純電動汽車和傳統(tǒng)汽車使用周期效益比較研究

嚴 巋 陳 行

(武漢理工大學研究生院1) 武漢 430070) (武漢理工大學汽車工程學院2) 武漢 430070)

0 引 言

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

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

另一方面，基于消費者視角對新能源汽車的經(jīng)濟性研究也備受關(guān)注.Baha等[4]以插電式混動汽車為研究對象，將擁有成本、二手車變賣成本回收和消費者偏好為評價標準，發(fā)現(xiàn)插電式混動汽車較傳統(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，對三種不同動力汽車車型的擁有成本進行比較，發(fā)現(xiàn)使用周期總行駛里程對三者的經(jīng)濟性高低有決定性作用.Jens等[6]發(fā)現(xiàn)由于缺乏數(shù)據(jù)消費者難以評定三種車型的經(jīng)濟性優(yōu)劣，通過計算發(fā)現(xiàn)在瑞典純電動汽車經(jīng)濟性最好.Diao等[7]在進行生命周期成本計算的同時將不可直接測得成本也考慮在內(nèi)，這些不可直接測得成本包括車輛牌照可獲得性、限行政策等，研究發(fā)現(xiàn)，計入不可直接測得成本后電動汽車具有優(yōu)秀的經(jīng)濟性能.Steffen等[8]對德國汽車消費者進行分類研究，當年均行駛里程低于7 500 km時電動汽車經(jīng)濟性不如傳統(tǒng)汽車，在2020年前政府所提供的電動汽車購車補貼依然是電動汽車推廣不可或缺的手段.王寧等[9]對比研究插電式混動汽車和傳統(tǒng)汽車經(jīng)濟性差異，由于混動汽車較為昂貴的購置成本導致在當前研究背景下難以商業(yè)化，油價上漲會促進電動汽車的快速普及.

文中基于總成本方法來對純電動汽車和傳統(tǒng)汽車進行經(jīng)濟性能的評價，對兩種汽車類型的經(jīng)濟性能進行敏感性分析.最后判斷純電動汽車和傳統(tǒng)汽車經(jīng)濟性及排放性的優(yōu)劣，根據(jù)關(guān)鍵性因素給消費者和政策制定者參考意見.

1 研究方法

1.1 擁有成本分析

消費者在一個完整的使用周期囊括的經(jīng)濟成本主要包括：初始的購置成本、保險費用、使用周期的維護成本和燃料成本.基于此，本文構(gòu)建了一個符合中國汽車消費者特征的汽車生命周期擁有成本計算方法(total ownership cost,TCO)[10].

TCO=Cp+CI+CO

(1)

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

1.2 購置成本

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

(2)

2012年，新的車船稅將乘用車按7個檔次進行征收，各地區(qū)根據(jù)基準征收標準可以進行浮動調(diào)整.由于車船稅逐年征收，與車險類似，因此在進行成本核算時將其計入使用周期的保險費用.初始購置成本為

CP=MSRP+購置稅

(3)

國內(nèi)二手車交易成交量增長率已遠超新車交易成交量，在分析消費者的全周期擁有成本中將二手車售賣收益一并進行考慮.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置成本當中，計算公式為

(5)

1.3 使用成本

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

表1 不同車型維修保養(yǎng)成本

1.4 保險費用

車險包括交強險和其他商業(yè)險，保險費明細及計算見表2.

表2 保險費明細

2 使用周期經(jīng)濟成本比較

2.1 車型選取

本文選取的純電動汽車車型為北汽EV200和比亞迪秦EV300，此外還選取了兩款相對應的傳統(tǒng)汽車車型來進行成本對比分析，分別為一汽大眾POLO和上汽大眾朗逸.

2.2 使用成本對比分析

與傳統(tǒng)汽車相比，純電動汽車的零售價格要高出2倍左右，這是電池成本太過高昂導致.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的40%左右.為了推動汽車市場的增長，政府對小排量車型實施減免購置稅，對部分電動汽車免去購置稅和車船稅.但是由于零售價相差過大，減免購置稅無法彌補兩者間價格的鴻溝，為此政府制定了相應的補貼政策，且在大多數(shù)城市地方補貼和政府補貼可以同時享有，補貼額度與車輛的續(xù)航里程R成正比關(guān)系，具體補貼標準見表3.

表3 電動汽車補貼額度 單位：萬元

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

表4 購置成本 單位：元

電動汽車打動消費者的主要原因之一便是百公里性價比，一方面是電動汽車燃料成本低，另一方面是因為電動汽車結(jié)構(gòu)較傳統(tǒng)汽車簡單，維修保養(yǎng)費用也相應降低.汽車的常規(guī)保養(yǎng)主要是對發(fā)動機系統(tǒng)進行維護，而電動汽車沒有配備發(fā)動機，其傳動結(jié)構(gòu)也更加簡單.為了促進電動汽車的銷售，生產(chǎn)廠家對電池組提供終身免費維護保養(yǎng).因此，電動汽車的保養(yǎng)費用較傳統(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

保險支出與整車實際成交價成正相關(guān)，電動汽車的商業(yè)保險成本與補貼后的成交價格相關(guān)，具體保險成本見表6.

表6 保險成本 單位：元

3 社會成本分析

基于產(chǎn)品的全生命周期理論，電動汽車在制造、使用、生命末期都會產(chǎn)生相應的排放.與傳統(tǒng)汽車產(chǎn)生的排放不同，電動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)大多會被直接處理，只有碳排放到大氣中.政府大力推動電動汽車的發(fā)展也是基于此，本文通過“礦井-車輪”(well to wheel,WTW)方法[11]對電動汽車在使用周期產(chǎn)生的碳排放進行分析計算.

WTW方法包括兩個階段，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)的碳排放也得之計算.電動汽車的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車日常行駛.

首先，計算電動汽車行駛所耗能量EBEV，電動汽車的動力系統(tǒng)由電池系統(tǒng)和傳動系統(tǒng)組成，在計算行駛所耗能力需要考慮電池釋放效率和傳動系統(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系統(tǒng)效率.根據(jù)查閱文獻，純電動汽車每行駛百公里耗電量為15 kWh.

計算發(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.電動汽車充電效率為80%～90%，假定充電效率為85%[12].

計算發(fā)電廠所耗標準煤質(zhì)量Msc

(8)

式中：Pc為全國煤電比例系數(shù)；m為標準煤消耗率；g/(kWh).

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

4 敏感性分析

4.1 擁有者經(jīng)濟成本敏感性分析

電動汽車與傳統(tǒng)汽車相比最大的經(jīng)濟性優(yōu)勢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，當年均行駛達到18 906 km時，北汽EV200的消費者擁有成本與大眾Polo的消費者擁有成本相當；當年均行駛達到14 481 km時，比亞迪秦EV300的消費者擁有成本與大眾朗逸的消費者擁有成本相當.純電動汽車使用成本約占同等級別的傳統(tǒng)汽車使用成本的20%，因此行駛里程增加能夠充分發(fā)揮純電動汽車的經(jīng)濟性能.但是，實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)展趨勢會導致電動汽車的使用經(jīng)濟性難以表現(xiàn)出來.另一方面，石油是一種不可再生的化石能源，其價格一直處于波動中增長的趨勢，根據(jù)調(diào)研結(jié)果當油價持續(xù)上漲時消費者對電動汽車更加青睞.

圖1 總擁有成本比較(以行駛里程為變量)

對比總擁有成本發(fā)現(xiàn)，由于高昂的動力成本，純電動汽車的購置成本較同級別的傳統(tǒng)汽車購置成本高出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]，使電動汽車在初期購買時就具有經(jīng)濟性競爭力.在多數(shù)新能源汽車示范運營城市中，地方政府除了提供與中央政府對等的購買補貼，還出臺了一系列的獎勵措施，如新能源汽車牌照不需搖號或者拍賣，不對新能源車輛采取限行措施，在一定程度上給予了消費者不可測定的成本補償.

4.2 社會成本敏感性分析

純電動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].當傳統(tǒng)汽車的百公里油耗下降到4.4 L時，在使用周期中純電動汽車并不具有減少碳排放的優(yōu)勢.與純電動汽車使用周期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.目前全國煤電占比達74.2%，隨著國家節(jié)能減排工作的持續(xù)，煤電占整個電能結(jié)構(gòu)的比例會逐漸減少；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汽車的減排優(yōu)勢會隨之增強.

以目前的傳統(tǒng)汽車實際油耗進行對比，純電動汽車CO2排放量相較之減少37%.到2020年，根據(jù)國家政策要求新生產(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)展情形下對純電動汽車減排能效進行分析，見表7.由于假定電動汽車能耗保持不變，傳統(tǒng)汽車油耗下降導致電動汽車減排效能下降.

表7 2020年減排效能比較 單位：%

5 結(jié) 束 語

隨著行駛距離的增長，電動汽車的經(jīng)濟性突顯，當行駛距離達到敏感性臨界點時，電動汽車的擁有成本會低于同等級別的傳統(tǒng)汽車.由于初始購置成本的巨大差距導致電動汽車的經(jīng)濟性難以與傳統(tǒng)汽車相當，但隨著電池制造成本的下滑，電動汽車的經(jīng)濟性能將會逐漸提升，當購置成本相當時電動汽車會有足夠的吸引力.

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