基于学习率的纯电动与燃料电池汽车分场景经济性比较研究*

2021-03-09禹如杰赵冬昶

汽车工程 2021年2期

邱彬，禹如杰，刘勇，4，赵冬昶，宋健

（1. 清华大学，汽车安全与节能国家重点实验室，北京 100084；2. 工业和信息化部装备工业发展中心，北京 100846；3. 中国汽车技术研究中心有限公司，天津 300300；4. 南开大学金融学院，天津 300350）

前言

全球范围内，交通领域碳排放约占总排放量的25%，其中道路交通碳排放约占交通领域总排放量的75%［1］。为控制交通领域碳排放，2015 年零排放汽车联盟发布声明，到2050 年仅销售零排放汽车（ZEV）［2］。ZEV 包括插电式混合动力汽车（PHEV）、纯电动汽车（BEV）和燃料电池汽车（FCEV）。我国通过财税补贴、双积分等政策推动新能源汽车（NEV）发展，已初步形成了相对完善的新能源汽车政策推广体系。

在各种政策的推动下，我国新能源汽车市场规模快速增长，详见图1。目前NEV 市场中仍以BEV为主。2018 年BEV 市场销量在NEV 中的占比达80%，其中商用车中BEV 占NEV 的比例高达97%。FCEV尚处于产业发展初期，年销量在1 000辆左右。

图1 我国NEV年销量趋势

作为较新的技术型式，FCEV的成本被普遍认为具有较大下降空间。Ruffini 等［3］认为在美国加州，FCEV总成本（包含购买和10年使用成本）在2025年前可比传统内燃机汽车（ICEV）更有优势，但高于BEV。Cano 等［4］对 FCEV 和 BEV 成本拆解后，认为到2040 年高续驶里程车型FCEV 制造成本优势更大，低续驶里程车型BEV 制造成本仍优于FCEV。由此可见，车辆的制造成本受车辆类型和属性影响，使用成本与车辆使用场景相关性大。因此，本研究将在不同应用场景下，针对不同车辆类型，分析BEV与FCEV 未来的成本变化趋势，为政府制定NEV 推广政策和企业选择技术路线提供参考。

1 研究方法

1.1 总体框架

FCEV成本中，燃料电池系统（包含燃料电池堆、空气供应子系统、加湿器和水回收子系统、高温和低温冷却液管理子系统、燃料供应子系统和燃料电池系统控制器等）和储氢瓶成本占比近50%［5-6］，规模效应和技术积累会使这些关键零部件成本逐步下降。BEV的成本同样有较大下降空间。本研究在对FCEV、BEV 经济性成本变化趋势的比较中，重点考虑燃料电池系统、储氢瓶、电池、电机等关键部件成本变化趋势。由于车身成本在同级别车辆中差异较小，本研究将FCEV 和BEV 的车身成本设定为相同的固定值。本研究关于FCEV 和BEV 整车经济性趋势预测的框架如图2 所示。本研究将针对私家车、出租车、城市公交、物流车4 个场景对FCEV、BEV 经济性进行比较分析。

图2 BEV和FCEV经济性分析框架

1.2 成本分析框架

1.2.1 BEV经济性分析框架

BEV 各车辆属性之间的量化关系如式（1）和式（2）所示。

式中：Rt为t年时BEV 的纯电续驶里程，km；Qt为t年时储能装置总电量，kW·h；Wt为t年时整车整备质量，t；BCRt为BEV 的单位重量百公里电能消耗率，（kW·h）/t，随着技术的不断进步，本研究假定BCRt每年下降1%；ρt为t年时电池系统能量密度，则为电池系统质量；W0为除电池系统以外部分的车身质量，在本研究中忽略W0随时间的变化。

电池系统能量密度ρt是BEV技术性能趋势预测的重要变量，本文参考《节能与新能源汽车技术路线图》［7］（简称“路线图”）中ρt的提升速度，以2017年为基准，设定未来的ρt变化趋势，如图3所示。

图 3 ρt/ρ2017发展趋势设定

BEV的整车成本可表示为

式中：C0为除电池、电驱动系统外的车身成本，元；CBt为t年时电池包单位电量成本，元/（kW·h）；CDt为驱动电机单位成本，元/kW；MP为驱动电机额定功率，kW。

1.2.2 FCEV经济性分析框架

FCEV 可分为全功率型（大电堆小电池）和增程式（小电堆大电池）两类。以丰田Mirai 为代表的车型为全功率类型，其燃料电池系统功率为114 kW，动力电池容量仅1.5 kW·h。以荣威950为代表的部分车型采用小功率电堆搭配大容量电池的增程式技术，其燃料电池系统额定功率为36 kW，搭载11.8 kW·h的电池提供辅助动力。

全功率FCEV的续驶里程为

其中FCEV整备质量为

式中：WH为储氢瓶储氢质量，以储氢质量的一半计算行驶中氢的质量，kg；Wt为t年时整车整备质量，t；HCRt为百公里氢能消耗率，kg/t；W0为除电池、电驱动系统以外的车身质量，在本研究中忽略W0随时间的变化；Qt为t年时动力电池总电量，kW·h；ρt为t年时动力电池系统能量密度，kW·h/kg；P为燃料电池系统功率，kW；ρFt为燃料电池系统质量功率密度，kg/kW；ρFt∙P为燃料电池系统的质量；WT为储氢瓶质量。

增程式FCEV的续驶里程与能耗的关系为

两种FCEV 技术路线下的整车成本可采用同一公式表示，如式（7）所示。

式中：CFt为t年时燃料电池系统单位成本，元/kW；CHt为t年时储氢瓶单位储氢成本，元/kg。

1.2.3 燃料成本

本节进一步探讨不同使用场景下燃料使用成本，如式（8）所示。

式中：CoFt为t年时燃料成本；VKT为年均行驶里程；FUELt为t年时燃料消耗率；Pt为t年时单位燃料价格；k为折现系数。

式中：dr为折现率；n为车辆使用时间。

由于我国电价近年来无明显变化，因此本文中电能价格按0.8元/（kW·h）计算，并保持不变。氢能成本包括制氢成本、储运成本和终端加氢成本3 部分。基于相关研究成果，2017 年我国氢能价格设定为 55 元/kg［8］，2050 年约为 35 元/kg［9］，中间年份本文采用线性插值的方法计算取值。

1.3 学习率曲线

学习率曲线根据历史经验预测未来成本变化趋势，可以规避技术突破时间节点不确定性等干扰因素。1936 年，美国学者Wright 指出飞机装配过程中，产量每增大一倍，劳动时间约降低20%，提出“经验曲线”的概念［10］。生产成本与累计产量存在相关性。Yelle［11］以“学习曲线”定义“经验曲线”，给出学习曲线表达式：

式中：N0和Nt分别为基准时刻和t时刻累计产量；C0和Ct分别为基准时刻和t时刻成本；α(α＜ 0)为学习系数。

式中r为进步率。学习率R满足下式：

由式（10）和式（11）可知

很多学者基于学习率曲线对FCEV 和BEV 的技术经济性发展趋势展开研究，详见表1。

表1 NEV成本学习率相关研究汇总

Mattsson 等［12］较早用学习率研究燃料电池系统成本，类比光伏太阳能电池等技术的发展将学习率设为 0.13。Sano 等［13］对 FCEV 成本趋势分析时，考虑了最低成本，并将FCEV 成本分为燃料电池系统、储氢瓶和电机电控3部分。

Matteson［14-15］和 Wei［16］分别对电池和燃料电池系统不同材料体系进行研究。Matteson 的研究中，铅酸电池学习率为0.19～0.23，锂离子电池学习率为0.22，两者学习率接近。据此初步判断，政策推动下，动力电池学习率受材料种类变化影响可能比较有限。因此本研究中采用统一的学习率展开分析。

根据相关研究，设定FCEV 和BEV 关键部件学习率及基准年成本，详见表2。

表2 FCEV、BEV关键部件学习率设定

1.4 累计产量趋势

本研究中，NEV 累计产量参考IEA 新政策情景［17］。该情景考虑现行政策和政策规划，2030 年，轻型电动车（含BEV 和PHEV）保有量约1.25 亿辆。由于该情景仅设定到2030 年，本研究基于其历史趋势，将其延伸至2050 年。FCEV 规模化生产可能发生在2030 年后。FCEV 的累计产量参考IEA 2 ℃富氢情景［18］，到 2030 年全球 FCEV 累计销量达到 800万辆，到2050年FCEV 乘用车销量占比可达到30%。详见图4。

1.5 车辆性能参数

增程式FCEV 和BEV 主要以国产为主，因此本文在选取典型车辆性能参数时，将选取国产典型车辆作为参考。全功率FCEV 技术路线以国际先进水平为参照。

图4 NEV累计产量情景设置

具体来看，乘用车以丰田Mirai 和荣威950 分别作为全功率和增程式FCEV 的典型车型。以北汽福田的 BJ6123FCEVCH-1 和 BJ6851EVCA-16 作为城市公交基准车型。货车方面，国内东风集团同时开发了增程式FCEV 和BEV 中型货车，因此基准车型选择东风的EQ5081XXYTFCEV1 和DFD5070 XXYFBEV车型。

FCEV 和BEV 基准车型技术参数如表3 和表4所示。

本研究以北京为例，讨论FCEV 和BEV 在不同使用场景的经济性差异。具体如表5所示。

表3 FCEV基准车辆性能（乘用车续驶里程为NEDC工况，客车、货车续驶里程为60 km/h等速工况）［35-36］

表4 BEV基准车辆性能

表5 使用场景特征

2 结果分析

2.1 关键部件成本下降趋势

2020、2025 和 2030 年，我国规划动力电池系统成本将分别降至1、0.9 和0.8 元/（W·h）［7］。日本发布的《NEDO 二次电池技术研发路线图2013》，希望2020 年BEV 动力电池系统成本降至2 万日元/（kW·h）以下（约1 200 元/（kW·h）），2030 年降至1万日元/（kW·h）以下，之后降至5 000 日元/（kW·h）以下［41］。本研究中，根据表 2 和图 4 的设定，BEV 动力电池系统成本及其与中、日两国目标的对比如图5 所示。

图5 BEV动力电池系统成本下降趋势

路线图中，乘用车燃料电池系统成本2020、2025 和 2030 年分别降至 1 500、800 和 200 元/kW［7］。美国能源部的研究认为，年产50 万套80 kW 燃料电池系统规模下，燃料电池系统成本可在2025 年降至40 美元/kW（约280 元/kW），最终降至30 美元/kW（约210 元/kW）［42］。本研究中，根据表2 和图4，设定FCEV燃料电池系统成本趋势以及与中、美两国目标的对比，如图6所示。

图6 FCEV燃料电池系统单位成本下降趋势

2.2 BEV与FCEV制造成本趋势预测与对比

基于表3 和表4 中对车辆性能的设定以及本文的成本分析框架，得到典型车型未来成本趋势，如图7所示。

图7 中，如果续驶里程保持与基准年份不变的情况下，增程式FCEV 乘用车制造成本将长期低于BEV，BEV 乘用车制造成本也将长期低于全功率FCEV；增程式FCEV 客车制造成本将长期高于BEV，在2030 年后将与BEV 客车接近，两者差异保持在1万元以内，全功率FCEV 客车制造成本长期高于BEV 客车，差异到2050 年可缩小至约6.4 万元；增程式FCEV 货车制造成本在2020 年可低于BEV货车，随后与BEV 货车差异保持约3 万左右。全功率FCEV 货车制造成本长期高于BEV 货车，与BEV差异到2050年缩至约3.8万元。

图7 典型乘用车、客车和货车制造成本变化趋势

2.3 BEV 与FCEV 分场景综合成本趋势预测与对比

在制造成本基础上，结合本文1.2.3 节对燃料成本的设定，对BEV 和FCEV 各类型应用场景的综合成本进一步分析，其结果见图8。

从使用成本看，BEV 有较强竞争力。BEV 使用成本明显低于FCEV，增程式FCEV 制造成本优势被高使用成本抵消。BEV 私家车综合成本（含制造成本和使用成本）长期低于增程式FCEV 和全功率FCEV。出租车、物流车、公交车作为运营车辆，年行驶里程长，使用成本增加明显。具体来看，基准年2017 年，北京 FCEV 出租车使用成本达 26 万，到2050 年将降至10 万元左右。BEV 出租车基准年使用成本仅6.6万元，随能耗水平改善，2050年可降至4万元。基准年2017年，FCEV 公交车使用成本超过100 万，到 2050 年可降至 51 万元，而 BEV 公交车使用成本在基准年仅为19.2 万元，到2050 年降至约11.5 万元。FCEV 物流车使用成本超过142 万，到2050 年仍达 62 万元，BEV 物流车使用成本仅 23 万元，到2050年降至约16.5万元。