基于经济与排放效益的混合动力和纯电动公交车发展前景分析

王 宁，龚在研，马 钧

(同济大学汽车学院，上海 200092)

基于经济与排放效益的混合动力和纯电动公交车发展前景分析

王 宁，龚在研，马 钧

(同济大学汽车学院，上海 200092)

以混合动力和纯电动公交车为研究对象，基于购置成本和使用成本构建全生命周期成本模型，利用GREET模型分析“油井到车轮”二氧化碳排放量，并与传统柴油公交车对比，分析50万公里名义寿命周期内乐观和保守两种情景下新能源公交车的发展前景。结果表明:在乐观情景下，纯电动公交车拥有最优的生命周期成本和二氧化碳减排量，较柴油车分别低37%和35%;在保守情景下，混合动力公交车拥有与柴油公交车持平的生命周期成本及较低的二氧化碳排放量，较同时期柴油车低30%，纯电动公交车的生命周期成本则远高于柴油车。未来10年混合动力公交车具备良好的应用前景，纯电动公交车则需要电源结构优化和电池技术突破之后才能显示较强的竞争力。

新能源公交车;混合动力;纯电动;生命周期成本;二氧化碳排放

一、引言

2010年见证了中国汽车产销双双突破1800万辆的奇迹，却无法掩盖我国汽车产业所面临的能源与环境危机。根据中国石油经济技术研究院发布的《2010年国内外油气行业发展报告》，2010年，我国全年石油表观消费量达4.55亿吨，同比增长11.4%，石油对外依存度超过55%。另外，根据美国二氧化碳信息分析中心(CDIAC)2008年发布的报告［1］，中国2007年的二氧化碳排放量已达65.38亿吨，占全球排放总量的22.3%，超过美国位列全球第一。能源与环境已经成为制约我国汽车产业发展的重大威胁。

为了减轻能源消耗和温室气体排放而制定的政策和规划，必须考虑纯电动、混合动力等新能源汽车［2-3］。在各类新能源汽车中，Michael Fischer，J.Van Mierlo，Mathew Werber［4-6］等人都认为纯电动汽车和油电混合动力汽车是当前交通运输的最佳解决方案。而在不同用途的新能源汽车中，M.J.Kellaway［7］认为新能源公交车又是最具发展潜力的车型。目前，国内针对新能源公交车市场发展的研究主要集中在生命周期成本计算、能源消耗等方面。曹静、李理光［8］针对混合动力公交车和燃料电池公交车能源消耗的研究表明，新能源公交车的推广可在2020年使上海市公交车的耗油量减少20%以上。欧训民［9］针对混合动力公交车成本的研究表明，到2015年以后，混合动力公交车的生命周期成本将开始低于传统柴油公交车，此优势还将逐年增加。在国外，除成本及能耗研究之外，针对公交车温室气体排放的研究也受到重视。Mikhail Granovskii［10］，Reinhart Kühne［11］等人针对各类新能源汽车温室气体排放的研究表明，在美国，混合动力汽车最多可以减排35%以上，而纯电动汽车视电力来源的不同，可减排40%-90%。

通过以上文献发现，对于新能源公交车多考虑能耗成本及使用过程的CO2排放分析，对于全生命周期的购置、使用、维护等成本及发电过程的二氧化碳排放常常不被考虑。本文从全生命周期总成本及“油井到车轮”CO2排放角度系统分析混合动力及纯电动公交车的发展前景。

二、研究对象及情景

在各类汽车中，公交车具有车速较低、续驶里程较短、路线固定、政府补贴较高等特点，非常适合发展新能源技术。新能源公交车主要包括混合动力公交车(hybrid electric bus，缩写 HEB)、纯电动公交车(battery electric bus，缩写BEB)、燃料电池公交车(fuel cell bus，缩写FCB)和替代燃料公交车四种。其中，FCB由于综合成本过高，在未来10年间难以获得市场竞争力。替代燃料公交车与传统柴油公交车(conventional diesel bus，缩写CDB)工作原理相似，节能减排效果不明显。因此，本文主要以目前最具发展潜力的HEB和BEB为研究对象，并以CDB作为参照。对于混合动力车型，本文研究的是技术含量较高、节能减排效果最明显的并联式全混合动力公交车(parallel fullhybrid electric bus)。

对比分析中，HEB、BEB、CDB均为在国内各大城市应用广泛的12m长双轴公交车，其技术参数参考福田、申沃、宇通等企业的典型产品，如表1所示。

表1 国内典型HEB、BEB、CDB车型技术参数

本文在当前情景下(2010年底)成本与排放的基础上，设定了乐观与保守两种情景，用于预测2020年各类公交车的成本及排放情况。其中，乐观情景有利于新能源公交车发展而不利于传统公交车发展，保守情景则反之。在乐观情景中，新能源汽车及其关键零部件成本显著下降，性能显著提高，政府补贴依然存在，油价上涨较快，电价上涨较慢，柴油开采冶炼过程碳排放减少较多，国内清洁能源发电比例显著上升，从而HEB和BEB的生命周期成本和碳排放相对于CDB都将明显降低。保守情景则与之相反。具体情景界定见3.2。

三、生命周期成本分析

生命周期成本是影响新能源公交车能否真正走向市场的关键因素。若没有成本竞争力，仅凭政府补贴和公众热情都无法使新能源公交车实现全面产业化。

新能源公交车生命周期成本C共包括4个部分:购置成本CA、政府补贴CS、能耗成本CE和维修保养成本CM。四部分成本之和为生命周期总成本，即:

新能源公交车的购置成本CA可分为两大部分，记为CA1和CA2。CA1是HEB、BEB、CDB之间不相同的动力总成部分，主要包括动力电池、驱动电机、电控系统以及传统内燃机等;CA2数值上等于CA与CA1之差，是HEB、BEB、CDB除动力总成之外彼此相同的部分，主要包括底盘、车身、车桥、内饰、空调以及企业研发成本、管理成本、利润等。CA信息来自表1中参考车型的企业报价，CA1的计算参照了美国UC Davis Plug-in Hybrid＆Electric Vehicle Research Center所提供的成本信息，国内与欧美HEB与BEB的电池等核心零部件的价格基本相当［12］。

政府补贴CS方面，根据2009年2月份财政部和科技部联合发布的《节能与新能源汽车示范推广财政补助资金管理暂行办法》，在“十城千辆”项目涉及城市，被纳入《节能与新能源汽车示范推广应用工程推荐车型目录》中的10米以上新能源公交车将得到5万元至60万元不等的补贴。未来，随着新能源汽车成本的降低，政府补贴可能会减少甚至取消。

根据《机动车强制报废标准规定》，各类公交车的能耗成本CE以500，000km的行驶寿命进行计算。它包含CDB和 HEB的柴油消耗成本和BEB的电力消耗成本。当前的柴油价格以市场价为准，电能价格参照武汉市三角湖充电站电费价格，其中包含基础设施建设和运营成本，以及电池的充电损失成本。

维修保养成本CM在各类新能源公交车的总成本中占据很大比例。除了与CDB一样正常的维护保养外，HEB与BEB还需要定期更换动力电池。

(一)2010年成本分析

根据表1中参考车型，各类公交车的总购置成本CA的企业报价如见表2所示。CDB的购置成本最低，HEB比 CDB高出将近一倍，BEB则比CDB高出两倍以上。其中，HEB使用的锂离子动力电池单价约为7-10元/Wh，按照8元/Wh计算。BEB使用的锂离子动力电池单价约为5-8元/Wh，按照6 元/Wh计算［11］。

导致HEB、BEB的CA2明显高于CDB的原因是目前HEB、BEB的产量较低，使得单件制造成本上升，管理、研发成本分摊增加。只有HEB、BEB技术成熟并投入大规模生产之后，该部分成本才有望降低至CDB的水平。

在“十城千辆”项目所涉及的城市(截止到2011年8月共25座)，政府补贴会使新能源公交车较高的购置成本有所降低。根据《节能与新能源汽车示范推广财政补助资金管理暂行办法》的规定，最大电功率比在20%-50%，节油率在20%-30%的10米以上HEB可获得25万元政府补贴，10米以上BEB可以获得60万元政府补贴。减去政府补贴之后，HEB余下的购置成本比CDB高50%，BEB余下的购置成本比CDB高170%(见表2)。

能耗成本是新能源公交车的优势所在。按照目前的柴油及电能价格，可计算得出各类公交车的50万公里生命周期能耗成本。CDB的能耗成本高达122.5万元，远高于其购置成本。HEB 20%的节油率也换来了20%的能耗成本降低。BEB能耗成本最低，仅45万元，为HEB的一半(见表3)。可见，在能耗成本方面，新能源公交车都显著低于传统公交车。

表2 各类公交车购置成本及政府补贴对比单位:万元

表3 各类公交车能耗成本成本对比

表4 各类公交车维修保养成本对比

但是，新能源公交车的维修保养成本高于CDB。由于新能源公交车技术尚不够成熟，HEB和BEB的日常保养周期短于CDB，且单次保养成本高于CDB。另外，由于锂离子电池的寿命短、成本高，BEB全生命周期的电池更换成本超过300万元，对运营企业势必将成为一项沉重的经济负担。而HEB的动力电池由于容量小，且工作强度较低，所以生命周期的更换成本不高，约为10万元，多数运营企业都能够承担(见表4)。

综上所述，在当前环境下(2010年底)，HEB的购置成本和维修保养成本高于CDB，但其能耗成本相比CDB降低了20%，因此，HEB的生命周期总成本最终比CDB高出约65万元。若计算25万元的政府补贴，则只比CDB高40万元。对于财政资金充足、力推节能环保理念的大型城市而言，HEB已经具备一定的市场竞争力，可以得到较大规模的推广。BEB的能耗成本明显低于HEB和CDB，但是其高昂的购置成本和维修保养成本导致其总成本远远高于HEB和CDB。仅BEB的电池更换成本一项就达300多万元，比HEB和CDB的生命周期总成本还高。可见，在目前情况下，无论是否计算50万元的政府补贴，BEB都只能进行小规模示范运营。在动力电池取得技术突破之前，BEB难以获得具备市场竞争力(见图1)。

(二)2020年成本预测

由以上分析可知，在2010年，HEB与BEB尚不具备成本优势。那么，到10年后的2020年，以HEB和CDB为代表的新能源公交车能否具备成本优势，从而获得市场竞争力则是新能源汽车领域备受关注的问题。本文参考Jonas Hellgren的零部件成本调研预测结果［13］、德意志银行2010年的锂离子电池价格预测［14］以及作者对油价、电价的回归分析，选取乐观与保守两套假设前提，对各类公交车的成本进行分别预测。

图1 各类公交车生命周期成本对比 单位:万元

图2 2020年各类公交车生命周期成本预测(乐观预测情景) 单位:万元

图3 2020年各类公交车生命周期成本预测(保守预测情景) 单位:万元

2020年乐观情景:购置成本CA:动力电池成本降低60%;驱动电机及电控系统成本降低40%;发动机成本维持不变;CDB各项购置成本维持不变;HEB和CDB的CA2降低至与CDB相同的水平。政府补贴CS:HEB不再获得补贴，BEB补贴额减半。能耗成本CE:柴油价格年均上涨10%至16.5元/L;电价年均上涨2%至1.08元/kWh(包含基础设施建设及运营成本、电池充电损失);CDB油耗降低15%;HEB相比同时期CDB节油35%;BEB节电15%。维修保养成本CM:CDB日常保养周期及成本维持不变;HEB和BEB的日常保养周期及成本降低至CDB的水平;动力电池寿命提高1倍，即HEB和BEB生命周期分别需更换电池1次和2次。

2020年保守预测情景:购置成本CA:动力电池成本降低40%;驱动电机及电控系统成本降低20%;发动机成本维持不变;CDB各项购置成本维持不变;HEB和CDB的CA2降低20%。政府补贴CS:HEB和BEB不再获得补贴。能耗成本CE:柴油价格年均上涨5%至10.9元/L;电价年均上涨5%至1.40元/kWh(包含基础设施建设及运营成本、电池充电损失);CDB油耗降低15%;HEB相比同时期CDB节油30%;BEB节电10%。维修保养成本CM:CDB日常保养周期及成本维持不变;HEB和 BEB的日常保养周期不变，成本降低30%;动力电池寿命提高50%，即HEB和BEB生命周期分别需更换电池2次和3次。

在乐观预测情景下，到2020年，CDB的总成本跟随柴油价格的快速上涨而增长了60%，成为三种公交车中成本最高的一类。HEB虽然也受到柴油价格上涨的影响，但由于其节油率显著提高，能耗成本上涨的幅度相对较较低。同时，HEB的购置成本和维护保养成本大幅下降，接近于CDB的水平，最终导致HEB的总成本与2010年基本持平。BEB所使用的电能价格上涨较少，同时购置成本、维护保养成本，尤其是电池更换成本大幅下降，其总成本下降了近70%，明显低于 HEB及CDB，具备了强劲的市场竞争力(见图2)。

在保守预测情景下，到2020年，CDB所使用的柴油价格上涨幅度相对较小，致使其总成本上涨不足20%，依然具备一定的优势。HEB的节油率有所提高，其他各项成本也均有所下降，最终其总成本与2010年水平基本一致，同时也与2020年的CDB持平。BEB购置成本、维护保养成本下降幅度有限，再加之电价上涨，最终其总成本下降幅度不足30%，依然明显高于HEB与CDB，基本没有市场竞争力(见图3)。

(三)结果分析

由以上两种情景的预测可知，在未来10年间，CDB总成本增幅主要取决于油价的上涨速度。油价上下浮动10%，CDB总成本变化6%-8%。

HEB受到技术进步、成本降低的积极影响和油价上涨的消极影响，总成本变化幅度较小，很可能与2010年水平保持一致。其中，对HEB总成本影响最大的因素是油价和节油率，二者直接决定总的能耗成本。耗油量与油价的乘积上下浮动10%，HEB总成本变化5%-6%。

BEB的能耗成本本身较低，因此受到电价变化的影响不大。影响BEB未来总成本的主要因素是电池的成本及寿命。尤其是电池寿命的提高，若使生命周期电池更换次数减少一次，就可节省多达30-60万元的成本。然而，在未来十年间，电池成本及寿命的发展趋势是最不确定的。如果电池技术取得突破，寿命显著增长，成本显著降低，则BEB将得到极强的市场竞争力。如果电池的成本及寿命只是缓慢进步，BEB的总成本则将长期高高在上，没有市场竞争力。

从生命周期成本来看，我国政府在未来十年应大力推广HEB，加强动力电池及控制系统的研究，并给予生产企业和运营单位一定的经济补贴。由于大规模动力电池成本及寿命的发展速度难以预期，发展BEB具有一定的风险。政府目前应以支持动力电池的技术研发为重心，待技术取得突破后再将重心转移到推动BEB商业化方面来。

四、二氧化碳排放分析

节能与环保是推广新能源公交车的两大根本目的。节能问题在本文第三章能耗成本部分中已经涉及，而环保方面，尤其是二氧化碳减排的效益还需要进一步深入探究。

为研究BEB和HEB的实际减排效果，本文基于美国Argonne国家实验室提出的GREET模型，计算“油井到车轮(well to wheel，缩写 WTW)”整个过程的二氧化碳排放量，得出车辆直接及间接带来的所有二氧化碳排放量。WTW指的是从油、气、电等能源开采，到炼油、发电，再到油、气、电输送、加注，最后到车辆运营整个过程中的二氧化碳排放量。其中，车辆运营时的排放属于“油泵到车轮(pump to wheel，缩写 PTW)”排放，其他阶段的排放则属于“油井到油泵(well to pump，缩写WTP)”排放。WTW排放量为WTP和PTW排放量之和。

(一)2010年二氧化碳排放分析

当前情况下，各类公交车WTW二氧化碳排放量如表5所示。在表中，柴油的WTP CO2排放率代表从采油到炼油，再到油品运输全过程中，每升柴油所带来的所有二氧化碳排放量之和。电能的WTP CO2排放率代表从能源开采到发电，再到输电过程中每千瓦时电能所带来的所有二氧化碳排放量之和。由于发电的能量来源千差万别，电能的WTP CO2排放率变动范围很大。在中国，火力发电的比例达81%，远高于欧洲30%的平均水平［15］，所以电能的WTPCO2排放率也相对较高。此处的排放率只考虑以煤炭为能源的火力发电，其他种类发电(水力发电、风能发电、核能发电等)的二氧化碳排放量由于数值较小，未予考虑。

表5 各类公交车WTW二氧化碳排放量对比

根据分析可知，HEB的减排率(相对于同时期CDB，下同)完全等于其节油率，在目前水平下约为20%。BEB虽然在运营过程中为零排放，即PTW排放量为0，但是我国发电的WTP排放量很高，极大地影响了WTW总排放量，使其减排率为25.4%，虽好于HEB和CDB，但远未达到所谓的“零排放”。而按照欧洲的能源结构计算，纯电动公交车的WTW减排能力则可以达到72.8%。

(二)2020年二氧化碳排放预测

在预测2020年各类公交车二氧化碳排放情况时，本文依然沿用了3.2部分的乐观与保守两套假设前提。2020年乐观预测情景在3.2部分乐观预测情景的基础上增加:柴油WTP CO2排放率降低3%;中国火力发电占比降至70%。2020年保守预测情景在3.2部分保守预测情景的基础上增加:柴油WTP CO2排放率降低8%;中国火力发电占比降至80%。其中，根据张斌［16］的预测，我国火力发电所占比例将在10年后下降至74.2%，因此将乐观和保守情景中的比例取作70%和80%。

在乐观预测情景下，到2020年，HEB节油率显著提高，BEB耗电量显著降低，我国火力发电占比降幅较大，则HEB和BEB的减排率都将明显降低，均为约35.0%(见表6)。

在保守预测情景下，到2020年，HEB节油率有所下降，BEB耗电量和火力发电占比的降幅较少，则HEB与BEB的减排率分别为30%和20%。在这种情景下，BEB的减排能力不仅没有增加，反而有所降低(见表7)。

我国各地区的能源结构存在一定差异。西南地区水力资源丰富，占全国总量的61.4%。技术上可以开发利用的水电资源总量达到3.3亿kW［17］。2009 年，西南地区总耗电量 3517 亿kWh［18］，若在未来10年中西南地区水电装机容量达到1亿kW，且该部分发电量50%以上用于西南地区使用，配合抽水储能电站，则基本可以满足该地区的绝大部分电力需求。因此，我国西南地区有条件率先实现清洁能源发电的普及，这将为BEB的减排带来巨大贡献。

表6 2020年各类公交车WTW二氧化碳排放量预测(乐观预测情景)

表7 2020年各类公交车WTW二氧化碳排放量预测(保守预测情景)

表8 火力发电比例与BEB减排能力的关系对照

我国各地区火力发电比例与BEB减排能力的关系如表8所示，其中BEB和CDB的能耗及柴油的WTP排放量参照保守预测情境中的数据。可见，火力发电所占的比例每降低10%，BEB相对于CDB的减排率就可以提高约10%。

此外，天然气发电与煤电相比可减少CO2排放约31%［19］，但根据国家能源局《关于对〈发展天然气分布式能源的指导意见〉征求意见的函》中的规划，我国2020年天然气发电装机容量预计达到5000万kW，相当于我国总装机容量的3%-4%，因此对于BEB的减排没有显著的影响。

(三)结果分析

从全国来看，在未来10年间，随着油耗的降低，CDB二氧化碳排放量也会降低15%左右。HEB的减排率完全取决于其节油率。随着节油率的提高，HEB的减排率必然会明显提升。BEB的减排率取决于我国发电结构的转变及车辆本身的节电量。由于对这两项因素的预测存在较大的不确定性，所以BEB未来的减排率也不易确定，但无论情景怎样，HEB与BEB彼此的WTW排放都没有十分显著的差异，所以排放对企业和政府的决策所带来的影响有限。但对于西南部等少数地区，清洁能源发电的发展将使BEB的排放量显著降低，在经济条件允许的情况下适合有限推广。

五、结论

从生命周期成本和二氧化碳排放两个方面来看，目前，HEB相对于CDB成本劣势不明显，减排率相对较高，已经适于进行较大规模的推广。而BEB的减排率虽然优于HEB，但它的总成本居高不下，二氧化碳排放量的绝对值也较高，远非理想中的“零排放”，目前尚不具备进行商业化推广的能力。

到2020年，相对于CDB，HEB的成本和排放都必将得到更多的优势，成为城市公交车的首选。而BEB由于很多技术问题的不确定，前景不够明朗。若电池的成本和寿命能够获得大幅进步，BEB将成为总成本最低的公交车。若BEB相关技术发展得不够迅速，其成本相对于HEB则不会具备优势。此外，BEB的二氧化碳减排能力受到我国发电结构的影响，难以取得较大突破。但对于西南部等少数地区，清洁能源发电的发展将使BEB的排放量显著降低。

未来10年间，政府在公交车领域应大力推广HEB，一方面积极推动HEB产业化发展，一方面要扩大“十城千辆”项目示范区域，并确保新能源补贴落实。而对于BEB，则要以电池等关键零部件为重点突破方向。在BEB成本及排放逐渐改善的过程中，各地方政府可以根据本地区的财政实力以及电源结构的优化进程适时开始大规模推广。

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Prospect Analysis for Hybrid Electric and Battery Electric City Buses Based on Lifecycle Cost and Emission

WANG Ning，GONG Zai-yan，MA Jun

(School of Automotive Studies，Tongji University，Shanghai200092，China)

The authors took hybrid electric bus and battery electric bus as research subjects，built lifecycle cost model based on acquisition cost and using cost，calculated Well-to-Wheel carbon dioxide emission based on GREET model，analyzed foreground of new energy buses in aggressive scenario and conservative scenario compared with conventional diesel bus with 5 ×105km nominal lifecycle.According to the result，in the aggressive scenario，battery electric bus will obtain signally lifecycle cost and emission advantage，37%and 35%lower than diesel bus.While in the conservative scenario，hybrid electric bus will obtain reasonable emission advantage，30%lower than diesel bus and lifecycle cost is as much as diesel bus，but battery electric bus will have markedly lifecycle cost disadvantage.In the future 10 years，hybrid electric bus will have a better prospect，while battery electric bus requires power structure optimization and battery technology breakthroughs to display its competitiveness.

new energy bus;hybrid vehicle;electric vehicle;lifecycle cost;carbon dioxide emission

U461.8

A

1002-9753(2011)12-0057-09

2011-03-22

2011-09-08

上海市科技发展基金软科学研究项目(11692103800);上汽教育基金(2010ZCYJ03-A)。

王宁(1977-)，男，山东莱阳人，讲师、博士，研究方向:新能源汽车产业化。

(本文责编:润 泽)