基于全生命周期成本理论的六种能源类型城市公交的经济性对比分析

罗青东，楼京京，万昔源，张旅阳

(义乌工商职业技术学院 机电信息学院，浙江 义乌 322000)

0 引言

自2009年国家开展“十城千辆”新能源汽车示范工程推广开始，至2012年发布的《节能与新能源汽车产业发展规划(2012—2020年)》以及最新发布的《新能源汽车产业发展规划(2021—2035年)》，在国家及地方层面积极产业发展政策的大力推广和驱动下，我国产销量不断攀升，新能源汽车产业在短短十余年时间就从最初“培育期”进入了“快速发展期”。截至2020年底，单单交通运输行业推广应用的新能源汽车就达到了160万辆。新能源汽车产业的蓬勃发展，一方面有效地缓解了日趋严重的环境与能源压力，另一方面又使汽车产业这一重要的国民经济支柱产业迎来了崭新的发展机遇。

在交通运输行业中，公共服务领域的城市公交车一直是节能与新能源汽车推广的“排头兵”和“先行者”。城市公交从最初的单一的传统燃油公交，发展出CNG天然气、LNG天然气、油电混动、气电混动、纯电动、氢能源等多种节能与新能源产品类型。本文以燃油、CNG天然气、LNG天然气、气电混动、纯电动、氢能源六种类型的国产12米城市公交为研究对象，采集相关的实际运营数据，建立了城市公交全生命周期成本计量模型，对初始购置成本、使用成本、维修保养成本、报废收益和生命周期总成本进行了差异分析，从经济性角度分析了公共服务领域积极响应推行城市公交电动化发展的原因。

1 理论模型建立

1.1 数据采集

为了保证城市公交的全生命周期成本模型数据的真实性、可靠性以及可比性，本文采用实地调研的方式，采集了某省会城市不同能源类型公交车的相关行驶及营运数据。数据样本来源于某国产客车制造引领企业，选取了该品牌同为12米车型的燃油、CNG天然气、LNG天然气、气电混动、纯电动、氢能源六种类型新能源城市公交的实际运营数据。通过对采集的样本数据进行相关统计分析及数据解析，获得六类能源城市公交实际运营的百公里燃料成本、保养成本、维修成本等成本分析数据。

1.2 全生命周期成本理论模型

全生命周期成本理论(Life Cycle cost，简称LCC)中用于全生命周期成本分析的工程估算法数学模型为：

汽车全生命周期成本分析是评价汽车生命周期整体经济性的手段。通过对所要研究的六种能源类型城市公交全生命周期各阶段的特点分析，忽略部分不确定性成本因素，本文建立的全生命周期成本计量模型可用式(2)表示，模型由初始购置成本CI、运营使用成本CO、运营保养成本CM、运营维修成本CF、报废回收收益CD五大模块组成。

LCC=CI+CO+CM+CF-CD

(2)

2 全生命周期成本计算及差异分析

考虑到对汽车的全生命周期成本进行完整的综合评价具有高复杂性，数据繁多且部分数据不易收集，且不同类型车辆成本评估变量的不同会导致不易进行对比分析，本文基于所构建的全生命周期成本模型为计量模型，对燃油、CNG天然气、LNG天然气、气电混动、纯电动、氢能源六种类型城市公交车的全生命周期进行了成本计算，通过其全生命周期的成本差异比较分析完成对不同能源类型城市公交的经济性评价。

2.1 初始购置成本CI

初始购置成本CI值计算公式如(3)所示。对于燃油及燃气城市公交，初始购置成本CI主要由城市公交购买成本CI1和车辆购置税CI2两部分组成。对于新能源城市公交，依据《关于免征新能源汽车车辆购置税的公告》相应免征购置税，同时需另外减去政府购置补贴CI3。

CI=CI1+CI2-CI3

(3)

式中：CI1为城市公交的购买成本；CI2为车辆购置税；CI3为新能源城市公交的政府购置补贴。

(1)车辆购置税

燃油及燃气城市公交车辆购置税CI2依据《中华人民共和国车辆购置税暂行条例》，所需缴纳的购置税为城市公交购买价格的10%。

(2)新能源城市公交车的政府购置补贴

依据《关于进一步完善新能源汽车推广应用财政补贴政策的通知》，气电混动、纯电动两种城市公交享受政府购置补贴CI3，补贴标准依据2021年新能源汽车推广补贴方案，如表1所示。另外，燃料电池城市客车享受城市群示范应用奖励，单车购置不享受政府购置补贴。

表1 2021年新能源客车补贴方案(公共领域)

根据以上相关政策及成本分析，六种能源类型城市公交的初始购置成本如图1所示，六种能源类型城市公交的初始购置总成本对比如表2所示。

图1 六种能源类型城市公交的初始购置成本对比

表2 六种能源类型城市公交的初始购置成本 单位：万元

2.2 运营使用成本CO

运营使用成本CO主要由城市公交运行燃料成本CO1构成，对于节能与新能源公交车需另外减去政府运营补助CO2。

(1)燃料成本CO1

本文采用城市公交全生命周期的行驶里程、平均百公里能耗量以及燃料价格来计算燃料成本CO1，如式(3)所示：

CO1=M×S×P

(3)

式中：M为城市公交的平均百公里能耗量(L/100km)；S为城市公交全生命周期的行驶里程(万km)；P为单位燃料价格(元/L)。

根据调研结果及数据分析，此省会城市公交年均行驶里程55 000公里，公交使用年限8年，生命周期总行驶里程为44万公里；研究假设生命周期内燃料的市场价格以及六种车型的百公里能源消耗量维持不变，并依据中国物价年鉴，用最小二乘法拟合得到燃料价格。

(2)政府运营补助CO2

依据《三部门关于完善城市公交车成品油价格补助政策加快新能源汽车推广应用的通知》，气电混动、纯电动、燃料电池三种城市公交享受政府购置补贴CO2，补贴标准如表3所示。

表3 节能与新能源公交车运营补助标准 单位：万元/辆/年

根据以上分析得出六种能源类型城市公交的运营使用成本清单如表4所示，六种能源类型城市公交的生命周期燃料总成本对比如图2所示。扣除节能与新能源公交车运营补助后，六种能源类型城市公交的生命周期运营使用成本对比如图3所示。

表4 运营使用成本

图2 燃料总成本对比

图3 运营使用成本对比

2.3 运营保养及维修成本CM+CF

本文依据各类公交在五年内汽车全生命周期中的运营保养、一级维修、二级维修和大修发生费用数据的统计结果，主要考虑材料费用，不计入基础设施投资成本和人工成本，计算出每年的平均费用估算其运营保养及维修成本CM+CF。

(4)

式中：CMi和CFi分别为每一年的保养及维修成本(i=1,2,…,5)。

根据调研，此省会城市公交中，燃油城市公交每年平均的保养及维修费用为11 232元；CNG和LNG燃气城市公交每年平均的保养及维修费用为10 275元；气电混动城市公交保有量较少，每年平均的保养及维修费用为12 075元；纯电动公交电机、电池和电驱系统供应商保修都在八年及以上，同时取消了传统发动机、变速箱和离合器等总成部件，维修量大幅下降，每年平均的保养及维修费用为6 637元，氢燃料城市公交还处于示范运营阶段，按纯电动基础上增加20%保养及维修费用，估算出每年平均的保养及维修费用为7 964元。六种能源类型城市公交的生命周期运营保养及维修成本对比如图4所示。

图4 运营保养及维修成本对比

2.4 报废回收收益CD

根据国家相关规定，汽车报废回收时一般按照汽车购置费用的4%给予车主补偿，燃油城市公交报废回收收益为1.8万元，CNG和LNG城市公交报废回收收益为2万元。节能和新能源城市公交报废收益由电池回收收益和整车回收收益(扣除电池)两部分组成。

目前纯电动城市公交的磷酸铁锂电池循环寿命可达到 3 000 次以上，按8年时报废电池能量衰减至原值的70-80%计算，梯次利用电池回购价格约为新电池的 30%，12米公交使用300 KWh的电池梯次利用回收价格约为10.8万元，气电混动和氢燃料使用50 KWh的电池梯次利用回收价格约为1.8万元。纯电动、气电混动和氢燃料相应整车回收收益(扣除电池)分别为2.6万元、1.8万元和10.2万元。六种能源类型城市公交的报废回收收益对比如图5所示。

图5 报废回收收益对比

2.5 全生命周期成本LCC

根据以上研究，按全生命周期公式计算，得出六种能源类型城市公交的全生命周期成本LCC汇总如表5所示。

表5 全生命周期成本汇总 单位：万元

3 结论与分析

六种能源类型城市公交的全生命周期成本LCC对比如图6所示。综合本文对六种能源类型城市公交全生命周期成本的差异分析可以得出结论：

图6 全生命周期成本对比

(1)纯电动城市公交的全生命周期成本最低，具有明显的经济性优势。从全生命周期成本的具体模块角度分析，除初始购置成本CI模块，其他生命周期模块中纯电动城市公交成本都是最低的。特别是运营使用成本CO模块，随着纯电动整车三电系统相关核心技术的发展，目前政府执行的节能与新能源公交车运营补助标准CO2的补贴标准已经超过了城市公交充电消耗，8年产生22.4万元的结余。

(2)作为示范运行的氢燃料城市公交在购置成本和运营使用成本上远高于其他五种能源车型，制造成本和燃料成本高昂。

本文基于全生命周期成本理论，采集六种能源类型城市公交实际运营数据，建立了全生命周期成本计量模型进行全生命周期成本计算，通过对全生命周期的成本差异分析完成对不同能源类型城市公交的经济性评价。得出如下结论和展望：

(1)研究结果表明纯电动城市公交的全生命周期成本最低，具有明显的经济性优势，符合国家节能减排蓝天保卫战的需求，是目前最为理想的公交类型。

(2)公共服务领域推行城市公交电动化具有较大发展优势，但是纯电动城市公交也存在局限性有待提升，具体表现为：受充电时长及充电设施配套滞后的制约，建成的充电桩处于满负荷运转状态，大批待投入市场的纯电公交只能暂停交付；受电池续航里程的制约，目前纯电动城市公交150 kWh的电池实际运营的续航里程大约为150公里，夏天开启空调状态下，续航里程缩减至100公里左右，不能满足主干线高负荷大运量的使用需求；受电池热管理系统效能的制约，纯电动公交车的电池热管理系统在零下温度加热效果不大，在夏季高温环境冷却效果不大，有待提升。

(3)虽然目前示范运行的氢燃料城市公交不具备成本优势，但从中长期来看，随着氢燃料系统相关核心技术的不断突破，制氢、储氢和运氢技术的成熟，氢燃料城市公交的燃料成本将实现大幅下降，氢燃料城市公交生命周期成本有望降至和纯电动城市公交相当的成本。预计到2050年，氢燃料电池汽车保有量可达3 000万辆，成为我国新能源体系的重要组成部分。