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    电动汽车轻量化的成本效益潜力与技术策略

    【作者】赵福全,刘宗巍, 史天泽

    【单位】清华大学汽车产业与技术战略研究院


    一、电动汽车轻量化具有特殊意义

    近年来,在中国政府的强力推动下,电动汽车产业逐渐进入快速发展的新时期。不过当前电动汽车仍面临严峻挑战,其中成本和续航里程是尚待突破的两个核心瓶颈。事实上,这两个因素是相辅相成、相互影响的。如果搭载较多电池,电动汽车可以提高续航里程,但会导致较高成本,市场很难接受;而如果迫于成本压力搭载较少电池,又会造成续航里程较短,同样难以得到消费者的青睐。作为消费者的重要关注点,续航里程与成本是发展电动汽车必须有效平衡好的相互关联的一对矛盾。与此同时,NEV积分政策要求车企至少要生产一定比例的新能源汽车,长续航里程的电动汽车又可以获得较高的NEV积分。在这种情况下,电动汽车已经成为车企技术路线的必选项之一,企业必须思考在既有电池技术水平下,如何既满足基本的续航里程需求,又控制好电动汽车的整体成本。

    针对这一难题,除选择合适的续航里程之外,轻量化是重要而有效的解决途径之一。与传统燃油车相比,轻量化对于电动汽车而言具有不同的特殊意义。因为,燃油车轻量化只能带来降低油耗(或者说碳排放)方面的收益,而电动汽车轻量化不仅具有降低能耗(碳排放)的好处,还意味着可以在保持同等续航里程的情况下少装电池,对于电池成本占整车成本极高(目前约接近40%,一些车型甚至更高)的电动汽车而言,少装电池将是降低成本的有效手段。也就是说,车企对于电动汽车应当采取与燃油车完全不同的轻量化策略,但究竟电动汽车轻量化的这种优势潜力有多大,需要基于量化评估系统研究其成本效益,方能选择适宜的技术策略。

    二、电动汽车轻量化成本效益的量化评估方法

    本质上,无论何种汽车产品,其轻量化策略都是一个性价比的权衡问题。如图1所示,应用轻量化技术和材料本身会带来成本的增加,但与此同时,轻量化也会带来很多收益。一方面,轻量化能够有效降低能耗,这也等于是降低了车辆使用阶段的碳排放,并且这一好处将持续存在。另一方面,某些轻量化技术如结构优化等可在车辆性能不变甚至更优的前提下减少材料用量,从而具有一定的降成本效果;更重要的是,对于电动汽车来说,轻量化带来的能耗下降还意味着可以节省电池用量,从而显著降低整车成本。当然,这种节省电池的效益显然不会是无限的,毕竟采用轻量化技术本身需要增加成本。因此,电动汽车轻量化技术决策的核心就在于,准确衡量成本变化(轻量化本身带来的成本增量与少装电池带来的成本减量)与能耗收益之间的性价比。                     

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    图1 电动汽车轻量化技术决策的核心

    根据上述分析,我们首先测算了汽车轻量化与能耗之间的关系。通过将车辆的关键参数和运行工况等输入汽车动力特性方程,可求解出车辆在一定工况下的功率需求,再求导即可获得能量需求。选择NEDC工况下一台1.5吨的典型中型乘用车作为基准车型,研究了在不同轻量化率下的节能效果,其中,轻量化率=(轻量化前的车重-轻量化后的车重)/轻量化前的车重,表征车辆采用轻量化技术的程度,节能效果=(轻量化前的能耗-轻量化后的能耗)/轻量化前的能耗,表征车辆的节能水平。结果显示,汽车的轻量化率与节能效果基本呈现线性关系,每10%的轻量化率大约可带来8.5%的节能效果。同时,燃油车和电动汽车相差不大。这个结论不难理解,在其他基本条件相同的情况下,无论燃油车还是电动汽车,轻量化带来的能耗减少量应该大致相同,只不过前者省的是油,后者省的却是电。

    接下来分析轻量化技术本身带来的成本代价。本部分关于燃油车轻量化技术成本的基础数据来源于美国NRC(NationalResearch Council)相关报告。该报告指出,轻量化率低时更多考虑结构优化,因此成本代价较小,甚至趋近于零;而要实现高轻量化率必须依靠材料替换,相应的成本代价也就越来越高。考虑到轻量化技术在燃油车和电动汽车中有较大的共通性,上述基准数据同样适用于电动汽车的测算。

    针对上述典型中型乘用车型,我们计算了轻量化技术与成本之间的关系。如图2所示,对一台1.5吨的车辆来说,减重10%约需投入2000元人民币(货币单位下同),减重20%的投入则激增到了7000元。整体上,轻量化技术的成本与轻量化率近似呈指数曲线关系。在高轻量化率下,减少相同重量的成本代价更高;同时对于相同的轻量化率增量,绝对减重量也更大,从而造成轻量化成本的急剧上升。

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    图2 轻量化技术应用程度与成本增量之间的关系

    三、电动汽车轻量化的成本效益与技术策略

    基于市场主流电动汽车现状及对标燃油车型,我们选择NEDC工况下整备质量1.5吨(含电池)、续航里程200公里的典型中型电动乘用车为研究对象,采用类似的汽车动力特性方程分析方法,测算不同轻量化率下所能节省的电池量以及相应的电池成本,得到图3的结果。可以看到,随着轻量化率的提升,电动汽车可以减少的电池成本越来越大,两者近似呈线性关系;对于电动汽车而言,电池成本是车辆成本最关键的影响因素之一,电池成本越高,轻量化能够带给电动汽车的降成本收益就越显著。

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    图3 轻量化带来的电池成本下降

    结合图2和图3,我们可以得到轻量化对于电动汽车的综合成本效益关系,即将应用轻量化技术本身导致的成本增加与节省电池带来的成本下降进行综合分析,得到导入轻量化技术对电动汽车总成本增量的影响,具体结果见图4。为便于分析和理解,我们定义了成本拐点(图中以三角形标识)、成本平衡点(图中以正方形标识)及成本极值点(图中以圆形标识)三个概念。其中,成本拐点代表了轻量化技术所能带给电动汽车的最大成本收益;成本平衡点代表了电动汽车轻量化成本投入刚好与其带来的电池节省收益相抵消时的轻量化率;而成本极值点则代表在既定投入下车辆可以达到的最大轻量化率。可以看到,电动汽车轻量化确实具有额外优势:在成本拐点前,提升轻量化率可以直接带来电动汽车整车成本的降低,而且电池单价越高,降成本效果越好;在成本拐点之后,降成本效果开始随着轻量化率的增加而减少。而在成本平衡点处,即使没有投入也可以应用一定程度的轻量化技术,从而达到整车降能耗的目的。最后,我们发现电动汽车轻量化的优势与电池成本息息相关,随着电池成本的逐渐降低,电动汽车轻量化的成本优势将逐渐减少。正如图中所示,同样投入5千元,燃油车只能实现约16%的轻量化率,而在当前1.4元/Wh的电池成本下,电动汽车则可以实现约26%的轻量化率;而远期电池成本如果降低至0.6元/Wh,电动汽车则只能实现不到20%的轻量化率,其轻量化效果已经与燃油车比较接近了。

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    图4 电动汽车轻量化的综合成本效益

    由此可知,随着电池成本下降至一定程度,电动汽车轻量化的成本优势将不再明显。也就是说,尽管轻量化可为电动汽车带来额外的成本收益,不过未来这种收益将逐渐减少,潜力并非无限。长期以来业界一直有一种固有观念,认为电动汽车一定要大幅提高轻量化的应用程度以节省电池成本,其实这个结论成立的前提是电池成本较为昂贵。此前电池的成本在2元/Wh甚至2.5元/Wh以上,电池成本对整车总成本的影响非常大,所以需要在电动汽车上全力加强轻量化。然而近几年来,电池成本下探很快,普遍水平已经达到1.4元/Wh以下,一些具有品牌影响力和规模效益优势的整车厂,甚至能以接近1元/Wh的价格实现量产。未来随着电池技术持续进步、规模不断增长以及回收与梯次利用的发展,电池成本有望进一步降低。在此情况下,车企必须基于快速下降的电池成本重新思考和选择适宜的轻量化技术策略。

    当然,即使电池成本下降,轻量化对于电动汽车也依然具有持久价值,即降低能耗(碳排放),这一点与传统汽车的轻量化价值是相同的。只不过车企在选择轻量化技术策略时,应逐渐由主要衡量成本性价比转变为主要衡量能耗性价比。即电池昂贵时,电动汽车轻量化主要考虑省电池、降成本;电池便宜时,则主要考虑节能——此时过于昂贵的轻量化材料就没有足够的应用空间和商业价值了。事实上,一些车企的举措已经印证了这一点。例如宝马新一代i3将碳纤维车身改回铝合金,其中恐怕就有轻量化技术带来的电池降成本效果减弱的考虑。

    需要注意的是,轻量化的节能作用还能有效降低车辆的使用成本,对于燃油车而言可以省油,对于电动汽车而言可以省电。如果我们把这部分节约的使用成本,再次投入到轻量化技术应用上,还可以进一步提升轻量化率,进而带来更多的节能收益,我们将此定义为二次轻量化。如图5所示,以1.5吨的电动汽车减重15%、10年总里程60万公里、电池成本1元/Wh、电价0.55元/kWh为基准进行测算,使用阶段总共可减少使用成本约7000元。如果将节省的使用成本拿出一半,再次投入轻量化,轻量化率可由15%上升到21%;全部投入,则可达到25%。也就是说,从制造到使用全生命周期的视角看,本文给定条件下的电动汽车即使没有任何投入,都可以实现25%的轻量化率。可见,电动汽车二次轻量化的收益非常可观。不过比起购置成本,汽车使用阶段的成本节约是非显性的,要让消费者认知乃至认可这种收益,还需要企业加强宣传和引导。另一方面,分时租赁等新型商业模式的发展目前方兴未艾,电动汽车作为运营车辆就完全可以也理应充分考虑这部分效果。 

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    图5 电动汽车二次轻量化的成本效益

    四、总结

    我们的研究表明:(1)汽车轻量化率与节能效果呈近似线性关系,即轻量化具有持续稳定的节能效果。(2)轻量化技术成本随轻量化率提升而增加,呈近似指数关系,即轻量化率越高,增加同等轻量化率付出的成本代价就越高。(3)与燃油车相比,轻量化可以给电动汽车带来额外的成本收益,即对电池用量的节省。以一台整备质量1.5吨、续航里程200公里的电动汽车为例,如果减重20%可减少17.9%的电池,相当于5.4kWh。以电池成本1元/Wh计算,可降低整车成本5400元。也就是说,电动汽车轻量化具有额外优势,可以在低投入、甚至无投入、负投入的条件下,就能实现一定的轻量化率。(4)电动汽车轻量化的这种优势与电池成本紧密相关,并不是无限的。随着电池成本的快速下降,电动汽车应用轻量化技术的成本优势将逐渐减小。因此,车企的电动汽车轻量化技术策略,应当由此前主要衡量成本性价比逐渐回归到今后主要衡量能耗性价比上来。换句话说,一些成本代价过于高昂的轻量化技术,即使对于电动汽车也需要重新评估、谨慎应用。

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