对电动汽车发展的仿真预测

刘 昭，王 强，高兆丽

（1.华北电力大学（北京）电气与电子工程学院，北京 102206；2.济南供电公司，山东 济南 250001）

对电动汽车发展的仿真预测

刘 昭1，王 强2，高兆丽2

（1.华北电力大学（北京）电气与电子工程学院，北京 102206；2.济南供电公司，山东 济南 250001）

指出了在我国汽车尾气已经成为城市大气污染的重要因素，而电动汽车以其优越的环保性和节能性，代表了21世纪汽车发展的方向。首先对电动汽车的市场推广模式进行了分析，随后引入Lotka-Volterra模型建模，运用MATLAB模拟仿真了电动汽车在今后几十年的发展状况和市场需求，并以北京市为例，预测了今后20年电动汽车的发展趋势。

电动汽车；需求；仿真；预测

0 引言

在我国，汽车尾气污染已经成为城市大气污染的重要因素，我国的二氧化碳排放目前已居全球第二，减排二氧化碳的压力将越来越大。目前来看，发展电动汽车不失为一个解决此问题的佳径[1]。电动汽车作为一个新进入市场的产品，也要符合一般产品的市场模式。面对市场中广大的消费者，电动汽车如何发展也是一个需要解决的课题。

1 电动汽车的商业推广模式

在我国，电动汽车的市场营销应该分为三个阶段，不同的营销阶段应选择不同的营销策略。第一阶段，将重点放在电动汽车的技术攻关上，这一阶段的用户主要是国家的一些电动汽车示范运行基地；第二阶段，将重点放在电动汽车的早期用户上，通过各种销售策略扩大用户群；第三阶段，将重点放在单车私人用户上，因为对于汽车市场，私人用户仍将占据最大的比例[2]。

1.1 试验和示范阶段

第一阶段处于产品研发期，技术发展进程备受关注。目前，我国已有混合动力汽车在一些城市示范运行。这一阶段主要靠政府引导，政策支持，加强宣传，组织吸引更多的人力、物力到电动汽车的研制上来，同时加强公司、学校和科研院所的合作。

1.2 公共事业用车导向阶段

第二阶段的市场目标将是政府部门、邮电局、电力公司、公共交通运输公司等公共事业单位，他们将成为电动汽车的早期用户。对于公共事业单位，国家可以指定购买政策，提供相应的价格补贴，强制性地要求其购买一定比例的电动汽车。这类用户的一个共同特点是对价格的敏感程度小。政府提供价格补贴、减税，将促使这类用户更多地选择购买电动汽车。在第二阶段，同时进行市场渗透策略。

1.3 私家车导向阶段

私家车用户将是第三个阶段市场营销的目标。这类用户对价格的敏感程度高。在这一阶段的营销中，政府和汽车公司的行为将发挥关键的作用。政府可以提供减税、价格补贴等政策上的支持。2009年国家财政部出台的《节能与新能源汽车示范推广财政补助资金管理暂行办法》，对混合动力客车补贴42万元/辆，纯电动客车50万元/辆，混合动力轿车补贴5万元/辆，纯电动轿车6万元/辆，燃料电池汽车的补贴标准最高为60万元/辆。

2 电动汽车的市场需求量预估

电动汽车和传统汽车是竞争关系，于是可以模拟生物种群竞争机制来大致模拟电动汽车和传统汽车未来几年甚至几十年的需求量变化[3]，这里引入Lotka-Volterra模型。

Lotka-Volterra模型是对逻辑斯蒂模型的延伸，现设定如下参数。

N1、N2：分别为两个物种的种群数量。

K1、K2：分别为两个物种的环境容纳量。

r1、r2：分别为两个物种的种群增长率[4]。

依逻辑斯蒂模型有如下关系

当两个物种竞争或者利用同一空间时，“已利用空间项”还应该加上N2种群对空间的占用。则

其中，α为物种2对物种1的竞争系数，即每个N2个体所占用的空间相当于α个N1个体所占用空间。

同理则有

其中β为物种1对物种2的竞争系数，即每个N1个体所占用的空间相当于β个N2个体所占用空间。

同理可得

对于电动汽车和传统汽车来讲，竞争系数α、β均为1，因为每一辆电动汽车所占的空间和每一辆传统汽车所占的空间是相等的。这里的空间指的是市场的需求量。对于传统汽车来讲，目前北京市汽车数量已经达到480万辆，如果超过这个数目，那么所带来的能源和环境问题就会更加突出。仿真时，将500万辆设为传统汽车的环境容纳量。由于电动汽车对环境的影响很小，但是考虑到北京市道路交通的容纳量，故对于电动汽车的环境容纳量，设为600万辆。用MATLAB仿真，结果如图1所示。

图1 电动汽车与燃油汽车保有量预测

初值设的是2011年，北京市电动汽车的调研保有量3 000辆和传统汽车的调研保有量480万辆。由仿真分析可以看出，在2040年左右，北京市电动汽车和传统汽车的保有量基本持平。到2050年，电动汽车已经占主导地位。

3 北京市电动汽车发展预测

根据第1节的分析可知，目前纯电动汽车和混合动力汽车处于市场营销的第二阶段，即政府部门、邮电局、电力公司、公共交通运输公司等公共事业单位是电动汽车的主要客户，并且纯电动汽车和混合动力汽车也已经开始在市场上面向大众销售。燃料电池电动汽车处于第一阶段，即主要处于研发阶段，并在某些试点进行试运行。

根据电动汽车的商业推广模式研究，本文将电动汽车在今后40年的发展做了分阶段研究。由于燃料电池汽车是不用充电的，故在此不予以考虑。表1标明了2011到2030年间电动汽车处于市场推广中的特定阶段。

目前,混合动力汽车已经在市场上进行销售，但销量不大。由产品市场销售的生命周期理论可知，混合动力汽车、纯电动汽车正处于产品的导入期；燃料电池电动汽车由于其关键技术还没解决，因此还处于产品的研发期，距正式进入市场，还有一段时间，处于市场营销的第一阶段。对于混合动力汽车、纯电动汽车，目前处于市场营销的第二阶段。对于燃料电车电动汽车，要加紧技术攻关，争取早日投放市场。

表1 电动汽车市场发展阶段预测

根据以上分析，2011—2015年，纯电动汽车和混合动力汽车处于市场营销的第二阶段，这个阶段的主要用户是公共事业公司，车种主要是邮政车、环卫车、公交车以及公务车辆。北京市计划在2011年有3 000辆新能源公交、环卫车上路，而且在2011年3月20日，首批50辆纯电动出租车已经投入使用。根据十二五规划，北京市要求在2012年达到3万辆电动乘用车，其中纯电动汽车2.3万辆，混合动力汽车7 000辆，并修建3.6万个充电桩，100座快速充电站。根据十二五规划，到2015年，北京电动汽车要达到10万辆，并以乘用车为主。但是大多数民用客户考虑到电动汽车的安全性和实用性问题，可能会推迟对于电动汽车的购买，因此，在这一阶段，应以公共事业公司的用车为主。表2列出了北京市各类汽车的数量及其行驶里程。

表2 典型车辆的日行驶里程

目前，电动汽车的最高速度约120 km/h，一般在80 km/h，续驶里程开空调情况下为100～150 km，不开空调情况下为150～200 km。因此，电动环卫车、公交车和出租车需要中间充一次电，可以在充电站进行快速充电，也可以在换电站进行电池的更换。假设到2015年有3.5%的公共事业用车和5%的出租车使用电动汽车，那么全市大约有3万辆电动汽车，其中公共事业用车中电动汽车总量的4%以及所有的电动出租车需要中间进行一次快速充电或者换电操作，数量约为4 400辆。

根据仿真结果，2015—2020年电动汽车数量约30万辆，占不到全市总汽车保有量的10%，因此还是应该处于市场营销的第二阶段。但是在这一阶段，私家车的电动汽车数量开始上升。由于电动汽车电池技术还不是太成熟，所以私家车的电动汽车数量也仅仅在10万辆以下。这个阶段政府等公共事业单位的引导作用依然是主要的。假设届时公共事业用车中30%为电动汽车，出租车中15%为电动汽车，那么私家车中电动汽车数量大约为6.95万辆。

2020—2030年间由于电池技术的成熟和电动汽车工业的产业化，电动汽车的保有量有一个大幅度的上升。到2030年，北京市电动汽车数量会达到280多万辆。这个阶段电动汽车占总车辆数的比例已经达到43%。按照市场营销推广模式分析，大多数用户开始接受电动汽车，成为电动汽车的销售对象。假设公共事业用车的80%为电动汽车，出租车的50%为电动汽车，则私家车中将有38.25%是电动汽车。

表3列出了以上几个时间段内公共事业用车、出租车以及私家车中电动汽车的数量、汽车保有量总数。其中公共事业用车包含邮政车、环卫车、公交车以及公务用车，这里假设公共事业用车数量不变。

4 总结

本文预测了电动汽车在今后几十年的发展情况。首先对电动汽车的市场推广模式进行了分析，将电动汽车的推广分为了三个阶段，即试验和示范阶段、公共事业用车导向阶段和私家车导向阶段。随后利用生物学种群竞争机制对电动汽车以及传统的燃油汽车数量进行建模，用MATLAB进行了计算，绘制出了需求量的曲线图。在此基础上，分析了电动汽车到特定年份处于什么发展阶段，并根据此阶段的主要对象分析各种类型用车所占的比例（见表3）。

表3 几种类型汽车的发展状况

［1］ 鲁莽，周小兵，张维.国内外电动汽车充电设施发展状况研究［J］.华中电力，2010（5）:21-23.

［2］ 刘潇潇，漆文辉，黎曦，等.电动汽车及其发展趋势分析［J］.湖南电力，2010，30（5）:43-46.

［3］ 王刚，周荣，乔维高.电动汽车充电技术研究［J］.农业装备与车辆工程，2008（6）:39-44.

［4］ 张文保.电动汽车电池及其充电问题［J］.电池，1997，27（3）:7-9.

［5］ 肖攀，陈广伟，邓楚南.电动汽车的电池技术研究［J］.北京汽车，2005（6）:27-30.

［6］ 徐宝贵，王震坡，张承宁.电动汽车续驶里程能量计算和影响因素分析［J］.车辆与动力技术，2005（2）:38-41.

［7］ Kejun Qian，Chengke Zhou，MalcolmAllan,et al.ModelingofLoad Demand Due to EV Battery Charging in Distribution Systems［J］.IEEETransactionsonPowerSystems，2010：27-29.

Simulation Prediction on the Development of Electric Vehicles

LIU Zhao1,WANG Qiang2,GAO Zhao-li2
(1.College of Electrical&Electronic Engineering North China Electric Power University,Beijing,102206,China；2.Jinan Power Supply Company,Jinan,Shandong 250001,China)

In our country,the pollution released by automobiles has become an important factor of a city’s air pollution.Therefore，Electric Vehicles （EV for short）has become the main stream of the development of cars in the 21st century due to its outstanding performance in environmental protection and resource saving.This paper first analyzes the marketing model of electric vehicles，and then introduces the Lotka-Volterra model for modeling and simulates the development and market demand of EV in the next decades with MATLAB.Finally，to take Beijing as an example，it predicts the development trend of electric vehicles in the next 20 years.

electric vehicle；demand；simulation；prediction

TM773

A

1671-0320（2011）04-0030-04

2011-04-11，

2011-05-23

刘 昭（1987-），男，山东聊城人，华北电力大学（北京）硕士研究生，助理工程师，主要研究方向为电力系统自动化；

王 强（1971-），男，山东济南人，1992年毕业于山东广播电视大学，高级工程师，从事继电保护工作；

高兆丽（1976-），女，山东济宁人，2008年毕业于长沙理工大学电力系统专业，高级工程师，从事继电保护工作。