劉釗　蔣進(jìn)科

摘 要：為了研究當(dāng)前技術(shù)條件下不同容量蓄電池的增程式電動(dòng)客車綜合成本，引入了生命周期成本分析評(píng)價(jià)體系，對(duì)增程式電動(dòng)客車的各種成本進(jìn)行了詳細(xì)的探索。從用戶角度出發(fā)，以現(xiàn)有各種能源價(jià)格為基礎(chǔ)進(jìn)行成本估算，并使用了與車輛實(shí)際行駛狀態(tài)最接近的中國(guó)典型城市工況作為基礎(chǔ)，通過(guò)對(duì)4種類型增程式電動(dòng)客車的生命周期成本差異進(jìn)行比較，選出當(dāng)前條件下綜合成本最低的增程式電動(dòng)客車車型。結(jié)果顯示，在4種電池容量的車型中，容量最小的車型生命周期成本最低。同時(shí)加入了敏感性分析，分別從燃料價(jià)格變動(dòng)、蓄電池價(jià)格變動(dòng)以及蓄電池壽命變化角度，分析各類增程式電動(dòng)客車的優(yōu)勢(shì)，隨著燃料價(jià)格上漲與電池價(jià)格下降，電池容量小的車型價(jià)格優(yōu)勢(shì)越來(lái)越小。關(guān)鍵詞：增程式客車;動(dòng)力電池容量;生命周期成本中圖分類號(hào)：U469.7 ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ?文章編號(hào)：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，我國(guó)新能源汽車的發(fā)展日新月異，同時(shí)城市公交客車的清潔化、電動(dòng)化也取得了令人矚目的成就[1，2]。但就目前純電動(dòng)公交客車的使用情況來(lái)看，依然存在車輛購(gòu)置成本高、行駛里程短、電池容量不穩(wěn)定、電池壽命短等問(wèn)題[3，4]。盡管目前純電動(dòng)公交客車享受著國(guó)家和地方的雙重補(bǔ)貼，但補(bǔ)貼僅僅是在過(guò)渡時(shí)期的應(yīng)急措施，并不能成為一項(xiàng)長(zhǎng)久的政策，在動(dòng)力電池未取得突破性進(jìn)展的時(shí)期，有必要結(jié)合目前新能源客車的發(fā)展技術(shù)條件與成本狀況，進(jìn)行新能源客車車型的選擇。

在2018年發(fā)改委下發(fā)的《汽車產(chǎn)業(yè)投資管理規(guī)定（征求意見(jiàn)稿）》中，已將增程式電動(dòng)汽車列為純電動(dòng)汽車投資項(xiàng)目，將增程式電動(dòng)汽車從混合動(dòng)力汽車類型中分離，為增程式電動(dòng)汽車的發(fā)展帶來(lái)新的契機(jī)。增程式電動(dòng)汽車動(dòng)力結(jié)構(gòu)是一種最接近純電動(dòng)汽車的結(jié)構(gòu)類型，發(fā)展增程式電動(dòng)汽車同樣對(duì)純電動(dòng)汽車有較強(qiáng)的促進(jìn)作用。

1 生命周期成本

生命周期成本是以生命周期為視角的成本評(píng)價(jià)方式，包括獲取、運(yùn)營(yíng)、維護(hù)修理和處置一個(gè)項(xiàng)目或系統(tǒng)在一段時(shí)間內(nèi)的總成本。汽車的生命周期成本主要包括研發(fā)成本、制造成本、使用成本、回收成本和社會(huì)成本[5，6]。其模型如下：

這些內(nèi)容可分為3部分，其中研發(fā)成本和制造成本屬于企業(yè)成本，使用成本和回收成本屬于用戶成本，廢棄物、污染屬于社會(huì)成本。

根據(jù)我國(guó)《機(jī)動(dòng)車強(qiáng)制報(bào)廢標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定》，公交客運(yùn)汽車使用年限為13年，行駛里程為40萬(wàn)km。城市客車日行駛里程在200-250km之間，年行駛里程在6萬(wàn)-7.5萬(wàn)km之間，則一輛公交車的使用年限預(yù)計(jì)為6-7年。因此，本文以7年或40萬(wàn)公里作為城市客車運(yùn)營(yíng)壽命的依據(jù)，計(jì)算并分析增程式電動(dòng)城市客車的使用成本。

本文在比亞迪K8純電動(dòng)客車的基礎(chǔ)上，采用加入増程器，以及換裝三元鋰電池的方式，進(jìn)行增程化改裝?？蓛H列出這些車型的差異之處，即生命周期成本差異。其模型如下：

2 生命周期成本差異計(jì)算

本文采用蓄電池容量分別為58kwh、87kwh、116kwh、145kwh的增程式電動(dòng)客車進(jìn)行對(duì)比，由于4種車型只有蓄電池容量的差別，因此本文僅從與蓄電池容量有關(guān)的制造、使用、回收3方面進(jìn)行探討，而認(rèn)為研發(fā)階段各種車型沒(méi)有區(qū)別。

根據(jù)“真鋰研究”網(wǎng)站的調(diào)研顯示，2015年中國(guó)新能源汽車市場(chǎng)的動(dòng)力鋰離子電池單元成本都已在1200元/kWh左右的水平，而鎳鈷錳酸鋰電池中含有貴金屬，取其成本為1300元/kWh，電池成組需要增加均衡電路和冷卻系統(tǒng)，大概需要增加1/3的成本，故鎳鈷錳酸鋰電池組成本為1733元/kWh。

4種類型的增程式電動(dòng)客車制造成本差異如表1所示。

使用成本包括能耗成本和維修保養(yǎng)成本，能耗成本以車輛正常工作所消耗的能量進(jìn)行計(jì)算，根據(jù)比亞迪K8的數(shù)據(jù)及測(cè)試要求，該型城市客車半載（15150kg）在40km/h等速法測(cè)得續(xù)駛里程為475km，由計(jì)算得出40km/h等速條件下車輛行駛所需功率為14kW，車輛行駛電耗為35kWh/100km，該車動(dòng)力電池容量為279kWh，一般情況下動(dòng)力電池可用容量為總?cè)萘康?0%，防止由于電池過(guò)度放電造成的壽命減少，故可用容量為223.2kWh，計(jì)算得出整車電耗為47 kWh/?100km，則該車電池充放電損耗、電機(jī)損耗、傳動(dòng)損耗、附件損耗等其他損耗共12kWh/100km，換算得到其他損耗功率為4.8kW。

如果根據(jù)中國(guó)典型城市公交循環(huán)工況的計(jì)算，車輛滿載行駛所需平均功率為16.5kW，此時(shí)由于電池充放電和電機(jī)平均效率下降，估計(jì)其他損耗增加為10kW，加上其他損耗共26.5kW，K8純電動(dòng)客車的百公里電耗為161.7kWh/100km，則該車?yán)m(xù)駛里程140km，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于等速法測(cè)量的475km。

4種類型增程式電動(dòng)客車由于動(dòng)力電池容量不同而導(dǎo)致車重不同，使得車輛車輛行駛所需平均功率略有差異，進(jìn)而影響其百公里電耗。由于車輛不可能時(shí)刻都處于滿載，因此還需要計(jì)算半載時(shí)的能源消耗，計(jì)算過(guò)程省略，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)下表。同時(shí)車輛在極端天氣情況下為了保障車廂的舒適程度還需要開(kāi)啟空調(diào)，因此也要考慮車輛開(kāi)空調(diào)的情況，電動(dòng)汽車的空調(diào)制冷和制熱都需要消耗能量，假設(shè)空調(diào)制冷和制熱消耗功率同樣為10kW，則各車型百公里電耗與純電續(xù)駛里程如表2。

城市客車滿載約80人，半載40人，一般情況下僅有上下班高峰期車輛會(huì)達(dá)到滿載，其余時(shí)間按半載計(jì)算，則滿載與半載比例約為1：4。傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車的暖風(fēng)系統(tǒng)可使用發(fā)動(dòng)機(jī)熱量供熱，無(wú)需消耗額外能量，而純電動(dòng)汽車需要消耗電能加熱電熱絲進(jìn)行供熱，假設(shè)暖風(fēng)系統(tǒng)和制冷系統(tǒng)所需功率相同，因此加上冬季暖風(fēng)，純電動(dòng)客車開(kāi)空調(diào)和不開(kāi)空調(diào)比例為1：1，增程式電動(dòng)客車在純電動(dòng)階段需要用電熱絲，在增程階段可以用發(fā)動(dòng)機(jī)的熱量。增程式電動(dòng)客車Ⅰ開(kāi)空調(diào)和不開(kāi)空調(diào)比例約為1：3，增程式電動(dòng)客車Ⅱ開(kāi)空調(diào)和不開(kāi)空調(diào)比例約為3：7，增程式電動(dòng)客車Ⅲ開(kāi)空調(diào)和不開(kāi)空調(diào)比例約為3：7，增程式電動(dòng)客車Ⅳ開(kāi)空調(diào)和不開(kāi)空調(diào)比例約為1：2。

根據(jù)上述滿載與半載、開(kāi)空調(diào)與不開(kāi)空調(diào)的比例引入加權(quán)值進(jìn)行正交計(jì)算，得出增程式電動(dòng)客車Ⅰ百公里電耗為156.6kWh/100km，增程式電動(dòng)客車Ⅱ百公里電耗為162.7kWh?/100km，增程式電動(dòng)客車Ⅲ百公里電耗為164.6kWh/100km，增程式電動(dòng)客車Ⅳ百公里電耗為170.0kWh/100km。

增程式電動(dòng)客車Ⅰ單日用電360kWh，其中蓄増程器發(fā)電313.8kWh，消耗天然氣46.7kg，消耗電能46.4kWh。增程式電動(dòng)客車Ⅱ用電374.2kWh，蓄増程器發(fā)電305kWh，消耗天然氣45.4kg，消耗電能69.2kWh。增程式電動(dòng)客車Ⅲ用電378.6kWh，蓄増程器發(fā)電285.8kWh，消耗天然氣42.5kg，消耗電能92.8kWh。增程式電動(dòng)客車Ⅳ用電391kWh，増程器發(fā)電275kWh，消耗天然氣40.9kg，消耗電能116kWh。

目前陜西一般工商業(yè)電價(jià)采用峰谷分時(shí)銷售，售價(jià)為高峰時(shí)段1.1元/kWh，平段0.75元/kWh，低谷時(shí)段0.4元/kWh。電動(dòng)客車車使用夜間低谷時(shí)段充電，成本為0.4元/kWh，車用壓縮天然氣（CNG）銷售價(jià)格約為2.5元/m3，換算為3.6元/kg，則各種類型車輛生命周期能耗成本如表3所示。

維修保養(yǎng)成本是指保持車輛正常運(yùn)行所要進(jìn)行的更換零部件、發(fā)動(dòng)機(jī)油、輪胎等成本。城市客車行駛40萬(wàn)公里需1739天，增程式電動(dòng)客車如果每天充一次電，在生命周期內(nèi)蓄電池循環(huán)小于2000次，無(wú)需更換;但如果在行駛一個(gè)周期之后進(jìn)行補(bǔ)電，則需要更換蓄電池。但蓄電池容量小的車型在增程階段相對(duì)充放電電流較大，會(huì)對(duì)壽命產(chǎn)生影響，因此本文認(rèn)為增程式Ⅰ型車輛在生命周期內(nèi)需更換3次蓄電池，而其它車型需更換2次蓄電池。經(jīng)過(guò)計(jì)算，各種類型的增程式電動(dòng)客車生命周期內(nèi)維修保養(yǎng)成本如表4所示。

在報(bào)廢回收階段，各類型增程式電動(dòng)客車蓄電池的回收?qǐng)?bào)廢處理外其他報(bào)廢處理成本基本相同，因此只需計(jì)算蓄電池的回收?qǐng)?bào)廢成本。

其中蓄電池的各類金屬含量比例如表5所示[7，8]。

目前蓄電池中主要金屬的價(jià)格如表6所示。

增程式電動(dòng)客車采用鎳鈷錳酸鋰三元鋰離子蓄電池，同樣按增程式Ⅰ型車輛在生命周期內(nèi)更換3次蓄電池，其它車型更換2次蓄電池進(jìn)行計(jì)算，則報(bào)廢回收成本差異如表7所示。

社會(huì)成本主要指車輛對(duì)環(huán)境的污染，本文以用戶為主體，只考慮車輛在使用階段對(duì)于環(huán)境的影響，而不考慮車輛在生產(chǎn)、運(yùn)輸、報(bào)廢階段對(duì)環(huán)境的影響，同時(shí)也不考慮燃料的生產(chǎn)與運(yùn)輸對(duì)環(huán)境的影響。

各車型CO2排放量及污染物處理成本如表8所示，成本碳交易市場(chǎng)最低限價(jià)8歐元/噸，約80元/噸進(jìn)行計(jì)算。

各類型增程式電動(dòng)客車生命周期成本差異如表9所示。

由此可見(jiàn)，增程式Ⅰ型電動(dòng)客車生命周期成本最低。

3 敏感性分析

單因素敏感性分析是在分析某一因素對(duì)經(jīng)濟(jì)效果的影響時(shí)，假定其他因素不變，考慮某一因素變動(dòng)對(duì)其結(jié)果的影響。本文從燃料價(jià)格變動(dòng)、蓄電池成本變化、蓄電池壽命變化等方面分析其對(duì)增程式電動(dòng)客車的影響。

3.1 燃料價(jià)格變動(dòng)分析

由于世界范圍內(nèi)的燃料緊缺，燃料價(jià)格上漲是必然趨勢(shì)，而燃料的價(jià)格變動(dòng)直接影響到增程式電動(dòng)客車的使用成本，對(duì)于蓄電池容量較小的車型尤其明顯。本文選取天然氣售價(jià)上漲30%、50%、70%和90%，計(jì)算對(duì)于各類型增程式電動(dòng)客車的影響，計(jì)算結(jié)果如表10所示。

由表中數(shù)據(jù)可知，天然氣價(jià)格上漲會(huì)降低增程式電動(dòng)客車的成本優(yōu)勢(shì)，且蓄電池容量小的車型變化更為明顯。

3.2 蓄電池價(jià)格變動(dòng)分析

蓄電池成本會(huì)隨著社會(huì)化生產(chǎn)逐年降低，其變化趨勢(shì)如表11所示。

由表中數(shù)據(jù)可知，蓄電池價(jià)格下降同樣會(huì)降低增程式電動(dòng)客車的成本優(yōu)勢(shì)，且蓄電池容量小的車型變化更為明顯。

3.3 蓄電池壽命變動(dòng)分析

隨著蓄電池材料科學(xué)的發(fā)展，蓄電池的循環(huán)壽命會(huì)逐漸提高，當(dāng)蓄電池循環(huán)壽命提高40%時(shí)，純電動(dòng)客車即可無(wú)需“補(bǔ)電”而完成單日運(yùn)輸任務(wù)，此時(shí)增程式電動(dòng)客車的優(yōu)勢(shì)會(huì)迅速降低，結(jié)果如表12所示。

由表中數(shù)據(jù)可知，蓄電池循環(huán)壽命提升同樣會(huì)降低增程式電動(dòng)客車的成本優(yōu)勢(shì)。

就現(xiàn)階段而言，在保證車輛正常行駛的動(dòng)力性要求前提下，最大程度的減少蓄電池容量，是成本最優(yōu)化的結(jié)果。隨著化石能源成本的增加以及蓄電池技術(shù)的發(fā)展，生命周期成本最優(yōu)結(jié)果將向蓄電池容量增大的增程式電動(dòng)客車的方向，

甚至是純電動(dòng)汽車過(guò)度。

4 結(jié)論

為了進(jìn)一步了解不同容量蓄電池的增程式電動(dòng)客車的各種成本差異，本文基于生命周期成本差異分析了4種增程式電動(dòng)客車制造成本、使用成本、回收成本、社會(huì)成本。結(jié)果顯示蓄電池容量最小的增程式電動(dòng)客車成本總和最低。

通過(guò)對(duì)燃料價(jià)格變動(dòng)、蓄電池價(jià)格變動(dòng)、蓄電池壽命變動(dòng)等因素進(jìn)行敏感性分析，當(dāng)燃料價(jià)格上漲、蓄電池價(jià)格降低以及蓄電池壽命增長(zhǎng)時(shí)，各種類型電動(dòng)客車的成本逐漸接近，大容量電池的車型成本逐漸降低。同時(shí)也意味著純電動(dòng)客車的成本降低的同時(shí)，混合動(dòng)力車型平滑過(guò)渡到純電動(dòng)車型的時(shí)機(jī)能夠確定。

由本文計(jì)算可知，單日運(yùn)營(yíng)等效天然氣消耗量低并不代表該車具有較好的經(jīng)濟(jì)性，從用戶角度來(lái)看，支出總成本低才是經(jīng)濟(jì)性的主要指標(biāo)。以現(xiàn)階段的技術(shù)水平和能源價(jià)格，大力發(fā)展純電動(dòng)汽車并不完全符合汽車發(fā)展的客觀規(guī)律，應(yīng)循序漸進(jìn)按照混合動(dòng)力汽車、增程式電動(dòng)汽車再到純電動(dòng)汽車的發(fā)展路線進(jìn)行逐步升級(jí)。

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