折現(xiàn)率,假定為5%.

將二手車售賣收益考慮到初始購(gòu)置成本當(dāng)中，計(jì)算公式為

(5)

1.3 使用成本

汽車在使用周期涉及到燃料費(fèi)和維修保養(yǎng)費(fèi).燃料費(fèi)用可根據(jù)百公里燃油消耗進(jìn)行測(cè)算.維修保養(yǎng)周期依車型而定，見表1(以2年記為一個(gè)維修周期).

表1 不同車型維修保養(yǎng)成本

1.4 保險(xiǎn)費(fèi)用

車險(xiǎn)包括交強(qiáng)險(xiǎn)和其他商業(yè)險(xiǎn)，保險(xiǎn)費(fèi)明細(xì)及計(jì)算見表2.

表2 保險(xiǎn)費(fèi)明細(xì)

2 使用周期經(jīng)濟(jì)成本比較

2.1 車型選取

本文選取的純電動(dòng)汽車車型為北汽EV200和比亞迪秦EV300，此外還選取了兩款相對(duì)應(yīng)的傳統(tǒng)汽車車型來(lái)進(jìn)行成本對(duì)比分析，分別為一汽大眾POLO和上汽大眾朗逸.

2.2 使用成本對(duì)比分析

與傳統(tǒng)汽車相比，純電動(dòng)汽車的零售價(jià)格要高出2倍左右，這是電池成本太過高昂導(dǎo)致.以北汽EV200為例，其配備的電池組容量為30.4 kWh，電池組成本占整車零售價(jià)的40%左右.為了推動(dòng)汽車市場(chǎng)的增長(zhǎng)，政府對(duì)小排量車型實(shí)施減免購(gòu)置稅，對(duì)部分電動(dòng)汽車免去購(gòu)置稅和車船稅.但是由于零售價(jià)相差過大，減免購(gòu)置稅無(wú)法彌補(bǔ)兩者間價(jià)格的鴻溝，為此政府制定了相應(yīng)的補(bǔ)貼政策，且在大多數(shù)城市地方補(bǔ)貼和政府補(bǔ)貼可以同時(shí)享有，補(bǔ)貼額度與車輛的續(xù)航里程R成正比關(guān)系，具體補(bǔ)貼標(biāo)準(zhǔn)見表3.

表3 電動(dòng)汽車補(bǔ)貼額度 單位：萬(wàn)元

二手車市場(chǎng)還沒有建立完整的規(guī)范和政策，根據(jù)大眾中國(guó)官方給出的數(shù)據(jù)，大眾汽車5年后的折舊率為43%～56%，本文假定為50%.電動(dòng)汽車因其進(jìn)入市場(chǎng)不久，因此,缺乏相應(yīng)的折舊數(shù)據(jù).考慮到電動(dòng)汽車電池成本的不確定性，因此,折舊率假定為65%，具體購(gòu)置成本見表4.

表4 購(gòu)置成本 單位：元

電動(dòng)汽車打動(dòng)消費(fèi)者的主要原因之一便是百公里性價(jià)比，一方面是電動(dòng)汽車燃料成本低，另一方面是因?yàn)殡妱?dòng)汽車結(jié)構(gòu)較傳統(tǒng)汽車簡(jiǎn)單，維修保養(yǎng)費(fèi)用也相應(yīng)降低.汽車的常規(guī)保養(yǎng)主要是對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行維護(hù)，而電動(dòng)汽車沒有配備發(fā)動(dòng)機(jī)，其傳動(dòng)結(jié)構(gòu)也更加簡(jiǎn)單.為了促進(jìn)電動(dòng)汽車的銷售，生產(chǎn)廠家對(duì)電池組提供終身免費(fèi)維護(hù)保養(yǎng).因此，電動(dòng)汽車的保養(yǎng)費(fèi)用較傳統(tǒng)汽車要低30%，具體百公里使用成本見表5.

表5 百公里使用成本 單位：元/100 km

保險(xiǎn)支出與整車實(shí)際成交價(jià)成正相關(guān)，電動(dòng)汽車的商業(yè)保險(xiǎn)成本與補(bǔ)貼后的成交價(jià)格相關(guān)，具體保險(xiǎn)成本見表6.

表6 保險(xiǎn)成本 單位：元

3 社會(huì)成本分析

基于產(chǎn)品的全生命周期理論，電動(dòng)汽車在制造、使用、生命末期都會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的排放.與傳統(tǒng)汽車產(chǎn)生的排放不同，電動(dòng)汽車在使用周期間接產(chǎn)生的排放集中在發(fā)電廠，因此,有害物質(zhì)大多會(huì)被直接處理，只有碳排放到大氣中.政府大力推動(dòng)電動(dòng)汽車的發(fā)展也是基于此，本文通過“礦井-車輪”(well to wheel,WTW)方法[11]對(duì)電動(dòng)汽車在使用周期產(chǎn)生的碳排放進(jìn)行分析計(jì)算.

WTW方法包括兩個(gè)階段，第一階段是“礦井-油箱”(well to tank,WTT)，第二階段是“油箱-車輪”(tank to wheel,TTW).電動(dòng)汽車消耗的電能經(jīng)過折算為發(fā)電廠所需要產(chǎn)生的電能，相關(guān)聯(lián)的碳排放也得之計(jì)算.電動(dòng)汽車的WTT階段是發(fā)電廠產(chǎn)生的電能經(jīng)電網(wǎng)輸送后配給到充電樁上，經(jīng)充電裝置加載到電池組中；TTW階段則是電池組釋放能量供給電動(dòng)車日常行駛.

首先，計(jì)算電動(dòng)汽車行駛所耗能量EBEV，電動(dòng)汽車的動(dòng)力系統(tǒng)由電池系統(tǒng)和傳動(dòng)系統(tǒng)組成，在計(jì)算行駛所耗能力需要考慮電池釋放效率和傳動(dòng)系統(tǒng)效率.

(6)

式中：e為車輛耗能，J/km；VKT為車輛行駛里程，km；ηbev和ηch分別為電池組效率和傳動(dòng)系統(tǒng)效率.根據(jù)查閱文獻(xiàn)，純電動(dòng)汽車每行駛百公里耗電量為15 kWh.

計(jì)算發(fā)電廠所需產(chǎn)生電能Epp，電能由發(fā)電廠產(chǎn)生到加載到電池組單元中經(jīng)過三個(gè)環(huán)節(jié)：發(fā)電、傳輸、充電.

(7)

式中：ηet為電能傳輸效率；ηpr為發(fā)電效率；ηch為充電效率.電動(dòng)汽車充電效率為80%～90%，假定充電效率為85%[12].

計(jì)算發(fā)電廠所耗標(biāo)準(zhǔn)煤質(zhì)量Msc

(8)

式中：Pc為全國(guó)煤電比例系數(shù)；m為標(biāo)準(zhǔn)煤消耗率；g/(kWh).

根據(jù)文獻(xiàn)[11]可知，2014年全國(guó)線損率為6.64%，全國(guó)平均供電標(biāo)準(zhǔn)煤耗為319 g/(kW·h)，全國(guó)煤電發(fā)電量占比74.2%[13].經(jīng)計(jì)算，純電動(dòng)汽車每行駛100 km折算標(biāo)準(zhǔn)煤耗為4.47 kg.CO2排放系數(shù)為2.46 t CO2/tce[14]，即純電動(dòng)汽車每行駛100 km折算CO2排放量為11 kg.

4 敏感性分析

4.1 擁有者經(jīng)濟(jì)成本敏感性分析

電動(dòng)汽車與傳統(tǒng)汽車相比最大的經(jīng)濟(jì)性優(yōu)勢(shì)在于百公里使用成本，見圖1.在假定使用年限為6年的情形下，當(dāng)年均行駛達(dá)到18 906 km時(shí)，北汽EV200的消費(fèi)者擁有成本與大眾Polo的消費(fèi)者擁有成本相當(dāng)；當(dāng)年均行駛達(dá)到14 481 km時(shí)，比亞迪秦EV300的消費(fèi)者擁有成本與大眾朗逸的消費(fèi)者擁有成本相當(dāng).純電動(dòng)汽車使用成本約占同等級(jí)別的傳統(tǒng)汽車使用成本的20%，因此行駛里程增加能夠充分發(fā)揮純電動(dòng)汽車的經(jīng)濟(jì)性能.但是，實(shí)際情形是隨著公共交通的迅速發(fā)展，車輛擁有者平均駕駛里程逐年減少[15]，這種發(fā)展趨勢(shì)會(huì)導(dǎo)致電動(dòng)汽車的使用經(jīng)濟(jì)性難以表現(xiàn)出來(lái).另一方面，石油是一種不可再生的化石能源，其價(jià)格一直處于波動(dòng)中增長(zhǎng)的趨勢(shì)，根據(jù)調(diào)研結(jié)果當(dāng)油價(jià)持續(xù)上漲時(shí)消費(fèi)者對(duì)電動(dòng)汽車更加青睞.

圖1 總擁有成本比較(以行駛里程為變量)

對(duì)比總擁有成本發(fā)現(xiàn)，由于高昂的動(dòng)力成本，純電動(dòng)汽車的購(gòu)置成本較同級(jí)別的傳統(tǒng)汽車購(gòu)置成本高出25%～40%.隨著電池技術(shù)的革新和原材料成本下降，2020年前電池成本有望下降到1 400元/kWh[16]，使電動(dòng)汽車在初期購(gòu)買時(shí)就具有經(jīng)濟(jì)性競(jìng)爭(zhēng)力.在多數(shù)新能源汽車示范運(yùn)營(yíng)城市中，地方政府除了提供與中央政府對(duì)等的購(gòu)買補(bǔ)貼，還出臺(tái)了一系列的獎(jiǎng)勵(lì)措施，如新能源汽車牌照不需搖號(hào)或者拍賣，不對(duì)新能源車輛采取限行措施，在一定程度上給予了消費(fèi)者不可測(cè)定的成本補(bǔ)償.

4.2 社會(huì)成本敏感性分析

純電動(dòng)汽車每行駛百公里間接造成11 kg CO2排放，傳統(tǒng)汽車CO2排放和燃油消耗量成正比，排放系數(shù)為2.5 kg/L[17].當(dāng)傳統(tǒng)汽車的百公里油耗下降到4.4 L時(shí)，在使用周期中純電動(dòng)汽車并不具有減少碳排放的優(yōu)勢(shì).與純電動(dòng)汽車使用周期CO2排放量相關(guān)的因素很多，電能結(jié)構(gòu)和發(fā)電效率有著最為直接的影響因素.目前全國(guó)煤電占比達(dá)74.2%，隨著國(guó)家節(jié)能減排工作的持續(xù)，煤電占整個(gè)電能結(jié)構(gòu)的比例會(huì)逐漸減少；另一方面目前的煤電發(fā)電效率不足40%[18]，隨著煤電發(fā)電效率的提升純電動(dòng)汽車的減排優(yōu)勢(shì)會(huì)隨之增強(qiáng).

以目前的傳統(tǒng)汽車實(shí)際油耗進(jìn)行對(duì)比，純電動(dòng)汽車CO2排放量相較之減少37%.到2020年，根據(jù)國(guó)家政策要求新生產(chǎn)汽車的百公里油耗需下降到5 L；根據(jù)“十三五規(guī)劃”，到2020年，現(xiàn)役燃煤發(fā)電機(jī)組改造后平均供電煤耗低于310 g/(kW·h).在三種不同電能組合發(fā)展情形下對(duì)純電動(dòng)汽車減排能效進(jìn)行分析，見表7.由于假定電動(dòng)汽車能耗保持不變，傳統(tǒng)汽車油耗下降導(dǎo)致電動(dòng)汽車減排效能下降.

表7 2020年減排效能比較 單位：%

5 結(jié) 束 語(yǔ)

隨著行駛距離的增長(zhǎng)，電動(dòng)汽車的經(jīng)濟(jì)性突顯，當(dāng)行駛距離達(dá)到敏感性臨界點(diǎn)時(shí)，電動(dòng)汽車的擁有成本會(huì)低于同等級(jí)別的傳統(tǒng)汽車.由于初始購(gòu)置成本的巨大差距導(dǎo)致電動(dòng)汽車的經(jīng)濟(jì)性難以與傳統(tǒng)汽車相當(dāng)，但隨著電池制造成本的下滑，電動(dòng)汽車的經(jīng)濟(jì)性能將會(huì)逐漸提升，當(dāng)購(gòu)置成本相當(dāng)時(shí)電動(dòng)汽車會(huì)有足夠的吸引力.

基于社會(huì)環(huán)境成本視角，現(xiàn)階段下純電動(dòng)汽車減排優(yōu)勢(shì)較為顯著，即使傳統(tǒng)汽車的排放在逐年下降，電動(dòng)汽車仍是清潔交通最為有效的工具.但是電動(dòng)汽車并不是真正的“零排放”，根據(jù)文中折算可知電動(dòng)汽車排放量和地區(qū)能源結(jié)構(gòu)有很大的關(guān)系，因此在制定相應(yīng)的推廣政策時(shí)要將地區(qū)煤電發(fā)電比例考慮在內(nèi).對(duì)于能源較清潔的地區(qū)積極推動(dòng)電動(dòng)汽車的發(fā)展，對(duì)于煤電發(fā)電占比較高的地區(qū)首要工作仍是能源清潔化.