基于經濟與排放效益的混合動力和純電動公交車發展前景分析

王 寧，龔在研，馬 鈞

(同濟大學汽車學院，上海 200092)

基于經濟與排放效益的混合動力和純電動公交車發展前景分析

王 寧，龔在研，馬 鈞

(同濟大學汽車學院，上海 200092)

以混合動力和純電動公交車為研究對象，基于購置成本和使用成本構建全生命周期成本模型，利用GREET模型分析“油井到車輪”二氧化碳排放量，并與傳統柴油公交車對比，分析50萬公里名義壽命周期內樂觀和保守兩種情景下新能源公交車的發展前景。結果表明:在樂觀情景下，純電動公交車擁有最優的生命周期成本和二氧化碳減排量，較柴油車分別低37%和35%;在保守情景下，混合動力公交車擁有與柴油公交車持平的生命周期成本及較低的二氧化碳排放量，較同時期柴油車低30%，純電動公交車的生命周期成本則遠高于柴油車。未來10年混合動力公交車具備良好的應用前景，純電動公交車則需要電源結構優化和電池技術突破之后才能顯示較強的競爭力。

新能源公交車;混合動力;純電動;生命周期成本;二氧化碳排放

一、引言

2010年見證了中國汽車產銷雙雙突破1800萬輛的奇跡，卻無法掩蓋我國汽車產業所面臨的能源與環境危機。根據中國石油經濟技術研究院發布的《2010年國內外油氣行業發展報告》，2010年，我國全年石油表觀消費量達4.55億噸，同比增長11.4%，石油對外依存度超過55%。另外，根據美國二氧化碳信息分析中心(CDIAC)2008年發布的報告［1］，中國2007年的二氧化碳排放量已達65.38億噸，占全球排放總量的22.3%，超過美國位列全球第一。能源與環境已經成為制約我國汽車產業發展的重大威脅。

為了減輕能源消耗和溫室氣體排放而制定的政策和規劃，必須考慮純電動、混合動力等新能源汽車［2-3］。在各類新能源汽車中，Michael Fischer，J.Van Mierlo，Mathew Werber［4-6］等人都認為純電動汽車和油電混合動力汽車是當前交通運輸的最佳解決方案。而在不同用途的新能源汽車中，M.J.Kellaway［7］認為新能源公交車又是最具發展潛力的車型。目前，國內針對新能源公交車市場發展的研究主要集中在生命周期成本計算、能源消耗等方面。曹靜、李理光［8］針對混合動力公交車和燃料電池公交車能源消耗的研究表明，新能源公交車的推廣可在2020年使上海市公交車的耗油量減少20%以上。歐訓民［9］針對混合動力公交車成本的研究表明，到2015年以后，混合動力公交車的生命周期成本將開始低于傳統柴油公交車，此優勢還將逐年增加。在國外，除成本及能耗研究之外，針對公交車溫室氣體排放的研究也受到重視。Mikhail Granovskii［10］，Reinhart Kühne［11］等人針對各類新能源汽車溫室氣體排放的研究表明，在美國，混合動力汽車最多可以減排35%以上，而純電動汽車視電力來源的不同，可減排40%-90%。

通過以上文獻發現，對于新能源公交車多考慮能耗成本及使用過程的CO2排放分析，對于全生命周期的購置、使用、維護等成本及發電過程的二氧化碳排放常常不被考慮。本文從全生命周期總成本及“油井到車輪”CO2排放角度系統分析混合動力及純電動公交車的發展前景。

二、研究對象及情景

在各類汽車中，公交車具有車速較低、續駛里程較短、路線固定、政府補貼較高等特點，非常適合發展新能源技術。新能源公交車主要包括混合動力公交車(hybrid electric bus，縮寫 HEB)、純電動公交車(battery electric bus，縮寫BEB)、燃料電池公交車(fuel cell bus，縮寫FCB)和替代燃料公交車四種。其中，FCB由于綜合成本過高，在未來10年間難以獲得市場競爭力。替代燃料公交車與傳統柴油公交車(conventional diesel bus，縮寫CDB)工作原理相似，節能減排效果不明顯。因此，本文主要以目前最具發展潛力的HEB和BEB為研究對象，并以CDB作為參照。對于混合動力車型，本文研究的是技術含量較高、節能減排效果最明顯的并聯式全混合動力公交車(parallel fullhybrid electric bus)。

對比分析中，HEB、BEB、CDB均為在國內各大城市應用廣泛的12m長雙軸公交車，其技術參數參考福田、申沃、宇通等企業的典型產品，如表1所示。

表1 國內典型HEB、BEB、CDB車型技術參數

本文在當前情景下(2010年底)成本與排放的基礎上，設定了樂觀與保守兩種情景，用于預測2020年各類公交車的成本及排放情況。其中，樂觀情景有利于新能源公交車發展而不利于傳統公交車發展，保守情景則反之。在樂觀情景中，新能源汽車及其關鍵零部件成本顯著下降，性能顯著提高，政府補貼依然存在，油價上漲較快，電價上漲較慢，柴油開采冶煉過程碳排放減少較多，國內清潔能源發電比例顯著上升，從而HEB和BEB的生命周期成本和碳排放相對于CDB都將明顯降低。保守情景則與之相反。具體情景界定見3.2。

三、生命周期成本分析

生命周期成本是影響新能源公交車能否真正走向市場的關鍵因素。若沒有成本競爭力，僅憑政府補貼和公眾熱情都無法使新能源公交車實現全面產業化。

新能源公交車生命周期成本C共包括4個部分:購置成本CA、政府補貼CS、能耗成本CE和維修保養成本CM。四部分成本之和為生命周期總成本，即:

新能源公交車的購置成本CA可分為兩大部分，記為CA1和CA2。CA1是HEB、BEB、CDB之間不相同的動力總成部分，主要包括動力電池、驅動電機、電控系統以及傳統內燃機等;CA2數值上等于CA與CA1之差，是HEB、BEB、CDB除動力總成之外彼此相同的部分，主要包括底盤、車身、車橋、內飾、空調以及企業研發成本、管理成本、利潤等。CA信息來自表1中參考車型的企業報價，CA1的計算參照了美國UC Davis Plug-in Hybrid＆Electric Vehicle Research Center所提供的成本信息，國內與歐美HEB與BEB的電池等核心零部件的價格基本相當［12］。

政府補貼CS方面，根據2009年2月份財政部和科技部聯合發布的《節能與新能源汽車示范推廣財政補助資金管理暫行辦法》，在“十城千輛”項目涉及城市，被納入《節能與新能源汽車示范推廣應用工程推薦車型目錄》中的10米以上新能源公交車將得到5萬元至60萬元不等的補貼。未來，隨著新能源汽車成本的降低，政府補貼可能會減少甚至取消。

根據《機動車強制報廢標準規定》，各類公交車的能耗成本CE以500，000km的行駛壽命進行計算。它包含CDB和 HEB的柴油消耗成本和BEB的電力消耗成本。當前的柴油價格以市場價為準，電能價格參照武漢市三角湖充電站電費價格，其中包含基礎設施建設和運營成本，以及電池的充電損失成本。

維修保養成本CM在各類新能源公交車的總成本中占據很大比例。除了與CDB一樣正常的維護保養外，HEB與BEB還需要定期更換動力電池。

(一)2010年成本分析

根據表1中參考車型，各類公交車的總購置成本CA的企業報價如見表2所示。CDB的購置成本最低，HEB比 CDB高出將近一倍，BEB則比CDB高出兩倍以上。其中，HEB使用的鋰離子動力電池單價約為7-10元/Wh，按照8元/Wh計算。BEB使用的鋰離子動力電池單價約為5-8元/Wh，按照6 元/Wh計算［11］。

導致HEB、BEB的CA2明顯高于CDB的原因是目前HEB、BEB的產量較低，使得單件制造成本上升，管理、研發成本分攤增加。只有HEB、BEB技術成熟并投入大規模生產之后，該部分成本才有望降低至CDB的水平。

在“十城千輛”項目所涉及的城市(截止到2011年8月共25座)，政府補貼會使新能源公交車較高的購置成本有所降低。根據《節能與新能源汽車示范推廣財政補助資金管理暫行辦法》的規定，最大電功率比在20%-50%，節油率在20%-30%的10米以上HEB可獲得25萬元政府補貼，10米以上BEB可以獲得60萬元政府補貼。減去政府補貼之后，HEB余下的購置成本比CDB高50%，BEB余下的購置成本比CDB高170%(見表2)。

能耗成本是新能源公交車的優勢所在。按照目前的柴油及電能價格，可計算得出各類公交車的50萬公里生命周期能耗成本。CDB的能耗成本高達122.5萬元，遠高于其購置成本。HEB 20%的節油率也換來了20%的能耗成本降低。BEB能耗成本最低，僅45萬元，為HEB的一半(見表3)。可見，在能耗成本方面，新能源公交車都顯著低于傳統公交車。

表2 各類公交車購置成本及政府補貼對比單位:萬元

表3 各類公交車能耗成本成本對比

表4 各類公交車維修保養成本對比

但是，新能源公交車的維修保養成本高于CDB。由于新能源公交車技術尚不夠成熟，HEB和BEB的日常保養周期短于CDB，且單次保養成本高于CDB。另外，由于鋰離子電池的壽命短、成本高，BEB全生命周期的電池更換成本超過300萬元，對運營企業勢必將成為一項沉重的經濟負擔。而HEB的動力電池由于容量小，且工作強度較低，所以生命周期的更換成本不高，約為10萬元，多數運營企業都能夠承擔(見表4)。

綜上所述，在當前環境下(2010年底)，HEB的購置成本和維修保養成本高于CDB，但其能耗成本相比CDB降低了20%，因此，HEB的生命周期總成本最終比CDB高出約65萬元。若計算25萬元的政府補貼，則只比CDB高40萬元。對于財政資金充足、力推節能環保理念的大型城市而言，HEB已經具備一定的市場競爭力，可以得到較大規模的推廣。BEB的能耗成本明顯低于HEB和CDB，但是其高昂的購置成本和維修保養成本導致其總成本遠遠高于HEB和CDB。僅BEB的電池更換成本一項就達300多萬元，比HEB和CDB的生命周期總成本還高?？梢?，在目前情況下，無論是否計算50萬元的政府補貼，BEB都只能進行小規模示范運營。在動力電池取得技術突破之前，BEB難以獲得具備市場競爭力(見圖1)。

(二)2020年成本預測

由以上分析可知，在2010年，HEB與BEB尚不具備成本優勢。那么，到10年后的2020年，以HEB和CDB為代表的新能源公交車能否具備成本優勢，從而獲得市場競爭力則是新能源汽車領域備受關注的問題。本文參考Jonas Hellgren的零部件成本調研預測結果［13］、德意志銀行2010年的鋰離子電池價格預測［14］以及作者對油價、電價的回歸分析，選取樂觀與保守兩套假設前提，對各類公交車的成本進行分別預測。

圖1 各類公交車生命周期成本對比 單位:萬元

圖2 2020年各類公交車生命周期成本預測(樂觀預測情景) 單位:萬元

圖3 2020年各類公交車生命周期成本預測(保守預測情景) 單位:萬元

2020年樂觀情景:購置成本CA:動力電池成本降低60%;驅動電機及電控系統成本降低40%;發動機成本維持不變;CDB各項購置成本維持不變;HEB和CDB的CA2降低至與CDB相同的水平。政府補貼CS:HEB不再獲得補貼，BEB補貼額減半。能耗成本CE:柴油價格年均上漲10%至16.5元/L;電價年均上漲2%至1.08元/kWh(包含基礎設施建設及運營成本、電池充電損失);CDB油耗降低15%;HEB相比同時期CDB節油35%;BEB節電15%。維修保養成本CM:CDB日常保養周期及成本維持不變;HEB和BEB的日常保養周期及成本降低至CDB的水平;動力電池壽命提高1倍，即HEB和BEB生命周期分別需更換電池1次和2次。

2020年保守預測情景:購置成本CA:動力電池成本降低40%;驅動電機及電控系統成本降低20%;發動機成本維持不變;CDB各項購置成本維持不變;HEB和CDB的CA2降低20%。政府補貼CS:HEB和BEB不再獲得補貼。能耗成本CE:柴油價格年均上漲5%至10.9元/L;電價年均上漲5%至1.40元/kWh(包含基礎設施建設及運營成本、電池充電損失);CDB油耗降低15%;HEB相比同時期CDB節油30%;BEB節電10%。維修保養成本CM:CDB日常保養周期及成本維持不變;HEB和 BEB的日常保養周期不變，成本降低30%;動力電池壽命提高50%，即HEB和BEB生命周期分別需更換電池2次和3次。

在樂觀預測情景下，到2020年，CDB的總成本跟隨柴油價格的快速上漲而增長了60%，成為三種公交車中成本最高的一類。HEB雖然也受到柴油價格上漲的影響，但由于其節油率顯著提高，能耗成本上漲的幅度相對較較低。同時，HEB的購置成本和維護保養成本大幅下降，接近于CDB的水平，最終導致HEB的總成本與2010年基本持平。BEB所使用的電能價格上漲較少，同時購置成本、維護保養成本，尤其是電池更換成本大幅下降，其總成本下降了近70%，明顯低于 HEB及CDB，具備了強勁的市場競爭力(見圖2)。

在保守預測情景下，到2020年，CDB所使用的柴油價格上漲幅度相對較小，致使其總成本上漲不足20%，依然具備一定的優勢。HEB的節油率有所提高，其他各項成本也均有所下降，最終其總成本與2010年水平基本一致，同時也與2020年的CDB持平。BEB購置成本、維護保養成本下降幅度有限，再加之電價上漲，最終其總成本下降幅度不足30%，依然明顯高于HEB與CDB，基本沒有市場競爭力(見圖3)。

(三)結果分析

由以上兩種情景的預測可知，在未來10年間，CDB總成本增幅主要取決于油價的上漲速度。油價上下浮動10%，CDB總成本變化6%-8%。

HEB受到技術進步、成本降低的積極影響和油價上漲的消極影響，總成本變化幅度較小，很可能與2010年水平保持一致。其中，對HEB總成本影響最大的因素是油價和節油率，二者直接決定總的能耗成本。耗油量與油價的乘積上下浮動10%，HEB總成本變化5%-6%。

BEB的能耗成本本身較低，因此受到電價變化的影響不大。影響BEB未來總成本的主要因素是電池的成本及壽命。尤其是電池壽命的提高，若使生命周期電池更換次數減少一次，就可節省多達30-60萬元的成本。然而，在未來十年間，電池成本及壽命的發展趨勢是最不確定的。如果電池技術取得突破，壽命顯著增長，成本顯著降低，則BEB將得到極強的市場競爭力。如果電池的成本及壽命只是緩慢進步，BEB的總成本則將長期高高在上，沒有市場競爭力。

從生命周期成本來看，我國政府在未來十年應大力推廣HEB，加強動力電池及控制系統的研究，并給予生產企業和運營單位一定的經濟補貼。由于大規模動力電池成本及壽命的發展速度難以預期，發展BEB具有一定的風險。政府目前應以支持動力電池的技術研發為重心，待技術取得突破后再將重心轉移到推動BEB商業化方面來。

四、二氧化碳排放分析

節能與環保是推廣新能源公交車的兩大根本目的。節能問題在本文第三章能耗成本部分中已經涉及，而環保方面，尤其是二氧化碳減排的效益還需要進一步深入探究。

為研究BEB和HEB的實際減排效果，本文基于美國Argonne國家實驗室提出的GREET模型，計算“油井到車輪(well to wheel，縮寫 WTW)”整個過程的二氧化碳排放量，得出車輛直接及間接帶來的所有二氧化碳排放量。WTW指的是從油、氣、電等能源開采，到煉油、發電，再到油、氣、電輸送、加注，最后到車輛運營整個過程中的二氧化碳排放量。其中，車輛運營時的排放屬于“油泵到車輪(pump to wheel，縮寫 PTW)”排放，其他階段的排放則屬于“油井到油泵(well to pump，縮寫WTP)”排放。WTW排放量為WTP和PTW排放量之和。

(一)2010年二氧化碳排放分析

當前情況下，各類公交車WTW二氧化碳排放量如表5所示。在表中，柴油的WTP CO2排放率代表從采油到煉油，再到油品運輸全過程中，每升柴油所帶來的所有二氧化碳排放量之和。電能的WTP CO2排放率代表從能源開采到發電，再到輸電過程中每千瓦時電能所帶來的所有二氧化碳排放量之和。由于發電的能量來源千差萬別，電能的WTP CO2排放率變動范圍很大。在中國，火力發電的比例達81%，遠高于歐洲30%的平均水平［15］，所以電能的WTPCO2排放率也相對較高。此處的排放率只考慮以煤炭為能源的火力發電，其他種類發電(水力發電、風能發電、核能發電等)的二氧化碳排放量由于數值較小，未予考慮。

表5 各類公交車WTW二氧化碳排放量對比

根據分析可知，HEB的減排率(相對于同時期CDB，下同)完全等于其節油率，在目前水平下約為20%。BEB雖然在運營過程中為零排放，即PTW排放量為0，但是我國發電的WTP排放量很高，極大地影響了WTW總排放量，使其減排率為25.4%，雖好于HEB和CDB，但遠未達到所謂的“零排放”。而按照歐洲的能源結構計算，純電動公交車的WTW減排能力則可以達到72.8%。

(二)2020年二氧化碳排放預測

在預測2020年各類公交車二氧化碳排放情況時，本文依然沿用了3.2部分的樂觀與保守兩套假設前提。2020年樂觀預測情景在3.2部分樂觀預測情景的基礎上增加:柴油WTP CO2排放率降低3%;中國火力發電占比降至70%。2020年保守預測情景在3.2部分保守預測情景的基礎上增加:柴油WTP CO2排放率降低8%;中國火力發電占比降至80%。其中，根據張斌［16］的預測，我國火力發電所占比例將在10年后下降至74.2%，因此將樂觀和保守情景中的比例取作70%和80%。

在樂觀預測情景下，到2020年，HEB節油率顯著提高，BEB耗電量顯著降低，我國火力發電占比降幅較大，則HEB和BEB的減排率都將明顯降低，均為約35.0%(見表6)。

在保守預測情景下，到2020年，HEB節油率有所下降，BEB耗電量和火力發電占比的降幅較少，則HEB與BEB的減排率分別為30%和20%。在這種情景下，BEB的減排能力不僅沒有增加，反而有所降低(見表7)。

我國各地區的能源結構存在一定差異。西南地區水力資源豐富，占全國總量的61.4%。技術上可以開發利用的水電資源總量達到3.3億kW［17］。2009 年，西南地區總耗電量 3517 億kWh［18］，若在未來10年中西南地區水電裝機容量達到1億kW，且該部分發電量50%以上用于西南地區使用，配合抽水儲能電站，則基本可以滿足該地區的絕大部分電力需求。因此，我國西南地區有條件率先實現清潔能源發電的普及，這將為BEB的減排帶來巨大貢獻。

表6 2020年各類公交車WTW二氧化碳排放量預測(樂觀預測情景)

表7 2020年各類公交車WTW二氧化碳排放量預測(保守預測情景)

表8 火力發電比例與BEB減排能力的關系對照

我國各地區火力發電比例與BEB減排能力的關系如表8所示，其中BEB和CDB的能耗及柴油的WTP排放量參照保守預測情境中的數據?？梢?，火力發電所占的比例每降低10%，BEB相對于CDB的減排率就可以提高約10%。

此外，天然氣發電與煤電相比可減少CO2排放約31%［19］，但根據國家能源局《關于對〈發展天然氣分布式能源的指導意見〉征求意見的函》中的規劃，我國2020年天然氣發電裝機容量預計達到5000萬kW，相當于我國總裝機容量的3%-4%，因此對于BEB的減排沒有顯著的影響。

(三)結果分析

從全國來看，在未來10年間，隨著油耗的降低，CDB二氧化碳排放量也會降低15%左右。HEB的減排率完全取決于其節油率。隨著節油率的提高，HEB的減排率必然會明顯提升。BEB的減排率取決于我國發電結構的轉變及車輛本身的節電量。由于對這兩項因素的預測存在較大的不確定性，所以BEB未來的減排率也不易確定，但無論情景怎樣，HEB與BEB彼此的WTW排放都沒有十分顯著的差異，所以排放對企業和政府的決策所帶來的影響有限。但對于西南部等少數地區，清潔能源發電的發展將使BEB的排放量顯著降低，在經濟條件允許的情況下適合有限推廣。

五、結論

從生命周期成本和二氧化碳排放兩個方面來看，目前，HEB相對于CDB成本劣勢不明顯，減排率相對較高，已經適于進行較大規模的推廣。而BEB的減排率雖然優于HEB，但它的總成本居高不下，二氧化碳排放量的絕對值也較高，遠非理想中的“零排放”，目前尚不具備進行商業化推廣的能力。

到2020年，相對于CDB，HEB的成本和排放都必將得到更多的優勢，成為城市公交車的首選。而BEB由于很多技術問題的不確定，前景不夠明朗。若電池的成本和壽命能夠獲得大幅進步，BEB將成為總成本最低的公交車。若BEB相關技術發展得不夠迅速，其成本相對于HEB則不會具備優勢。此外，BEB的二氧化碳減排能力受到我國發電結構的影響，難以取得較大突破。但對于西南部等少數地區，清潔能源發電的發展將使BEB的排放量顯著降低。

未來10年間，政府在公交車領域應大力推廣HEB，一方面積極推動HEB產業化發展，一方面要擴大“十城千輛”項目示范區域，并確保新能源補貼落實。而對于BEB，則要以電池等關鍵零部件為重點突破方向。在BEB成本及排放逐漸改善的過程中，各地方政府可以根據本地區的財政實力以及電源結構的優化進程適時開始大規模推廣。

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Prospect Analysis for Hybrid Electric and Battery Electric City Buses Based on Lifecycle Cost and Emission

WANG Ning，GONG Zai-yan，MA Jun

(School of Automotive Studies，Tongji University，Shanghai200092，China)

The authors took hybrid electric bus and battery electric bus as research subjects，built lifecycle cost model based on acquisition cost and using cost，calculated Well-to-Wheel carbon dioxide emission based on GREET model，analyzed foreground of new energy buses in aggressive scenario and conservative scenario compared with conventional diesel bus with 5 ×105km nominal lifecycle.According to the result，in the aggressive scenario，battery electric bus will obtain signally lifecycle cost and emission advantage，37%and 35%lower than diesel bus.While in the conservative scenario，hybrid electric bus will obtain reasonable emission advantage，30%lower than diesel bus and lifecycle cost is as much as diesel bus，but battery electric bus will have markedly lifecycle cost disadvantage.In the future 10 years，hybrid electric bus will have a better prospect，while battery electric bus requires power structure optimization and battery technology breakthroughs to display its competitiveness.

new energy bus;hybrid vehicle;electric vehicle;lifecycle cost;carbon dioxide emission

U461.8

A

1002-9753(2011)12-0057-09

2011-03-22

2011-09-08

上海市科技發展基金軟科學研究項目(11692103800);上汽教育基金(2010ZCYJ03-A)。

王寧(1977-)，男，山東萊陽人，講師、博士，研究方向:新能源汽車產業化。

(本文責編:潤 澤)