新能源汽车经济性阐述

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0前言

随着我国汽车产销量突破1800万辆，成为世界最大的汽车产销国，私人交通的便利与国家能源之间的矛盾更加突出。2011年，我国交通用油呈持续快速上升趋势，石油进口量迅速增长，原油对外依存度超过55%（已超过美国的53.5%）[1]。另外，受资源环境约束，汽车行业的减排压力仍将持续增加。在这一背景下，我国把新能源汽车列为国家战略新兴产业之一，主要发展方向确定为插电式混合动力汽车（Plug-inHybridElectricVehicle，简称PHEV）和纯电动汽车（BatteryElectricVehicles，简称BEV）。同时，在国家新能源汽车发展规划草案中提出，计划到2020年，新能源汽车产业化程度和市场规模达到全球第一，其中新能源汽车保有量达到500万辆；以混合动力汽车（HybridElectricVehicle，简称HEV）为代表的节能汽车年销量达到世界第一[2]。然而，由于新能源汽车整车及电池成本难以下降，新能源汽车的市场表现一直“叫好不叫座”。对此，丰田汽车技术部长表示，让消费者接受新能源汽车，必须注重其经济效用。而从经济性看，如果燃料能减少到一定程度，对消费者会是比较有吸引力的。近年来，随着电池技术的不断发展，车用动力蓄电池已经由低存储能量密度的镍氢电池替代为锂离子电池，例如，日本的丰田普锐斯（Prius）混合动力汽车曾使用镍氢电池作为动力电池，配置容量约为1.3kWh。目前，新能源汽车已经开始使用能量效率更高的锂离子电池，2012年即将上市的日本丰田公司插电式混合动力电动汽车就是使用4.4kWh的锂离子电池作为动力电池。我国著名的汽车企业比亚迪公司多年来一直专注于电池储能以及基于磷酸铁锂电池的电动汽车研发，相继推出了双模电动车及纯电动汽车，引领着我国电动车行业的发展。比亚迪公司凭借电池领域的技术积累，在增加电动汽车续驶里程、提高经济性方面表现突出，为我国新能源汽车广泛推广奠定了基础。新能源汽车的经济性是消费者做出购买决策的最重要因素之一。因而，分析新能源汽车与传统燃油汽车的经济性对比，有重要的现实意义。目前的文献中，大部分是将传统燃油汽车与纯电动汽车的全生命周期成本进行了分析。消费成本是基于电价与油价不变的状态下进行计算的，因而，无法综合评价在资源、能源约束下，新能源汽车较传统燃油汽车的经济性。针对上述问题，本文首先考虑了汽油价格与电价的变化因素；其次，在将传统燃油汽车与纯电动汽车消费成本进行比较的基础上，结合插电式混合动力汽车的成本分析，建立了插电式混合动力汽车成本计算模型。另外，以国产新能源汽车-比亚迪车型为分析对象进行经济性对比分析，更具有现实意义。

1新能源汽车的类型及行驶特点

1.1新能源汽车的类型

新能源汽车是指采用非常规的汽车燃料作为动力来源，综合车辆的动力控制和驱动方面的先进技术，形成的技术原理先进、具有新技术、新结构的汽车。根据动力源的不同，新能源汽车主要分为3种：混合动力汽车、电动汽车、燃料电池汽车（FuelCellVehicle，简称FCV）。除此之外，新能源汽车还包括氢发动机汽车、其他新能源（如高效储能器、二甲醚）汽车等各类别产品。混合动力汽车按发动机和电机功率比的大小可分为轻度混合、中度混合和重度混合动力汽车。日本本田公司的Insight轻度混合动力汽车，实现了35km/L的低油耗和80g/km的低CO2排放量[3]。全球销量超300万辆的丰田Prius混合动力汽车，排放水平也已经达到了SULEV（超低排放水平）的标准，而且，综合油耗只有5.1L/100km，仅为同等排量内燃机汽车的2/3[4]。重度混合动力车型，一般情况下电机的峰值功率和总功率的比值大于30%，比起轻度混合、中度混合两种车型来，重度混合动力车在减少二氧化碳排放量和节油方面效果更明显。重度混合动力汽车燃油消耗量比同等效能的汽油发动机节省约30%～40%；而二氧化碳排放量减少则高达30%。因此，在纯电动车技术及配套设施完全成熟之前，混合动力汽车将是汽车节能减排的主要手段，尤其是重度混合动力汽车技术能够将节能减排工作落到实处。目前，我国重点发展的电动汽车主要包括插电式混合动力电动汽车和纯电动汽车。纯电动汽车指主要依靠蓄电池提供动力运行的电动车，需要配套的充电环境与蓄电池。与传统的燃油汽车相比，电动汽车在能效、排放和经济性上有较大的优势。由于电动汽车不用燃烧汽油、柴油等燃料，因而，在行驶过程中几乎是“零污染”，相对城市环境而言属于零排放清洁汽车。考虑充电电源结构，纯电动汽车的减排潜力大约为13%～68%。同时，纯电动汽车可以节省石油资源并提高能源效率，其能源利用效率比传统燃油高出46%以上，但存在一次充电后续驶里程较短等问题[5]。插电式混合动力电动汽车可以直接由外接电源充电（可以使用家用电源插座，例110V/220V电源），并且在行进过程中可以对混合动力系统中的储能电池充电。插电式混合动力汽车具有电动汽车的全部优点，例如低排放、低噪音、高能效等。而且，插电式混合动力汽车的续驶里程是纯电动汽车的10倍左右（纯电动汽车一次充电后的行驶里程大约为160km，插电式混合动力汽车的行驶里程为1600km以上）[6]。相比传统的混合动力汽车，插电式混合动力电动汽车不仅降低了有害气体、温室气体的排放，还提高了燃油经济性和动力性能。因而，插电式混合动力汽车的市场接受度可能相对高于纯电动汽车。燃料电池汽车也是电动汽车的一种，其电池能量是通过氢气、甲醇等化学反应产生电流而获得的。燃料电池车辆的能效比内燃机高2～3倍，而且全程无污染，因此，从能源利用和环境保护方面，燃料电池汽车是一种理想的车辆。清华大学牵头自主研发的燃料电池城市客车在北京2008年奥运期间以及在奥运之后在北京开展了为期1年的商业化载客运行，并成功完成了3万km的公交示范运行[7]。燃料电池汽车虽然存在成本及燃料供应的问题，但是由于其具有较好的新能源优越性，因此它仍将成为未来全球汽车行业的研究方向。

1.2新能源汽车的行驶特点

如表1所示，混合动力汽车、插电式混合动力电动汽车、纯电动汽车都需要依靠电动机驱动行驶。其中，混合动力汽车和插电式混合动力汽车需要两种动力来驱动，而纯电动汽车只需电池驱动。混合动力汽车采用内燃机和电动机两种动力，将内燃机与储能器件通过先进控制系统相结合，提供车辆行驶所需要的动力。两种动力系统可以使混合动力汽车续驶里程更长；电池单独驱动时，还可实现“零”排放。插电式混合动力汽车的运行模式大致可分为电量消耗模式、电量保持模式、常规充电模式（图1）。各模式之间可以根据功率需求和电池的荷电状态（StateofCharge，简称SOC）进行无缝切换。插电式混合动力汽车是由混合动力汽车进化而来的，但是传统混合动力汽车以内燃机为主，电动为辅，而插电式混合动力车是以电动为主，在电池电力耗至使用临界点，无法及时充电时才以内燃机为辅。混合动力汽车采用内燃机和电动机两种动力，将内燃机与储能器件通过先进控制系统相结合，提供车辆行驶所需要的动力。两种动力系统可以使混合动力汽车续驶里程更长；电池单独驱动时，还可实现“零”排放。插电式混合动力汽车的运行模式大致可分为电量消耗模式、电量保持模式、常规充电模式（图1）。各模式之间可以根据功率需求和电池的荷电状态（StateofCharge，简称SOC）进行无缝切换。插电式混合动力汽车是由混合动力汽车进化而来的，但是传统混合动力汽车以内燃机为主，电动为辅，而插电式混合动力车是以电动为主，在电池电力耗至使用临界点，无法及时充电时才以内燃机为辅。

2新能源汽车的经济效果分析

本文以比亚迪燃油车F3、双模电动车F3DM（插电式混合动力汽车）、纯电动汽车E6为分析对象，研究未来10年，新能源汽车与传统燃油车购买成本与运行成本比较；试图考虑未来10年期间油价变化、电价变化等因素，分析传统燃油汽车与新能源汽车的总成本变化趋势及经济效果。

2.1模型建立

前面已对各类型新能源汽车行驶原理做了简单介绍，燃油汽车和纯电动汽车只需依靠燃油驱动或电池驱动即可。而混合动力汽车和插电式混合动力汽车具有燃油驱动、电驱动、油电混合驱动等多种运行模式，计算其油电成本相对复杂。因此，本文为计算插电式混合动力汽车的行驶成本，提出了下列各成本计算模型。（1）PHEV的年耗电成本计算模型假设每天对PHEV充电1次（在PHEV的纯电动模式下比亚迪F3DM的1天最大行驶公里数为60～100km），基于年均行驶公里数、电池容量以及电价，纯电动模式下的年耗电成本可基于下式（1）计算：式中：Cyearelec为纯电动模式下的年耗电成本，元；Dyearelec为1年中纯电动模式下的等效行驶天数，d；Myearelec为整车年均行驶公里数，km；MdayBEV为纯电动模式下1天行驶公里数（取值应小于或等于PHEV在纯电动模式下可续航里程），km；Pelec为电价，元/kWh；EbatBEV为MdayBEV所对应的电池使用电量。（2）PHEV的年耗油成本计算模型基于上述假设以及年均行驶公里数、燃油价格，混合电动模式下的年耗油成本可基于式（2），（3）计算。即，根据PHEV的行驶原理，①当日平均行驶里程小于或等于纯电动模式下1天可行驶公里数时，PHEV的年耗油成本为0；②当日平均行驶里程大于纯电动模式下1天可行驶公里数时，PHEV将启动油电混合动力模式，以保证正常行驶路况需要。此时，基于下式（3）确定PHEV的年耗油成本。（3）PHEV的年耗油电成本计算模型结合上述，PHEV的年耗油成本计算模型和年耗电成本计算模型，本论文基于式（4）确定PHEV的年耗油电成

2.2电价与油价计算方法

计算未来10年（2012～2021年）燃油汽车与新能源汽车的燃料成本时，首先需对未来10年年平均燃油价格与电价进行预测。关于未来10年电价情况，本文依据中国电力企业联合会的《电力工业“十二五”规划研究报告》进行计算。报告中指出，当前平均电价约为0.6元/kWh，未来10年中国电价年均增长3%[8]。关于未来10年汽油价格，本文依据国际油价走势和我国近10年平均汽油价格数据进行计算。目前，我国成品油价格主要取决于国际原油价格的变化。而国际油价主要取决于对原油的需求变化、美元指数的涨跌、债务危机、地缘政治与天气等多种影响因素的变化。但是，无论影响因素怎样变化，油价总体将呈上升趋势。国际能源署（IEA）署长田中伸男曾在第2届全球智库峰会上表示，由于需求的增长速度可能会超过生产的速度，因而，今后10～20年国际油价将持续攀升。而且，国际能源署还警告说，由于对石油生产投资不足，国际油价可能很快（在2015年）升至创纪录的每桶150美元[9]。在这一背景下，本文以近10年我国平均汽油价格为基数，进行油价趋势的回归分析与预测（图2）。分析得出2021年汽油价格约为12.93元/L，而当前93#汽油价格约为7.65元/L。

2.3比亚迪ICEV，PHEV及BEV的参数配置

本文以国产汽车-比亚迪传统燃油汽车与新能源汽车为研究对象，其参数配置如表2所示。比亚迪F3（2009款1.6智能白金版自动挡）燃油汽车排量为1.6L，价格为8.08万元；比亚迪双模电动车F3DM低碳版系插电式混合动力汽车，排量仅为1.0L，16.98万元是厂商指导价（补贴前价格）；而比亚迪纯电动汽车E6的厂家指导价格为36.98万元（补贴前价格），由于电池容量为60kWh，汽车重量达2295kg。

3结果分析

本文分别计算了年均行驶里程为1.5万、3万、4万km时，传统燃料汽车与新能源汽车10年期的使用总成本（根据北京交通发展研究中心的数据，北京私人小汽车年均行驶里程约为1.5万km。公车年均行驶里程为3万～4万km）。同时，本文还对新能源汽车政府补贴前后的经济性进行了比较。根据补贴办法，纯电动车每辆最高补贴6万元；插电式混合动力汽车每辆最高补贴5万元；1.6L及以下节能车补贴3000元。深圳市政府还宣布，在国家为插电式混合动力车每辆最高补贴5万、纯电动车每辆最高补贴6万元的基础上，为两类车型分别最高追加3万元和6万元补贴，即最高可获8万元和12万元补贴。另外，国家还出台了对新能源汽车减免车船税等措施，未来也可能收取碳税，这都将增加新能源汽车的经济性，但本文在比较中只考虑实际补贴的部分。

3.1案例1

案例1中，首先，探讨并对比分析了比亚迪F3燃油汽车和比亚迪F3DM的成本计算结果。图3为年平均行驶里程1.5万km、且无政府补贴时的两种车型经济性比较结果图。如图3所示，不考虑政府补贴时，由于传统燃油汽车（InternalCombustionEngineVehicle，简称ICEV）的购买成本较低，一直保持着较高的经济性，而随着使用年限的增多，燃料成本逐渐增加，2020年时，ICEV的“购买+使用”的总成本与PHEV持平。也就是说，年均行驶1.5万km的消费者以当前市场价格购买ICEV和PHEV，2020年时方能体现出PHEV的相对经济优势。但是，如果考虑目前我国对新能源汽车购买补贴金额（即国家对PHEV补贴5万元/辆），4年之后（即2016年）PHEV的经济性便会显现出来。图4、图5显示了年均行驶里程分别为3万km和4万km时，ICEV与PHEV的经济性比较结果。如图4所示，年均行驶里程越多，PHEV越能体现其相对经济性。不考虑国家补贴的情况，年均行驶3，4万km的消费者，到2016年PHEV便可体现其经济性；而对于年均行驶1.5万km的消费者，到2020年才会体现相对经济性（图3）。如果考虑国家补贴，对于年均行驶3万km的消费者，购买PHEV不到两年便可体会带来的相对经济性；而对于年均行驶4万km的消费者，购买第1年便可体会其经济性（补贴5万后，F3DM价格为89800元，与ICEV的价格相近）。对于纯电动汽车，虽然行驶过程中无需耗油成本且电价相对低廉，但是，由于最初的购买成本较高，因此，相对经济性并不明显。在年均行驶1.5万km时，即使购买补贴达到12万元（按照深圳市对购买新能源汽车的补贴办法计算，PHEV补贴8万元、BEV补贴12万元），成本依然很高。而在年均行驶里程达到3万km，且购买补助达到12万元时，到2018年，BEV对ICEV的相对经济性才可体现出来。图6为年平均行驶里程达到4万km并考虑政府补贴时3种车型的经济性比较。如图6所示，2018年以前，传统燃油汽车与新能源汽车的经济性比较结果为PHEV＞ICEV＞BEV；而车辆使用年限超过7年后，BEV的经济性要优于ICEV。因此，通过数据与图表分析发现，对于年均行驶里程较多，并且可享受国家补贴的车辆消费者来说，PHEV是非常有吸引力的。而且，一些地方政府为促进新能源汽车推广，实施高额补贴政策。这些举措将增加电动汽车的市场需求。其中，PHEV将会越来越多地被私人家用汽车市场所接受，并逐渐替代传统燃油汽车。而电动汽车虽然具有节能减排的优点，但是，如果不降低电池及整车成本，被消费者接受还需要一个发展过程。

3.2案例2

在案例2中，集中探讨不同电池容量配比下的比亚迪E6纯电动汽车的经济性比较结果。如前面所述，比亚迪E6的车载电池容量约为60kWh，电池充满状态下可行驶300km。而对于一般家庭用私人轿车而言，每天行驶里程通常不足300km，且不超过60km的较多。因而，如果消费者可以根据自身需求，对车载动力电池容量进行选择，那么不仅可以提高纯电动车的经济性，还可以实现车辆轻量化。目前，锂离子电池价格约为4.5元/Wh[10]。表3为以4.5元/Wh的电池价格所计算的不同电池配比下的车辆成本。如表3所示，减少车载电池容量，可使购车成本下降。如果日平均行驶里程在100km以内，可以选购电池容量搭载较低的电动汽车。例如选择车载电池容量为20kWh的纯电动汽车，不仅可满足100km行驶需求，车辆价格也相对降低。因而，可大大提高纯电动汽车的经济性以及利用率。

4结论

通过对比亚迪ICEV，PHEV，BEV等3种代表性车型进行经济性比较和分析，结果表明，电动汽车运行成本远低于燃油汽车，但根据燃油价格变化以及政府补贴与否，电动汽车总成本可能会高于燃油汽车。

（1）新能源汽车的经济性在行驶里程多的情况下，更为显著，尤其是PHEV，即使在没有政府补贴的情况下，依然有较高的相对经济性。在年均行驶里程为1.5万km时，2020年时，ICEV与PHEV的总成本持平，PHEV运行10年的总成本略低于ICEV；而在年均行驶里程达到3万～4万km的情况下，2016年，PHEV对比ICEV的相对经济性便可体现，因而，对于消费者而言，有较大的吸引力。目前，在我国电动汽车市场呈现有效需求规模不足的情况下，有必要以汽车利用率高、行驶里程多的消费群为切入点进行推广、普及。

（2）政府补贴政策使新能源汽车的经济性更加突出。在国家及地方政府补贴的情况下，PHEV的购车价格几乎与ICEV相同，大大提高了PHEV的经济性，有利于增加对新能源汽车的市场需求。经济性分析结果表明，政府的支持和补贴非常重要，是新能源汽车大规模走向市场的重要因素。

（3）BEV的电池及整车成本较高，导致其经济性并不明显，因而，必须加快电池技术的发展，提高电池性能并降低整车成本。从目前情况来看，选择电池容量合适的电动汽车是增加经济性的方法之一。消费者可以根据自身需求，进行车载电池容量选择，那么，购买电动汽车所带来的经济性会更加显著。根据预测，纯电动汽车由于其电池性能和高成本的约束，2030年才可能实现产业化。因为到2030年电池性能将提高7倍，成本将降至目前的1/40[11]。比亚迪纯电动汽车E6的车载电池容量为60kWh，因而其整车价格也非常昂贵。北京市私人轿车年均行驶公里为1.5万km，由此可计算出其日平均行驶里程约为40km，因此，如果根据消费者的行驶里程需求，选配车载电池容量，可降低购车成本，提高使用纯电动汽车的经济性。综上所述，通过对ICEV，PHEV，BEV的经济性比较，可知PHEV等电动汽车的市场接受度将会不断提高，由此将带动我国新能源汽车的发展。随着石油匮乏所带来的油价飞涨与节能减排的压力进一步加大，将会加快电动汽车取代燃油汽车的步伐。其中，由于插电式混合动力汽车的相对经济性较高，普及范围也将迅速扩大。ICEV将逐渐被新能源汽车替代；HEV作为过渡产品，有助于开拓市场，提高消费者对新能源汽车的认知，但将逐渐被PHEV所替代；PHEV由于政府补贴，进一步增加了其经济性，因而，PHEV市场普及指日可待；而BEV由于目前电池成本较高，普及速度可能不及PHEV，但是随着电池技术的发展，BEV的普及将逐渐加快。