纯电动汽车和传统汽车使用周期效益比较研究

严 岿 陈 行

(武汉理工大学研究生院1) 武汉 430070) (武汉理工大学汽车工程学院2) 武汉 430070)

0 引 言

汽车尾气排放是导致中国空气污染的主要原因之一，全球多个国家也将电动汽车列为可持续发展的交通方式，并对新能源汽车的能耗和排放展开研究.

Donateo等[1]对罗马电动车充电次数及消耗电量进行统计，根据电量消耗折算为发电端排放，研究发现电动汽车在所有的排放物数量上均少于传统汽车.Patrick等[2]通过四种假设情形对电动汽车的排放数据进行分别计算，研究表明，只有在抵消情形下电动汽车才具有零排放性能；在边际充电情形下电动汽车排放量接近于传统汽车.张磊等[3]以欧拉纯电动汽车为例，对其百公里排放量进行折算，研究发现基于现有的能源组合模型下纯电动汽车CO2排放量较传统汽车减少31%.

另一方面，基于消费者视角对新能源汽车的经济性研究也备受关注.Baha等[4]以插电式混动汽车为研究对象，将拥有成本、二手车变卖成本回收和消费者偏好为评价标准，发现插电式混动汽车较传统汽车优秀.Wu等[5]将拥有成本模型和蒙特卡洛模拟相结合，对三种不同动力汽车车型的拥有成本进行比较，发现使用周期总行驶里程对三者的经济性高低有决定性作用.Jens等[6]发现由于缺乏数据消费者难以评定三种车型的经济性优劣，通过计算发现在瑞典纯电动汽车经济性最好.Diao等[7]在进行生命周期成本计算的同时将不可直接测得成本也考虑在内，这些不可直接测得成本包括车辆牌照可获得性、限行政策等，研究发现，计入不可直接测得成本后电动汽车具有优秀的经济性能.Steffen等[8]对德国汽车消费者进行分类研究，当年均行驶里程低于7 500 km时电动汽车经济性不如传统汽车，在2020年前政府所提供的电动汽车购车补贴依然是电动汽车推广不可或缺的手段.王宁等[9]对比研究插电式混动汽车和传统汽车经济性差异，由于混动汽车较为昂贵的购置成本导致在当前研究背景下难以商业化，油价上涨会促进电动汽车的快速普及.

文中基于总成本方法来对纯电动汽车和传统汽车进行经济性能的评价，对两种汽车类型的经济性能进行敏感性分析.最后判断纯电动汽车和传统汽车经济性及排放性的优劣，根据关键性因素给消费者和政策制定者参考意见.

1 研究方法

1.1 拥有成本分析

消费者在一个完整的使用周期囊括的经济成本主要包括：初始的购置成本、保险费用、使用周期的维护成本和燃料成本.基于此，本文构建了一个符合中国汽车消费者特征的汽车生命周期拥有成本计算方法(total ownership cost,TCO)[10].

TCO=Cp+CI+CO

(1)

式中：Cp(purchasing cost)为车辆初始的购置成本，包括终端售价和税费，随着二手车交易的兴起，消费者可通过出售二手车来收回部分购置成本；CI(insurance cost)为车辆保险费用；CO(operating cost)为使用成本，包括燃料费用和维修保养费用.

1.2 购置成本

购置成本由初始购置费用减去二手车转卖收入计算而来.初始购置费用由厂商建议零售价(manufacturer suggested retail price,MSRP)、消费税、购置税、增值税和车船税构成，其中消费税和增值税已包含在MSRP中.购置税计算公式为

(2)

2012年，新的车船税将乘用车按7个档次进行征收，各地区根据基准征收标准可以进行浮动调整.由于车船税逐年征收，与车险类似，因此在进行成本核算时将其计入使用周期的保险费用.初始购置成本为

CP=MSRP+购置税

(3)

国内二手车交易成交量增长率已远超新车交易成交量，在分析消费者的全周期拥有成本中将二手车售卖收益一并进行考虑.二手车售卖收益为

(4)

式中：r为使用t年后的售卖价格;i为折现率,假定为5%.

将二手车售卖收益考虑到初始购置成本当中，计算公式为

(5)

1.3 使用成本

汽车在使用周期涉及到燃料费和维修保养费.燃料费用可根据百公里燃油消耗进行测算.维修保养周期依车型而定，见表1(以2年记为一个维修周期).

表1 不同车型维修保养成本

1.4 保险费用

车险包括交强险和其他商业险，保险费明细及计算见表2.

表2 保险费明细

2 使用周期经济成本比较

2.1 车型选取

本文选取的纯电动汽车车型为北汽EV200和比亚迪秦EV300，此外还选取了两款相对应的传统汽车车型来进行成本对比分析，分别为一汽大众POLO和上汽大众朗逸.

2.2 使用成本对比分析

与传统汽车相比，纯电动汽车的零售价格要高出2倍左右，这是电池成本太过高昂导致.以北汽EV200为例，其配备的电池组容量为30.4 kWh，电池组成本占整车零售价的40%左右.为了推动汽车市场的增长，政府对小排量车型实施减免购置税，对部分电动汽车免去购置税和车船税.但是由于零售价相差过大，减免购置税无法弥补两者间价格的鸿沟，为此政府制定了相应的补贴政策，且在大多数城市地方补贴和政府补贴可以同时享有，补贴额度与车辆的续航里程R成正比关系，具体补贴标准见表3.

表3 电动汽车补贴额度 单位：万元

二手车市场还没有建立完整的规范和政策，根据大众中国官方给出的数据，大众汽车5年后的折旧率为43%～56%，本文假定为50%.电动汽车因其进入市场不久，因此,缺乏相应的折旧数据.考虑到电动汽车电池成本的不确定性，因此,折旧率假定为65%，具体购置成本见表4.

表4 购置成本 单位：元

电动汽车打动消费者的主要原因之一便是百公里性价比，一方面是电动汽车燃料成本低，另一方面是因为电动汽车结构较传统汽车简单，维修保养费用也相应降低.汽车的常规保养主要是对发动机系统进行维护，而电动汽车没有配备发动机，其传动结构也更加简单.为了促进电动汽车的销售，生产厂家对电池组提供终身免费维护保养.因此，电动汽车的保养费用较传统汽车要低30%，具体百公里使用成本见表5.

表5 百公里使用成本 单位：元/100 km

保险支出与整车实际成交价成正相关，电动汽车的商业保险成本与补贴后的成交价格相关，具体保险成本见表6.

表6 保险成本 单位：元

3 社会成本分析

基于产品的全生命周期理论，电动汽车在制造、使用、生命末期都会产生相应的排放.与传统汽车产生的排放不同，电动汽车在使用周期间接产生的排放集中在发电厂，因此,有害物质大多会被直接处理，只有碳排放到大气中.政府大力推动电动汽车的发展也是基于此，本文通过“矿井-车轮”(well to wheel,WTW)方法[11]对电动汽车在使用周期产生的碳排放进行分析计算.

WTW方法包括两个阶段，第一阶段是“矿井-油箱”(well to tank,WTT)，第二阶段是“油箱-车轮”(tank to wheel,TTW).电动汽车消耗的电能经过折算为发电厂所需要产生的电能，相关联的碳排放也得之计算.电动汽车的WTT阶段是发电厂产生的电能经电网输送后配给到充电桩上，经充电装置加载到电池组中；TTW阶段则是电池组释放能量供给电动车日常行驶.

首先，计算电动汽车行驶所耗能量EBEV，电动汽车的动力系统由电池系统和传动系统组成，在计算行驶所耗能力需要考虑电池释放效率和传动系统效率.

(6)

式中：e为车辆耗能，J/km；VKT为车辆行驶里程，km；ηbev和ηch分别为电池组效率和传动系统效率.根据查阅文献，纯电动汽车每行驶百公里耗电量为15 kWh.

计算发电厂所需产生电能Epp，电能由发电厂产生到加载到电池组单元中经过三个环节：发电、传输、充电.

(7)

式中：ηet为电能传输效率；ηpr为发电效率；ηch为充电效率.电动汽车充电效率为80%～90%，假定充电效率为85%[12].

计算发电厂所耗标准煤质量Msc

(8)

式中：Pc为全国煤电比例系数；m为标准煤消耗率；g/(kWh).

根据文献[11]可知，2014年全国线损率为6.64%，全国平均供电标准煤耗为319 g/(kW·h)，全国煤电发电量占比74.2%[13].经计算，纯电动汽车每行驶100 km折算标准煤耗为4.47 kg.CO2排放系数为2.46 t CO2/tce[14]，即纯电动汽车每行驶100 km折算CO2排放量为11 kg.

4 敏感性分析

4.1 拥有者经济成本敏感性分析

电动汽车与传统汽车相比最大的经济性优势在于百公里使用成本，见图1.在假定使用年限为6年的情形下，当年均行驶达到18 906 km时，北汽EV200的消费者拥有成本与大众Polo的消费者拥有成本相当；当年均行驶达到14 481 km时，比亚迪秦EV300的消费者拥有成本与大众朗逸的消费者拥有成本相当.纯电动汽车使用成本约占同等级别的传统汽车使用成本的20%，因此行驶里程增加能够充分发挥纯电动汽车的经济性能.但是，实际情形是随着公共交通的迅速发展，车辆拥有者平均驾驶里程逐年减少[15]，这种发展趋势会导致电动汽车的使用经济性难以表现出来.另一方面，石油是一种不可再生的化石能源，其价格一直处于波动中增长的趋势，根据调研结果当油价持续上涨时消费者对电动汽车更加青睐.

图1 总拥有成本比较(以行驶里程为变量)

对比总拥有成本发现，由于高昂的动力成本，纯电动汽车的购置成本较同级别的传统汽车购置成本高出25%～40%.随着电池技术的革新和原材料成本下降，2020年前电池成本有望下降到1 400元/kWh[16]，使电动汽车在初期购买时就具有经济性竞争力.在多数新能源汽车示范运营城市中，地方政府除了提供与中央政府对等的购买补贴，还出台了一系列的奖励措施，如新能源汽车牌照不需摇号或者拍卖，不对新能源车辆采取限行措施，在一定程度上给予了消费者不可测定的成本补偿.

4.2 社会成本敏感性分析

纯电动汽车每行驶百公里间接造成11 kg CO2排放，传统汽车CO2排放和燃油消耗量成正比，排放系数为2.5 kg/L[17].当传统汽车的百公里油耗下降到4.4 L时，在使用周期中纯电动汽车并不具有减少碳排放的优势.与纯电动汽车使用周期CO2排放量相关的因素很多，电能结构和发电效率有着最为直接的影响因素.目前全国煤电占比达74.2%，随着国家节能减排工作的持续，煤电占整个电能结构的比例会逐渐减少；另一方面目前的煤电发电效率不足40%[18]，随着煤电发电效率的提升纯电动汽车的减排优势会随之增强.

以目前的传统汽车实际油耗进行对比，纯电动汽车CO2排放量相较之减少37%.到2020年，根据国家政策要求新生产汽车的百公里油耗需下降到5 L；根据“十三五规划”，到2020年，现役燃煤发电机组改造后平均供电煤耗低于310 g/(kW·h).在三种不同电能组合发展情形下对纯电动汽车减排能效进行分析，见表7.由于假定电动汽车能耗保持不变，传统汽车油耗下降导致电动汽车减排效能下降.

表7 2020年减排效能比较 单位：%

5 结 束 语

随着行驶距离的增长，电动汽车的经济性突显，当行驶距离达到敏感性临界点时，电动汽车的拥有成本会低于同等级别的传统汽车.由于初始购置成本的巨大差距导致电动汽车的经济性难以与传统汽车相当，但随着电池制造成本的下滑，电动汽车的经济性能将会逐渐提升，当购置成本相当时电动汽车会有足够的吸引力.

基于社会环境成本视角，现阶段下纯电动汽车减排优势较为显著，即使传统汽车的排放在逐年下降，电动汽车仍是清洁交通最为有效的工具.但是电动汽车并不是真正的“零排放”，根据文中折算可知电动汽车排放量和地区能源结构有很大的关系，因此在制定相应的推广政策时要将地区煤电发电比例考虑在内.对于能源较清洁的地区积极推动电动汽车的发展，对于煤电发电占比较高的地区首要工作仍是能源清洁化.