应急救援用移动式充电车经济性分析

兰贞波，刘飞，刘波，冯万兴，张杰，周盛

(国网电力科学研究院武汉南瑞有限责任公司，湖北 武汉 430074)



应急救援用移动式充电车经济性分析

兰贞波，刘飞，刘波，冯万兴，张杰，周盛

(国网电力科学研究院武汉南瑞有限责任公司，湖北 武汉 430074)

根据未来电动汽车救援需求，介绍3种不同类型电动汽车救援车——传统能源救援车、储能电池系统救援车以及结合传统能源和储能电池系统于一体的救援车，说明3种救援车的主要区别在于救援车自身动力类型和救援时的充电救援方式。依据汽车的生产、运维和报废过程产生的费用对救援车进行全寿命周期成本分析对比，得出3种救援车全寿命周期成本费用，结果表明，传统能源和储能电池系统于一体的救援车全寿命周期成本费用最低，相比其他两类车型经济性最好，可广泛推广使用。

应急救援；电动汽车；救援车；全寿命周期成本；经济性

在全球面临着能源和环境双重危机的大背景下，电动汽车在降低传统化石能源依赖和减少尾气排放等方面具有突出优势，大力发展电动汽车已成为目前世界各主要国家的共识。随着电动汽车运营数量的不断增加，道路上行驶的电动汽车出现故障的概率也会大大提高，电动汽车故障救援工作的重要性日渐突出，如何解决电动汽车实际行驶过程中的故障问题成为当务之急。

为了保障电动汽车的安全可靠使用，国内外相关机构和行业组织都非常重视电动汽车的应急救援，在电动汽车故障检测与信息管理、应急救援充电设备等方面进行了初步研究，并取得了一定的成果。但是，针对应急救援用移动式充电车的全寿命周期成本分析的研究很少，本文对3种功能一致、类型不同的应急救援车进行全寿命成本分析，包括传统能源救援车、纯电动应急救援车以及结合传统能源和储能电池系统于一体的救援车，为应急救援充电车的研发提供理论依据，更为我国电动汽车的广泛运行提供强力技术保障。

1 应急救援充电车全寿命周期成本分析方法

分析救援充电车的全寿命周期成本需要考虑其全寿命周期所产生的所有费用，目前相关研究工作不少[1-4]，文献[5]以全寿命周期理论为基础，对电动汽车在全寿命周期过程内对环境造成的影响进行了全面分析，并将电动汽车与燃油汽车对环境造成的影响进行比较；文献[6]建立了混合动力汽车的外部环境成本模型和直接经济成本模型，从车型和时间两个维度，提出了基于分步叠加思想的计算方法；文献[7]从消费者角度对电动汽车全寿命周期内的成本进行了全面分析, 建立了电动汽车的全寿命周期成本模型, 将电动汽车与燃油汽车成本进行了比较分析；文献[8]对电动、传统、混合动力3种类型汽车的能耗和使用成本问题从数学的角度进行了建模、求解及分析；文献[9]对5条煤电技术供电驱动电动汽车路线进行了全生命周期能耗和温室气体排放定量计算，并与综合电网供电路线和传统汽油车路线进行了对比分析。上述研究对象均针对电动汽车，没有对电动汽车救援车的全寿命周期进行成本分析研究。

汽车全寿命周期成本的分析应该考虑流程中所有产生的费用。全寿命周期成本计算应依据国际电工委员会制定IEC 60300-3-3标准的规定，明确指出设备的寿命周期阶段可以分为概念和定义阶段、设计与研制阶段、制造阶段、安装阶段、运营和维护阶段和退役处置阶段，因此，全寿命周期成本是以上各阶段所发生的所有成本之和。从设备使用者角度来看，全寿命成本包括设备购置、施工安装、调试、运行维护、检修、改造直至报废的全过程发生的总费用，可用式(1)的模型[10]，即

(1)

式中：CLCC为全寿命周期成本；CP为设备的初始投资成本；CC为设备的运行成本；CM为设备的检修维护成本；CF为设备的故障成本；CRe为退役处置成本。

依据汽车的全寿命周期流程，本文对3种类型救援车进行了全寿命周期成本分析，为了简化部分计算，在分析过程中统一将汽车的生产、装配与配送部分的费用折算至救援车的CP中，考虑了救援车的CC，同时将救援车的CF(比如汽车在日常维护期间需要定期更换轮胎及电池等零部件)与CM统一考虑，CRe为退役处置成本，也是本文的报废成本。考虑到资金的时间价值，需将救援车生命周期内所产生的费用折算至购置初期的现值，本文需要折算的费用包括救援车的运维费用和报废费用(初始投资成本则不用考虑)，其计算方法为

(2)

式中：C为折算至购置初期的成本；T为救援车的寿命年限；Ci为救援车历年的花费成本；r为通货膨胀率；R为社会贴现率。

2 全寿命周期成本分析

本文对3种不同类型应急救援车进行全寿命成本分析，包括传统能源救援车、纯电动应急救援车以及结合传统能源和储能电池系统于一体的救援车，分别记作车型1、车型2和车型3。3类救援车的功能一致，均具备应急充电功能和拖车救援功能，通过配置不同的设备来实现相应的功能。车型1是以传统燃油作为动力，车载柴油发电机为救援充电电源的组合方式；车型2是以电池组为救援车动力，救援用充电电源同样也是电池组的组合方式；车型3选用传统燃油动力汽车，并加装轴取力发电机、储能电池用于救援充电。3种不同类型救援车全寿命周期成本分析过程中重点要分析的对象包括车辆底盘、车载电池、发电机和一体化充电机。对3类救援车的全寿命周期成本分析的优、缺点进行分析和总结，所得结果见表1。

表1 不同类型救援车性能对比

车型优点缺点1救援车续航能力强(柴油能量密度高);救援车自身故障率相对较低;提高了救援能力和效率行驶单位里程所需费用较多2行驶单位里程所需费用较少限制了汽车的续航里程;救援车救援效率低3救援车续航能力强(柴油能量密度高);救援车自身故障率相对较低;汽车结构设计相对简单救援车行驶单位里程所需费用较多;救援效率低

2.1 不同类型救援车配件

为了体现一致性，本文假设3种类型救援车的车载充电机型号和规格都一致(3种车都必须用到充电机)。

2.1.1 车型1的组件

a) 底盘。考虑到救援车内部空间及实际城市交通路况，传统燃油救援车底盘选用QL 11009 KARY载货汽车底盘，该底盘依据GB 17691—2005(国Ⅳ)、GB 3847—2005生产制造，底盘轴距3 815 mm，6轮，2轴。发动机选用型号为4HK1-TCG40，发动机排量5.193 L，发动机功率139 kW。总质量10 000 kg，整备质量2 970 kg，最高车速可达110 km。

b) 车载发电机。传统燃油救援车为给待救援车提供电源，须配备车载发电机，假设车载发电机采用150 kW静音柴油发电机。

2.1.2 车型2的组件

a) 底盘。选用与传统燃油救援车大小一致的底盘，底盘轴距3 800 mm，6轮，2轴。

b) 电池。纯电动救援车的电池分为电动车自身动力电池和救援用充电电池两部分。假设纯电动救援车自身动力电池的电量为150 kWh，对应的续航里程约为180 km，基本满足城市救援车续航里程。假设救援车上自带充电电池电量100 kWh，额定电压325 V，容量400 Ah。

2.1.3 车型3的组件

a) 底盘。结合传统能源和储能电池系统于一体的救援车选用与传统燃油救援车一致的底盘。

b) 电池。该类型救援车无需考虑车载动力电池，只需设计对应救援充电用电池。同样假设救援车上自带充电电池电量100 kWh，额定电压325 V，容量400 Ah。

c) 轴取力发电机。为了提高能力利用率，采用轴取力发电机，额定功率50 kW，转速1 050～1 650 r/min，输出功率35～55 Hz，电压400 V。

2.2 初始投资成本

汽车生产、装配和配送的主要能源消耗发生在涂装、空气调节系统、照明、供暖、物料搬运、焊接以及车间压缩空气等工艺或设备中。考查以往有关汽车生命周期评价文献，评估装配阶段，一般假设装配过程能源消耗与质量成线性关系，通常取17.4～22.1 MJ/kg的平均值19.750 MJ/kg作为基础数据，该数据最早出现在 1996 年美国汽车工程文献。这种方法虽然有一定的合理性，但是对高排放的涂装工序来说，显然误差很大，且没有随技术提高做出修正。考虑汽车从装配线运输到经销店的清单与运输装置的能量强度和运输距离有关，本文统一将汽车的生产、装配与配送部分的费用折算至汽车的售价(初始投资成本)中。

3种救援车不同组件的初始投资成本：传统燃油汽车底盘大约价格为25万元，发电机费用为10万元，无需安装相应电池；对应的纯电动汽车底盘售价大约为30万元，无需相应发电机电池费用为50万元；结合传统能源和储能电池系统于一体的救援车发电机费用为3万元，电池费用20万元。3类救援车的上装部分中的静音降噪车厢约为15万元，一体化充电机组件为20万元，其他电气设备总和约为18万元，改装费大约为17万元，故3种类型救援车的初始投资成本分别为105万元、150万元和118万元，具体参数比较见表2。

表2 3种类型救援车初始投资成本 万元

配件分类费用车型1车型2车型3底盘253025车厢151515发电机1003电池05020充电机202020改装181818其他171717

2.3 运维成本

为了使车辆周期的研究结果能够与汽车全寿命周期衔接，构成电动汽车生命周期评价结果，并且为了确保全生命周期分析结果具有可比性，需要设定相同的汽车寿命里程，汽车寿命周期里程一般设定在(15～300)×103km。本文研究设定汽车寿命周期里程为250×103km，与阿贡国家实验室(Argonne National Laboratory, ANL) 研究的汽车寿命里程平均为 257.44 ×103km基本一致。在汽车寿命期间需要对汽车进行日常维护保养，以保证车辆性能。

2.3.1 运行成本

对3类救援车的运行成本的分析主要分两类：一是救援车自身行驶所需费用；二是救援车救援时所需费用，两者均指考虑时间价值后对应的油费和电费，不考虑人工费用。

2.3.1.1 自身行驶费用

考虑到汽车全寿命周期约为15年，对救援车全寿命周期行驶里程为250×103km而言：传统燃油救援车燃油驱动行驶100 km耗油20 L；纯电动救援车纯电动驱动行驶100 km耗电100 kWh , 依据式(2)考虑资金的时间价值，则传统燃油救援车全寿命周期运行汽油费用32.5万元，纯电动救援车全寿命周期运行电费12.5万元，结合传统能源及储能电池救援车的行驶费用与传统燃油汽车费用基本一致，约为32.5万元。

2.3.1.2 充电救援费用

假设每台救援车平均每100 km救援5台电动车，平均每台被救援电动车每次充电20 kWh，则每台救援车全寿命周期内救援电动车数量大约为12 500台，救援时总用电量为250 MWh。对于传统燃油救援车而言，由于1 L汽油重0.75 kg，而1 kg汽油完全燃烧能释放46 MJ的热量，1 kWh的热量为3.6 MJ，考虑内燃机效率在30%～40%之间，本文取35%折算，那么1 L汽油能够给电动车充电的电量大约为3.35 kWh。考虑资金的时间价值后，则传统燃油救援车救援用充电费用大约为48.5万元；纯电动救援车救援用充电费用大约为12.5元；结合传统能源及储能电池救援车救援用电费与纯电动汽车救援费用一致，为12.5万元。

考虑资金的时间价值后，3种类型救援车全寿命周期运行成本：车型1救援车为81万元；车型2救援车为25万元；车型3救援车为45万元。

2.3.2 维修成本

假设汽车每行驶 62 500 km 需要更换一次轮胎，在全寿命期间需要更换3次；假设每行驶 6 250 km 需要更换1次发动机机油,车辆全寿命期间需要更换 39 次；假设每行驶12 500 km 雨刷液就被完全消耗，汽车全寿命期间需要更换 19 次；假设每行驶 62 500 km 需要更换1次制动液和动力总成冷却液，汽车寿命期间需要更换3次；假设汽车全寿命期间只需更换1次变速箱油，这样，考虑资金的时间价值后，救援车全寿命周期内更换轮胎费用约为35 820元，机油费用为8 385元，雨刷液对应的费用为1 000元。

传统燃油救援车全寿命周期内，车载发电机的维修与更换费用大约为20万元(更换1次，维修多次的费用)；电池组的维护费用应考虑纯电动救援车的电池不仅是自身的动力电源，还是被救援车充电电源，其维护成本相对较高，本文假设该类型救援车在车辆寿命期间电池维护成本相当于整体更换1次、局部更新多次铅酸电池组的成本，大约为70万元。结合传统能源及储能电池救援车由于其电池组仅供救援充电用，其电池维护成本相对较少，大约为30万元，一体化充电机维护费用约5万元。

综上所述，考虑资金的时间价值后，3种类型救援车的维护成本：传统燃油救援车为32.5万元；纯电动救援车为82.5万元；结合传统能源及储能电池救援车为47.5万元,具体参数见表3。

表3 3种类型救援车运维成本 万元

车型运行成本行驶费用救援费用维修费用运维总费用132.5048.5032.50113.50212.5012.5082.50107.50332.5012.5047.5092.50

从表3可看到，3种类型救援车全寿命周期运维成本为113.5万元、107.5万元和92.5万元。

2.4 报废回收

电动汽车报废阶段分为车辆主体粉碎和电池报废处理，根据财政部、商务部《关于2008年老旧汽车报废更新补贴资金发放有关事宜》(财政部、商务部公告2008年第10号)和省经济和信息化委员会鲁经贸循函字[2009]7号文件的相关内容，总质量在12 000 kg以上(含12 000 kg)的载货汽车及准牵引总质量在12 000 kg以上(含12 000 kg )半挂牵引车，补贴标准为每辆车4 000元人民币。没有动力装置的全挂车、半挂车不属于补贴范围。2.4.1 发电机报废

150 kW的发动机报废价格大约为1 500元，而轴取力发电机报废价格少于100元，本文忽略。

2.4.2 电池报废

按照比亚迪能量型FV200A单节铁电池的技术参数，假设救援车上自带充电电池电量为100 kWh，额定电压为325 V，容量为400 Ah，则电池总重量大约为200×6.7 kg=1.34 t，考虑到实际电池间的蓄电池机架，总重量大约为1.5 t。对于纯电动救援车动力电池电量为150 kWh，对应重量为2.25 t，即纯电动救援车电池总重为自身动力电池与救援充电电池重量之和为3.75 t，结合传统能源及储能电池于一体的救援车电池总重量即救援充电用电池重量为1.5 t。

考虑资金的时间价值，电池报废价格折算至购车初期大约为8元/kg，因救援车全寿命周期内电池更换1次，纯电动救援车电池报废价格约为6万元；传统能源及储能电池于一体的救援车电池报废价格约为2.4万元。不同组件报废的费用见表4。

表4 3种类型救援车报废费用 万元

车型本体报废发电机报废电池报废其他配件总报废费用10.400.3000.200.9020.4006.000.206.6030.4002.400.203.00

3 结果分析

对传统能源救援车、储能电池系统救援车以及结合传统能源和储能电池系统于一体救援车的3种类型车进行了全生命周期分析，具体成本对比见表5。

从表5可看到，3种类型全寿命周期成本从低到高依次为：传统能源和储能电池系统于一体的救援车、传统能源救援车和纯电动救援车，其费用分别为207.50万元、217.60万元和 250.90 万元。

表5 3种类型救援车全寿命周期成本对比 万元

4 结束语

本文针对3种不同类型应急救援车，包括传统能源救援车、纯电动应急救援车以及结合传统能源和储能电池系统于一体的救援车。在考虑资金的时间价值基础上，依据汽车的生产、运维和报废过程费用，对3种不同救援车进行全寿命周期成本进行了分析，其中传统能源和储能电池系统于一体的救援车全寿命周期成本费用为207.5万元，是3种救援车中经济性最好的，而传统能源救援车和纯电动救援车全寿命周期成本费用分别为217.6万元和250.9万元。该经济性分析为应急救援充电车的动力类型和救援充电方式的研发提供理论依据，更为我国电动汽车的广泛运行提供了强力技术保障。

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(编辑 王夏慧)

Analysis on Economy of Mobile Charging Vehicles for Emergency Rescue

LAN Zhenbo, LIU Fei, LIU Bo, FENG Wanxing, ZHANG Jie, ZHOU Sheng

(Wuhan Nari Limited Liability Company of State Grid Electric Power Research Institute, Wuhan, Hubei 430074, China)

According to future electric vehicle rescue demands, this paper introduces three different types of rescue vehicles for electric vehicles including traditional energy rescue vehicles, storage battery system rescue vehicles and integrated rescue vehicles combining traditional energy and storage battery system. It explains major differences of these three kinds of rescue vehicles are self power types and charging rescue modes. In terms of production cost, operation and maintenance cost and cost produced in the process of rejection, it analyzes life cycle cost of the rescue vehicle and obtains costs of three kinds of vehicles. Results indicate life cycle cost of the integrated rescue vehicle combining traditional energy and storage battery system is the lowest and this kind of rescue vehicle has the best economy compared with the other two kinds of vehicles, which can be widely popularized and applied.

emergency rescue; electric vehicle; rescue vehicle; life cycle cost; economy

2016-06-15

国家电网公司科技指南项目(SGTYHT/14-JS-188)

10.3969/j.issn.1007-290X.2016.10.002

F407

A

1007-290X(2016)10-0007-05

兰贞波(1988)，男，湖北洪湖人。工程师，工学硕士，主要从事高电压绝缘技术及电磁场数值计算工作。

刘飞(1970)，男, 湖北武汉人。高级工程师，工学博士，主要从事电工新技术工作。

刘波(1987)，男，湖北咸宁人。工程师，工学硕士，主要从事高压智能电器工作。