中低速电动汽车盈亏敏感性分析

朱 妮，欧阳明高，卢兰光，江发潮

(1.中国农业大学工学院，北京 100083;2.清华大学，汽车安全与节能国家重点实验室，北京 100084)

前言

目前，我国已明确以纯电动汽车为主，混合动力汽车为辅的新能源汽车战略发展方针。但是受限于动力电池等关键部件的性能和价格，纯电动汽车的市场普及步履维艰、进展缓慢。从能量消耗最低的角度出发，贴近用户需求的中低速电动汽车被国际社会称为是市场的突破口［1］，美国和加拿大等国家已经相继颁布法规规范高速成长中的中低速电动汽车的市场和使用［2］。

中低速电动汽车是针对城市居民的需求开发的，乘员数1～4人，续驶里程约为100km，最高车速为70km/h的轻型汽车［3］。中低速电动汽车有效控制了能量消耗，实现了现有纯电动汽车开发技术水平与细分市场需求的完美结合，做到技术、实用和功能等多方面的综合统一。但是，其相对于燃油汽车是否具有成本优势和有多大优势等问题，人们仍然存在疑问，目前对于这方面的研究很少，尤其是装用铅酸电池和锂离子电池的中低速电动汽车的成本对比，更鲜有研究结论。

本文中从消费者的角度详细讨论中低速电动汽车的生命周期成本，包括购买和使用过程中的成本，并将其与燃油汽车的生命周期成本进行比较，研究在电动汽车技术发展和燃油价格不断上涨的情况下何时能实现电动汽车与燃油汽车的盈亏平衡。对此，重点分析电池价格、电池寿命和燃油价格等关键因素对汽车生命周期成本的影响，研究中低速电动汽车相比同级别燃油汽车的成本优劣性，及装用铅酸电池和锂离子电池对低速电动汽车商业化的意义。

1 中低速电动汽车的成本模型

1.1 汽车生命周期成本和盈亏敏感性的理论模型

对于消费者来说，汽车生命周期成本包括两大部分:(1)购置成本;(2)运行成本［4-5］。对于燃油汽车，购置成本即为购车时的支出。而电动汽车的购置成本则包含购车时的支出和电池更换成本。

选用中低速电动汽车和同配置的燃油汽车初始购置成本由整车厂提供的各零部件批量采购的成本折算得到，更换动力电池的成本则根据假设的电池寿命，结合在一定范围内电池单价的预测来计算。

运行成本包括能源费用、维护费用和其它支出。其中，其它支出为汽车保险等费用，因为难以量化且相对较小，故在本文计算中忽略不计。中低速电动汽车和燃油汽车运行成本的差异主要表现在能源费用，即耗电费用和燃油费用的差别，主要影响因素分别为充电单价和燃油单价。汽车的生命周期成本的分析模型如图1所示(其中动力电池成本仅为电动汽车所有)。

根据图1所示的汽车生命周期的成本模型，为量化中低速电动汽车相比燃油汽车的优势，提出了中低速电动汽车盈亏敏感性的概念，将其定义为燃油汽车与电动汽车的生命周期成本之比。比值越大，表明电动汽车相比燃油汽车的成本优势越大。当盈亏敏感性指数小于1时，政府和相关部门应结合具体市场情况，及时出台相关的补助政策以推动中低速电动汽车的发展。

1.2 生命周期成本分析算法

1.2.1 生命周期成本和盈亏敏感性模型

根据图1所示的汽车生命周期成本模型，其计算如式(1)～式(3)所示。

式中:CEV为电动汽车生命周期成本;CCV为燃油汽车生命周期成本;CVeh，EV为电动汽车初始购置成本;CVeh，CV为燃油汽车初始购置成本;CBat，LC为电动汽车电池生命周期成本;COp，LC，EV为电动汽车生命周期运行成本;COp，LC，CV为燃油汽车生命周期运行成本;Ssen为盈亏敏感性指数。

1.2.2 动力电池总成本模型

动力电池一百多年的发展经历了铅酸电池、镍氢电池和锂离子电池3个时代。其中，镍氢电池因其高功率密度主要应用于混合动力电动汽车，如丰田普锐斯等;铅酸电池虽然污染较严重，比能量、比功率和循环寿命都较低，但因其技术成熟，且价格低廉，目前在我国占有较大的市场份额，广泛应用于中低速电动汽车;锂离子动力电池因其高能量密度、长寿命等卓越性能在近期受到广泛关注。3种电池的基本性能参数对比如表1所示。

表1 3种动力电池性能比较［6］

受循环寿命的局限，无论是装用铅酸电池或锂离子电池，中低速电动汽车原配的动力电池组都无法满足整个使用寿命期间的需求，在整车报废前须多次更换动力电池组。尤其是锂离子电池目前处于发展早期，其大规模产业化尚未启动，普遍预期未来其单价将会出现大幅度降低。因此在本文中，将考虑电池技术突破和市场扩张对动力电池总成本支出的影响，即电池寿命延长和电池单价降低对总支出的动态效应。

因为汽车的全生命周期是一个较长的时间段，运行成本在未来的投入将占非常大的一部分，所以在本文中引入了经济学原理的折现率概念，折现率即将未来有限期内的资金支出折算成现金的比率，对于消费品的估值支出一般按5%计算［5］。动力电池的全生命周期成本模型如式(4)～式(6)所示。

式中:［x］表示不超过x的最大整数;C为电池容量;CBat为单块电池的购置成本;K为电动汽车生命周期内电池总块数;k为电动汽车生命周期内更换的第k块电池;LBat为电池寿命;LV为整车生命周期行驶里程;N为汽车寿命;Q为电池单价;r为折现率;U为电池电压。

1.2.3 运行费用成本模型

汽车运行费用包括燃油费、耗电费和维护费。设定汽车一年中行驶365天，电动汽车的维护费约为燃油汽车维护费的40%［5］。运行费用同样要考虑折现率。运行费用成本模型如式(7)～式(14)所示。

式中:CEle为电动汽车每年耗电费;CFue，CV为燃油汽车每年燃油费;CMai，CV为燃油汽车每年维护费;CMai，EV为电动汽车每年维护费;COp，CV为燃油汽车每年运行成本;COp，EV为电动汽车每年运行成本;EA为每公里耗电量;FA为每公里耗油量;MA为每公里维护成本;PEle为充电单价;PFue为燃油单价;Rd为每日行驶里程;η为充电效率，η=80%。

2 生命周期成本分析

2.1 初始购置成本分析

选择常州麦科卡电动车辆科技有限公司生产的中低速电动汽车哈利为研究对象，其配备的动力电池容量为10kW·h，续驶里程为100km，电池充电效率为80%，放电深度为80%。设定使用寿命为15年(或运行30万km)。相同配置的燃油汽车100km油耗为5L。

哈利与同级别的燃油汽车的整车物料成本清单如表2所示。

表2 模型物料成本清单

在结构上，纯电动汽车比燃油汽车多了动力电池和电机，少了发动机部件。由表2可以看出，中低速电动汽车相比燃油汽车初始购置成本的增加主要来自动力电池。发动机技术已经相当成熟，价格稳定。车用电机价格在未来将出现小幅度的降低，但它在整车成本中所占比例非常小，所以本文中不考虑其变化。锂离子电池随着技术的改进和市场的扩大，其成本必然有显著降低，图2为国泰君安证券汽车研究部对3种动力电池未来价格的预测。

2.2 更换动力电池总成本分析

在购买中低速电动汽车时，将附带一套动力电池，单套动力电池的成本(元)大约为电池单价(元/(W·h))的1万倍。根据国泰君安证券汽车研究部的研究，预测锂离子电池的寿命如图3所示。本文中选定3个代表性动力电池寿命长度(5万km，10万km，15万km)进行分析。在不同的电池寿命下，根据1.2.2节中的动力电池总成本模型，计算得到电动汽车在使用期间的动力电池总成本如图4所示。

2.3 运行成本分析

运行成本主要包括能源费用和维护费用两大部分。据美国能源部统计，北京的私家车平均日均行驶里程为50km(假设一年中行驶365天)。2009年我国电网平均销售电价为0.53072元/(kW·h)，居民生活用电平均0.4674元/(kW·h)，居民、电网企业和政府所能共同接受电动汽车充电电价比日常居民用电电价略高15%［7］。考虑到电动汽车主要在经济发达地区推广，因此在此选择充电电价为0.7元/(kW·h)。而其能源费用则取决于油价。我国对油价的调整主要考虑的因素包括主产油国的动荡、世界储量的减少和国内需求的增加。图5示出1998年至今北京93#汽油单价的统计及其变化趋势预测曲线，权且作为我国油价预测的依据。

油价对于运行费用的影响如图6所示。油价增高导致燃油汽车和电动汽车运行费用的差额增大，电动汽车在运行中的优势随油价的增高更显著。

3 中低速电动汽车盈亏敏感性分析

基于前面的生命周期成本模型对中低速电动汽车和燃油汽车的盈亏敏感性进行分析，电池寿命分别为5万km、10万km和15万km 3种情况下的分析结果如图7所示。图中数字为盈亏敏感性指数。图中同时标出在当前燃油价格下铅酸电池和锂离子电池的单价。

由图7(a)可见，在当前市场技术情况下，配备铅酸电池的低速电动汽车相比燃油汽车已经具备了市场化成本的绝对优势;而配备锂离子电池的低速电动汽车目前还处于亏损状态。若按图5中的油价预测，2014年底至2015年初油价可升至10元/L升，由图7(b)可以看出，若锂离子电池寿命可达到10万km，则中低速电动汽车的成本将与燃油汽车达到平衡。由图7(c)可知，若油价6.7元/L和锂离子电池单价5元/(W·h)都保持不变，则锂离子电池寿命须达到15万km，中低速电动汽车成本才能与燃油汽车平衡。

4 结论

系统比较了中低速电动汽车和燃油汽车生命周期成本，得出在现有市场条件下，中低速电动汽车若装用铅酸电池，则相对于燃油汽车已经具备显著的生命周期成本优势;若装用锂离子电池，成本则相当高昂，但伴随国内油价的不断提升，电池性能的不断突破和市场规模的不断扩大等，预计在2013年装用锂离子电池的中低速电动汽车的生命周期成本能够和同级燃油汽车达到平衡。

中低速纯电动汽车是节能减排和经济实用的汽车产品，符合中国当前国情，应该予以高度重视［8］。目前，我国关于中低速电动汽车的法规还处于缺失状态，因此应该高度关注，多给予鼓励和推广，从而开启电动汽车的市场大门。

［1］王瑛，王贺武，欧阳明高.电动汽车微型化发展路径分析［J］.电源技术，2008，32(4):257-260.

［2］张文亮，武斌，李武峰，等.我国纯电动汽车的发展方向及能源供给模式探讨［J］.电网技术，2009，33(4):1-5.

［3］中国纯电动汽车发展配套措施研究报告［R］.中国汽车工程学会，2009.

［4］马钧，俞一鸣.强混合动力汽车生命周期成本研究［J］.农业装备与车辆工程，2009(7):22-25.

［5］Dixon L，Porche III I R，Kulick J.Driving Emissions to Zero［R］.California:Rand Corporation，2002.

［6］崔胜民.新能源汽车技术［M］.北京:北京大学出版社，2009.

［7］腾耘，胡天军，卫振林.电动汽车充电电价定价分析［J］.交通运输系统工程与信息，2008，8(3):126-130.

［8］陈全世，朱家链，田光宇.先进电动汽车技术［M］.北京:化学工业出版社，2009.