我国电动汽车的能效与经济性分析

茹永刚， 郑重， 韩元昭， 余洋， 于志诚， 梁秀

(1.青岛特锐德电气股份有限公司，山东 青岛 266000;2.华北电力大学 高电压与电磁兼容北京市重点实验室，新能源电力系统国家重点实验室，北京 102206)

0 引 言

传统的汽车以燃油的方式驱动，不仅消耗了大量有限的化石能源，而且其污染排放也给环境带来了影响。近年来，伴随着技术的进步与社会的发展，以电动汽车为代表的新能源汽车逐渐在汽车工业领域内占有一席之地[1]。

在美国、日本、欧洲等，纯电动汽车已得到了较大规模的推广与应用。数据表明，全球的电动汽车2016年累计销售量为200万辆。我国的电动汽车正在起步推广中，具有相当大的发展空间和良好的前景。根据国家对2020年之前新能源汽车产业的发展规划，未来中国将以纯电驱动的汽车作为新能源汽车技术发展以及汽车工业转型优化的战略目标。自2014年6月起，我国开始制订《电动汽车充电基础设施建设规划》[2]，2020年的新能源汽车使用数量的目标为500万辆，同时充换电站数量的目标为1.2万个，充电桩数量的目标为450万个。

电动汽车行业得到快速发展的原因包括其零排放、高能源利用效率[3]和经济性等特点。针对电动汽车的能源利用研究，国内文献多基于汽车的动力系统模块进行理论仿真与计算。对消费者做出购买决策的最重要的经济性因素，即电动汽车和传统能源汽车在实际使用中可能产生的能源成本和实际费用，并没有做系统的对比性研究。

针对当前较为普遍的纯电动汽车、油电混合汽车、燃气汽车和燃油汽车几种汽车类型，本文根据汽车参数，对比其发动机的一次能源效率。文中选取国内的主要汽车类型，以及国内代表性的能源价格，对电动汽车在我国的发展更具有显示意义。

1 能耗研究

1.1 车型与参数

本文研究的四类汽车包括纯电动汽车、燃油汽车、燃气汽车及油电混合汽车。其中燃油汽车的百公里参数之间相差较大[4]，所以本文将燃油汽车按百公里耗油量分为小油耗型、中油耗型和大油耗型，并选取比较常见的车型。燃气汽车分为两类，压缩天然气(Compressed Natural Gas，CNG)汽车和液化天然气(Liquefied Natural Gas，LNG)汽车。车型及相关参数见表1。

表1 车型与原始参数

1.2 发动机能源效率

发动机的能源效率指的是做同样的功发动机所需要提供的总能量。对于汽车而言，就表现在行驶相同距离时，发动机的功耗情况。因不同类型汽车的质量差别较大，对能耗产生一定影响，因而采用了比耗量参数。比耗量的含义为单位车质量行驶一定路程所消耗的能源数量，即总能耗除以汽车质量。能耗与比耗量的数值越小，则汽车的燃料经济性越好。

油电混合汽车的百公里耗量需进行折算，等于百公里耗油量与修正燃料量加权和。有关调查数据显示，我国的实际情况为汽车的总里程中市区里程占70%，而市郊里程占30%。所以油电混合汽车的百公里发动机能耗的计算为：

(1)

式中：E表示百公里发动机能耗,kJ；V′表示修正燃料量，L；V表示油电混合汽车的百公里耗油量，L；q表示汽油的热值，kJ/m3。

各类汽车的百公里发动机能耗比较如图1[5]所示。柱状图从左到右依次为纯电动汽车、小油耗型车、中油耗型车、大油耗型车、CNG汽车、LNG汽车和油电混合汽车，其余柱状图亦同。可见，百公里发动机能耗和百公里发动机比耗量数值最小的均为纯电动汽车，数值最大的均为CNG汽车，由此可得纯电动汽车在各类汽车中燃料经济性最好。

图1 各类汽车的百公里发动机能耗比较

1.3 一次能源能耗

分析不同类型汽车的能源使用情况时，还需考虑汽车对诸如煤、石油、天然气等一次能源的能源利用情况。百公里一次能源能耗是考虑了燃料生产、运输等过程中的能量损失后，归算至一次能源侧，汽车行驶百公里实际消耗的总能量等于百公里发动机能耗与能量利用率的比值，即:

(2)

式中：E1表示百公里一次能源能耗，kJ；E表示百公里发动机能耗，kJ；η表示能量利用率，(%)。

电能从一次能源转化为二次能源的过程中会出现损耗[6]。根据《中电联发布全国电力工业统计快报(2011年)》，2011全国电网的输配电线损率为6.31%。不同发电形式效率不同，2010年我国发电的能源形式主要包括火力发电(包括燃煤发电、燃气发电以及燃油发电)。根据能源比例结构和不同的能源形式发电的发电效率进行加权计算得到2010年我国的综合发电效率，为51.66%。对于二次能源电能，由线损率和发电效率可得到能量利用率51.55%×(1-6.31%)≈48.30%。

根据国家标准GB 11085—1989《散装液态石油产品损耗》，成品油正常损耗中的保管损耗、运输损耗以及零售损耗分别取0.41%、0.30%、0.29%，则成品油损耗为1.00%，因此可将汽油的能量利用率取为99.00%。在计算天然气的能量利用率时，要考虑天然气生产、输送和使用过程中的管输损耗[7]。我国的天然气管输损耗要求不超过0.50%，因此天然气的能量利用率为99.50%。各类汽车的百公里一次能源比耗量如图2所示。

图2 各类汽车的百公里一次能源比耗量

对比分析可得，百公里一次能源能耗和百公里一次能源比耗量最小的均为纯电动汽车和油电混合汽车，最大的均为CNG汽车。由此可得,纯电动汽车在四类汽车中，百公里估算至一次能源侧的能耗仍比较小，燃料经济性较好。

2 能源经济性研究

2.1 等效能源价格

等效能源价格为产生单位能量所消耗能源的价格，即含1 kJ能量的一次能源的价格，计算方法为单位能源的价格除以等效热值[8]。各类汽车的等效能源价格如图3所示。

图3 各类汽车的等效能源价格

由图3可知，在各类汽车中，纯电动汽车的等效能源价格最低，且与其他类汽车间存在较大差距，表明其使用的电能具有显著的能源经济性。

2.2 能源成本

考虑能源损失，将汽车百公里耗量(油耗、气耗、电耗)折算为百公里等效一次能源(动力煤、汽油、天然气)。各类汽车的百公里耗量如表2所示。

表2 各类汽车百公里等效一次能源耗量

在计算纯电动汽车的百公里等效能源时，需将二次能源转化为等效一次能源[9]，即将电能转化为等效动力煤，计算过程为：

(3)

式中:V煤表示百公里等效动力煤，kg；E1表示百公里一次能源能耗，kJ；q标煤为标准煤的热值，为29 301 kJ/kg；动力煤因数约为1.27，即1 kg标准煤等效为1.27 kg动力煤。

汽车的百公里一次能源耗量乘以一次能源价格，便得到汽车的百公里能源成本[10]。百公里能源比成本表示单位车质量行驶百公里所消耗能源的成本，数值上等于百公里能源成本除以整车质量。各类汽车的百公里能源比成本如图4所示。可见，纯电动汽车的百公里能源成本和百公里能源比成本明显比其他类型的汽车低，说明纯电动汽车的能源成本具有显著的经济性。

图4 各类汽车的百公里能源比成本

2.3 能源支出费用

汽车消费者最为关心的是汽车行驶时的实际支出，汽车行驶一百公里所支出的资金即为百公里支出费用[11]。类似于比耗量，比费用代表单位车质量的支出费用。

我国电价因地区而异，本文以北京市电价方案为代表：在自用充电设施上充电的电价按照居民电价收取，目前的电价为0.510 3元/kWh；在公用充电设施(充电站、充电桩)上充电的电价按照本市一般工商业电价标准收取，目前的电价为0.874 5元/kWh。由于动力煤的价格50%以上由运费构成，区域差异较大，本文中将环渤海动力煤作为代表。我国汽油的价格随着外部因素的波动较大[12]，本文静态计算所用93号汽油价格为6.67元/L。

百公里支出比费用如图5所示。由计算结果可知，各类汽车的百公里支出比费用比较低的前三位为：LNG汽车、油电混合汽车、纯电动汽车。考虑到LNG汽车能耗和费用并不随汽车整备质量成正比增加，不适用于小型车的分析。由此可得，纯电动汽车的单位车质量费用较为经济。

图5 各类汽车的百公里支出比费用

2.4 价格动态趋势分析

在2.1节中，统计了煤炭、石油和天然气等一次能源价格。由于化石能源的价格波动受到很多因素的影响，比如勘探开采技术、国际社会需求、新能源技术发展和国际政治等。因此需要考察近年来的能源价格与费用的波动走势，才能对未来的能源利用格局进行合理的预判。

纯电动汽车的能源成本等于百公里等效动力煤与动力煤价格的乘积[13]。动力煤价格变动(2010—2015年)，研究纯电动汽车的百公里能源成本随之变化的情况，如图6所示。

图6 2010—2015年纯电动汽车能源成本趋势

纯电动汽车的百公里能源成本在2010—2015年总体走势为降低走势。2002—2012年，煤炭开采技术和自动化程度大幅提高，国内煤炭供给量充足。2013年政府取消了煤炭价格的双轨制，国际经济低迷，进口煤价格低于国内市场价格，对国内煤炭价格造成冲击。同时环保问题也逐渐得到政府的重视，清洁能源的使用力度的加大和节能减排理念的推广，将不断缩小煤炭的需求，导致煤炭价格的下跌。

与此同时，调研历年(2008—2015年)的车用电价，得到纯电动汽车百公里支出费用随时间的变化曲线，如图7所示。

图7 纯电动汽车百公里支出费用变化趋势

我国的电力工业结构正向优化发电能源的方向前进，为实现节能减排和绿色安全的理念，火电的投资比重不断降低[14]，2013年火电的投资比重已降低到25%，可再生能源发电的投资比重不断上升，而可再生能源发电的上网电价较高，虽然有政府短期补贴，但长期电价的上涨也是必然的。另一方面，车用电除了基本电价外还包含充电服务费，北京市政府规定从2015年6月1日起，充电设施经营单位可在收取电费的同时，额外收取充电服务费，每kWh收费上限标准为当日北京市92号汽油每升最高零售价的15%。由此分析可得，未来纯电动汽车的百公里支出费用将随电价的上升而上升，但电力结构的改革是一个比较漫长的过程，纯电动汽车的百公里支出费用将缓慢上升。

因CNG和LNG随天然气出厂价格变动趋势相同，所以本文将CNG汽车作为燃气汽车的代表。燃气汽车的支出费用等于其百公里耗气量与车用天然气价格的乘积。如图8所示，燃气汽车的百公里支出费用随车用天然气价格的增涨而增加。

图8 2010—2015年燃气汽车支出费用趋势

燃气汽车的百公里支出费用随车用天然气价格的增涨而增加。天然气价格上涨的原因:一方面，国内天然气资源匮乏，且天然气大部分集中在西部地区，埋藏深，储量不丰富，开采难度大，导致我国天然气供应存在着较大缺口[15]；另一方面，我国节能减排运动不断发展，“油改气”在我国各地蓬勃发展，导致天然气的需求不断增长。如果不考虑政策因素，我国天然气的供需不平衡导致天然气价格的上涨，也可能使燃气汽车的能源成本和支出费用不断上涨。

根据1998—2015年北京市92号汽油的调价情况，燃油汽车与油电混合汽车的百公里支出费用动态变化如图9所示。燃油汽车与油电混合汽车的百公里支出费用在1998—2015年间的总体走势升高，而且两类汽车中燃油汽车随汽油价格变动其百公里支出费用变化明显，而油电混合汽车的百公里支出费用随汽油价格波动相对缓慢[16]。根据油价的发展趋势，燃油汽车与油电混合汽车百公里支出费用的总体趋势为缓慢上升，同时新能源技术的发展则会抑制该上升趋势。

图9 1998—2015年燃油汽车与油电混合汽车支出费用变化趋势

3 误差分析

本文所进行的研究，不仅有调查环节，也有计算环节。其误差主要来源于抽样误差、测量误差和计算方法误差等。本文分别对应不同类型汽车选取了代表样本，存在抽样误差。测量误差主要存在于从汽车厂商等处获得的初始数据。除此之外，本文中对纯电动汽车的百公里能源成本进行计算时，将所用耗电量归算为等效动力煤进行计算，但此方法存在一定误差。根据有关国家标准[17-18]得到原始数据以及部分过程数据的相对误差，如表3所示。

表3 不同类型汽车的相对误差 %

4 结束语

随着能源利用技术的不断成熟，近年来在传统的燃油汽车基础上，涌现出了包括电动汽车在内的很多不同动力形式的汽车。在我国，这种发展主要受到以下因素影响。

首先是我国能源结构。我国正进入一个推广使用清洁能源的时期，资源环境约束的强化要求电力能源结构的调整加快[19-20]。目前火力发电仍在我国的发电能源结构中占较大比重，但未来的新增装机容量将延续下滑势态，清洁能源发电的装机容量将增长迅速。其次是发电效率。根据统计数据分析，我国的火力发电效率呈上升趋势，新能源发电技术的发电效率也将进一步提升。这将使纯电动汽车的能耗有所下降，从而降低了纯电动汽车的百公里能源成本。再次是环境因素。面对我国目前严峻的治霾形势，以及为了实现我国在2020年的碳排放量相比于2005年下降40%～45%的节能减排目标，我国正逐步推广使用新能源汽车与清洁能源汽车。2014年，我国共出台了16个关于新能源汽车的政策，加快相应的基础设施建设，并对新能源汽车加大了补贴力度，免征新能源汽车的车辆购置税，降低了消费者的购车成本。未来，新能源汽车的优惠政策将陆续出台和完善，新能源汽车的市场前景可观。

随着新能源汽车的推广使用，新能源汽车的汽车技术将进入快速发展阶段，汽车车型种类将不断增加，汽车的能耗参数也将随技术的发展而有一定的降低。未来，节能和减排将成为汽车技术发展主要方向之一，以纯电动汽车、混合动力汽车为代表的新能源汽车将占有更为重要的地位。