基于电池差异的增程式客车生命周期成本分析

刘钊　蒋进科

摘 要：为了研究当前技术条件下不同容量蓄电池的增程式电动客车综合成本，引入了生命周期成本分析评价体系，对增程式电动客车的各种成本进行了详细的探索。从用户角度出发，以现有各种能源价格为基础进行成本估算，并使用了与车辆实际行驶状态最接近的中国典型城市工况作为基础，通过对4种类型增程式电动客车的生命周期成本差异进行比较，选出当前条件下综合成本最低的增程式电动客车车型。结果显示，在4种电池容量的车型中，容量最小的车型生命周期成本最低。同时加入了敏感性分析，分别从燃料价格变动、蓄电池价格变动以及蓄电池寿命变化角度，分析各类增程式电动客车的优势，随着燃料价格上涨与电池价格下降，电池容量小的车型价格优势越来越小。关键词：增程式客车;动力电池容量;生命周期成本中图分类号：U469.7  文献标识码：A  文章编号：1671-7988（2020）08-17-04

Abstract： In order to study the comprehensive cost of Extended-Range buses with different batteries under the current technical conditions， a life cycle cost analysis and evaluation system was introduced， and various costs of extended range buses were explored in detail. From the perspective of the user， the cost is estimated based on the existing energy prices under the successive Chinese typical city bus driving cycles which are closest to the actual driving conditions of the vehicle. The differences are compared， and the range-extended bus model with the lowest comprehensive cost under the current conditions is selected and the results show that among the four battery capacity models， the model with the smallest capacity has the lowest life cycle cost. A sensitivity analysis was added to analyze the advantages of various range-extended buses from the perspectives of fuel price changes， battery price changes， and battery life changes. As fuel prices increase and battery prices decrease， the price advantage of models with small battery capacity increases. It is getting smaller and smaller.Keywords： Extended-range bus; Energy of battery; Life cycle costCLC NO.： U469.7  Document Code： A  Article ID： 1671-7988（2020）08-17-04

前言

目前，我国新能源汽车的发展日新月异，同时城市公交客车的清洁化、电动化也取得了令人瞩目的成就[1，2]。但就目前纯电动公交客车的使用情况来看，依然存在车辆购置成本高、行驶里程短、电池容量不稳定、电池寿命短等问题[3，4]。尽管目前纯电动公交客车享受着国家和地方的双重补贴，但补贴仅仅是在过渡时期的应急措施，并不能成为一项长久的政策，在动力电池未取得突破性进展的时期，有必要结合目前新能源客车的发展技术条件与成本状况，进行新能源客车车型的选择。

在2018年发改委下发的《汽车产业投资管理规定（征求意见稿）》中，已将增程式电动汽车列为纯电动汽车投资项目，将增程式电动汽车从混合动力汽车类型中分离，为增程式电动汽车的发展带来新的契机。增程式电动汽车动力结构是一种最接近纯电动汽车的结构类型，发展增程式电动汽车同样对纯电动汽车有较强的促进作用。

1 生命周期成本

生命周期成本是以生命周期为视角的成本评价方式，包括获取、运营、维护修理和处置一个项目或系统在一段时间内的总成本。汽车的生命周期成本主要包括研发成本、制造成本、使用成本、回收成本和社会成本[5，6]。其模型如下：

這些内容可分为3部分，其中研发成本和制造成本属于企业成本，使用成本和回收成本属于用户成本，废弃物、污染属于社会成本。

根据我国《机动车强制报废标准规定》，公交客运汽车使用年限为13年，行驶里程为40万km。城市客车日行驶里程在200-250km之间，年行驶里程在6万-7.5万km之间，则一辆公交车的使用年限预计为6-7年。因此，本文以7年或40万公里作为城市客车运营寿命的依据，计算并分析增程式电动城市客车的使用成本。

本文在比亚迪K8纯电动客车的基础上，采用加入増程器，以及换装三元锂电池的方式，进行增程化改装。可仅列出这些车型的差异之处，即生命周期成本差异。其模型如下：

2 生命周期成本差异计算

本文采用蓄电池容量分别为58kwh、87kwh、116kwh、145kwh的增程式电动客车进行对比，由于4种车型只有蓄电池容量的差别，因此本文仅从与蓄电池容量有关的制造、使用、回收3方面进行探讨，而认为研发阶段各种车型没有区别。

根据“真锂研究”网站的调研显示，2015年中国新能源汽车市场的动力锂离子电池单元成本都已在1200元/kWh左右的水平，而镍钴锰酸锂电池中含有贵金属，取其成本为1300元/kWh，电池成组需要增加均衡电路和冷却系统，大概需要增加1/3的成本，故镍钴锰酸锂电池组成本为1733元/kWh。

4种类型的增程式电动客车制造成本差异如表1所示。

使用成本包括能耗成本和维修保养成本，能耗成本以车辆正常工作所消耗的能量进行计算，根据比亚迪K8的数据及测试要求，该型城市客车半载（15150kg）在40km/h等速法测得续驶里程为475km，由计算得出40km/h等速条件下车辆行驶所需功率为14kW，车辆行驶电耗为35kWh/100km，该车动力电池容量为279kWh，一般情况下动力电池可用容量为总容量的80%，防止由于电池过度放电造成的寿命减少，故可用容量为223.2kWh，计算得出整车电耗为47 kWh/ 100km，则该车电池充放电损耗、电机损耗、传动损耗、附件损耗等其他损耗共12kWh/100km，换算得到其他损耗功率为4.8kW。

如果根据中国典型城市公交循环工况的计算，车辆满载行驶所需平均功率为16.5kW，此时由于电池充放电和电机平均效率下降，估计其他损耗增加为10kW，加上其他损耗共26.5kW，K8纯电动客车的百公里电耗为161.7kWh/100km，则该车续驶里程140km，远远小于等速法测量的475km。

4种类型增程式电动客车由于动力电池容量不同而导致车重不同，使得车辆车辆行驶所需平均功率略有差异，进而影响其百公里电耗。由于车辆不可能时刻都处于满载，因此还需要计算半载时的能源消耗，计算过程省略，计算结果见下表。同时车辆在极端天气情况下为了保障车厢的舒适程度还需要开启空调，因此也要考虑车辆开空调的情况，电动汽车的空调制冷和制热都需要消耗能量，假设空调制冷和制热消耗功率同样为10kW，则各车型百公里电耗与纯电续驶里程如表2。

城市客车满载约80人，半载40人，一般情况下仅有上下班高峰期车辆会达到满载，其余时间按半载计算，则满载与半载比例约为1：4。传统内燃机汽车的暖风系统可使用发动机热量供热，无需消耗额外能量，而纯电动汽车需要消耗电能加热电热丝进行供热，假设暖风系统和制冷系统所需功率相同，因此加上冬季暖风，纯电动客车开空调和不开空调比例为1：1，增程式电动客车在纯电动阶段需要用电热丝，在增程阶段可以用发动机的热量。增程式电动客车Ⅰ开空调和不开空调比例约为1：3，增程式电动客车Ⅱ开空调和不开空调比例约为3：7，增程式电动客车Ⅲ开空调和不开空调比例约为3：7，增程式电动客车Ⅳ开空调和不開空调比例约为1：2。

根据上述满载与半载、开空调与不开空调的比例引入加权值进行正交计算，得出增程式电动客车Ⅰ百公里电耗为156.6kWh/100km，增程式电动客车Ⅱ百公里电耗为162.7kWh /100km，增程式电动客车Ⅲ百公里电耗为164.6kWh/100km，增程式电动客车Ⅳ百公里电耗为170.0kWh/100km。

增程式电动客车Ⅰ单日用电360kWh，其中蓄増程器发电313.8kWh，消耗天然气46.7kg，消耗电能46.4kWh。增程式电动客车Ⅱ用电374.2kWh，蓄増程器发电305kWh，消耗天然气45.4kg，消耗电能69.2kWh。增程式电动客车Ⅲ用电378.6kWh，蓄増程器发电285.8kWh，消耗天然气42.5kg，消耗电能92.8kWh。增程式电动客车Ⅳ用电391kWh，増程器发电275kWh，消耗天然气40.9kg，消耗电能116kWh。

目前陕西一般工商业电价采用峰谷分时销售，售价为高峰时段1.1元/kWh，平段0.75元/kWh，低谷时段0.4元/kWh。电动客车车使用夜间低谷时段充电，成本为0.4元/kWh，车用压缩天然气（CNG）销售价格约为2.5元/m3，换算为3.6元/kg，则各种类型车辆生命周期能耗成本如表3所示。

维修保养成本是指保持车辆正常运行所要进行的更换零部件、发动机油、轮胎等成本。城市客车行驶40万公里需1739天，增程式电动客车如果每天充一次电，在生命周期内蓄电池循环小于2000次，无需更换;但如果在行驶一个周期之后进行补电，则需要更换蓄电池。但蓄电池容量小的车型在增程阶段相对充放电电流较大，会对寿命产生影响，因此本文认为增程式Ⅰ型车辆在生命周期内需更换3次蓄电池，而其它车型需更换2次蓄电池。经过计算，各种类型的增程式电动客车生命周期内维修保养成本如表4所示。

在报废回收阶段，各类型增程式电动客车蓄电池的回收报废处理外其他报废处理成本基本相同，因此只需计算蓄电池的回收报废成本。

其中蓄电池的各类金属含量比例如表5所示[7，8]。

目前蓄电池中主要金属的价格如表6所示。

增程式电动客车采用镍钴锰酸锂三元锂离子蓄电池，同样按增程式Ⅰ型车辆在生命周期内更换3次蓄电池，其它车型更换2次蓄电池进行计算，则报废回收成本差异如表7所示。

社会成本主要指车辆对环境的污染，本文以用户为主体，只考虑车辆在使用阶段对于环境的影响，而不考虑车辆在生产、运输、报废阶段对环境的影响，同时也不考虑燃料的生产与运输对环境的影响。

各车型CO2排放量及污染物处理成本如表8所示，成本碳交易市场最低限价8欧元/吨，约80元/吨进行计算。

各类型增程式电动客车生命周期成本差异如表9所示。

由此可见，增程式Ⅰ型电动客车生命周期成本最低。

3 敏感性分析

单因素敏感性分析是在分析某一因素对经济效果的影响时，假定其他因素不变，考虑某一因素变动对其结果的影响。本文从燃料价格变动、蓄电池成本变化、蓄电池寿命变化等方面分析其对增程式电动客车的影响。

3.1 燃料价格变动分析

由于世界范围内的燃料紧缺，燃料价格上涨是必然趋势，而燃料的价格变动直接影响到增程式电动客车的使用成本，对于蓄电池容量较小的车型尤其明显。本文选取天然气售价上涨30%、50%、70%和90%，计算对于各类型增程式电动客车的影响，计算结果如表10所示。

由表中数据可知，天然气价格上涨会降低增程式电动客车的成本优势，且蓄电池容量小的车型变化更为明显。

3.2 蓄电池价格变动分析

蓄电池成本会随着社会化生产逐年降低，其变化趋势如表11所示。

由表中数据可知，蓄电池价格下降同样会降低增程式电动客车的成本优势，且蓄电池容量小的车型变化更为明显。

3.3 蓄电池寿命变动分析

随着蓄电池材料科学的发展，蓄电池的循环寿命会逐渐提高，当蓄电池循环寿命提高40%时，纯电动客车即可无需“补电”而完成单日运输任务，此时增程式电动客车的优势会迅速降低，结果如表12所示。

由表中数据可知，蓄电池循环寿命提升同样会降低增程式电动客车的成本优势。

就现阶段而言，在保证车辆正常行驶的动力性要求前提下，最大程度的减少蓄电池容量，是成本最优化的结果。随着化石能源成本的增加以及蓄电池技术的发展，生命周期成本最优结果将向蓄电池容量增大的增程式电动客车的方向，

甚至是纯电动汽车过度。

4 结论

为了进一步了解不同容量蓄电池的增程式电动客车的各种成本差异，本文基于生命周期成本差异分析了4种增程式电动客车制造成本、使用成本、回收成本、社会成本。结果显示蓄电池容量最小的增程式电动客车成本总和最低。

通过对燃料价格变动、蓄电池价格变动、蓄电池寿命变动等因素进行敏感性分析，当燃料价格上涨、蓄电池价格降低以及蓄电池寿命增长时，各种类型电动客车的成本逐渐接近，大容量电池的车型成本逐渐降低。同时也意味着纯电动客车的成本降低的同时，混合动力车型平滑过渡到纯电动车型的时机能够确定。

由本文计算可知，单日运营等效天然气消耗量低并不代表该车具有较好的经济性，从用户角度来看，支出總成本低才是经济性的主要指标。以现阶段的技术水平和能源价格，大力发展纯电动汽车并不完全符合汽车发展的客观规律，应循序渐进按照混合动力汽车、增程式电动汽车再到纯电动汽车的发展路线进行逐步升级。

参考文献

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