四阶段油耗法规条件下乘用车节能技术成本分析

工作原理和负荷特性的不同，相对于汽油机，高效清洁柴油机也有明显的节能效果[3-4]。高效变速器[5]主要包括多挡位（≥6）手动变速器（Manual Transmission，MT）、多挡位（≥6）自动变速器（Automatic Transmission，AT）、双离合变速器（Dual Clutch Transmission，DCT）、无级变速器（Continuously Variable Transmission，CVT）、电控机械式自动变速器（Automated Mechanical Ma-nual Transmission，AMT）。其中多挡位MT较传统5MT增加了前进挡，在能量和转速分配上更加紧凑，操控感和动力传递效率得以提升。其它高效自动变速器（多挡位（≥6）AT、DCT、CVT、AMT）的动力传递效率也优于传统的4AT。

1.2 低摩擦技术

车辆在行驶过程中，各种内部及外部系统摩擦是造成整车能量损耗的主要原因之一。减少摩擦损耗的主要方法包括降低车身风阻、减少内部阻力和降低滚动阻力等。车身造型设计优化、低粘度机油、高效润滑油、低滚阻轮胎、低摩擦材料涂层等均是降低车辆摩擦损耗的主要措施。

1.3 轻量化技术

减少汽车自身质量是降低油耗的最有效措施之一。相关资料表明，汽车自重每减少10%，燃油消耗可降低6%～8%[6]。轻量化的实现主要有3种手段：轻量化结构设计及优化、先进轻量化材料应用、先进轻量化制造技术应用。

1.4 先进电子电器

近年来，汽车节能相关电子电器的应用日趋广泛，通过提升能源利用效率来降低能耗。目前应用较成熟的节能相关电子电器包括：紧急电力供给（Emergency Power Supply，EPS）、智能节油系统（Stop-Start，STT）、制动能量回收、高效空调、胎压监测、换挡提示、电子节温器、电子水泵、可变排量机油泵等[7-8]。

2 系统动力学建模

系统动力学（System Dynamics，SD）创始于1956年，其创始人为美国麻省理工学院的Jay W.Forrester教授。它是系统科学理论与计算机仿真紧密结合，研究系统反馈结构与行为的一门科学，是系统科学与管理科学的一个重要分支[9]。系统动力学结合了定性分析与定量分析两种方法，是以定性分析为主导，定量分析为支撑的方法。系统动力学模型的理论基础是系统动力学的理论和方法，其研究方法是计算机仿真试验法，关键任务是建立系统动力学模型体系[10]。

2.1 模型子系统及计算思路

本文的研究目的是计算某乘用车企业在2014～2020年应用各种节能技术后每年将增加的节能成本。根据各乘用车企业所应用的节能技术现状，将乘用车企业应用节能技术总成本分为发动机节能技术成本、变速器节能技术成本、轻量化节能技术成本、低风阻和低摩擦节能技术成本、先进电子技术节能成本5个子系统。考虑到国家现阶段对节能汽车的补贴政策，特别增加节能补贴子系统，子系统的相互关系如图1所示。本文以上述6个子系统为基础构建乘用车企业节能技术成本系统动力学模型。

本文乘用车企业节能技术成本模型的计算分析思路如下：

，

。

式中，Ce.s.t为企业应用节能技术成本；Ceng为发动机节能技术成本；Ctra为变速器节能技术成本；Clig为轻量化技术节能成本；Cfri为低风阻低摩擦节能技术成本；Celec为先进电子技术节能成本；Cco为企业节能技术综合成本；Sgov为企业所获国家节能补贴。

2.2 模型流图

系统动力学流图是系统动力学的基本变量和表示符号的有机组合，是描述系统结构的表达方式。它不仅能展示系统行为的结构背景，也能直观形象地反映系统结构和动态特征[11]。模型流图定义了那些引起行为的重要变量类型，能够表示不同性质变量的区别，刻画系统的反馈与控制过程[12]。绘制流图是构建系统动力学模拟模型的重要步骤。

根据乘用车企业节能技术成本系统内部各因素之间的关系设计系统流图，反映系统各因果关系中所没能反映出来的不同变量的特性和特点，然后通过流图中关系的进一步量化，实现节能技术成本仿真计算的目的。囿于论文版面，本文仅给出发动机节能技术成本子系统流图。如图2所示，乘用车企业发动机节能技术总成本取决于发动机节能技术产品的节能成本和节能技术产品的年装配量。本文分析的主要节能技术包括排气再循环（Exhaust Gas Recirculation，EGR）技术节能成本、可变进气歧管技术节能成本、缸内直喷技术节能成本、进排气气门连续可变正时（Dual Variable Valve Timing，DVVT）技术节能成本以及涡轮增压技术节能成本。各节能技术成本=（各节能技术节油性价比×节油率）- 各节能成本的消费溢价。

2.3 企业算例

2.3.1 变量参数取值及系统方程

2.3.1.1 获取系统数据

基于国内外相关文献和乘用车油耗测试数据，结合深入企业并对国内主要城市数百名乘用车车主的调研成果，得到乘用车主流节能技术产品的节能评价指标等数据，见表1。为更好地量化节油率和成本直接的关系，提出节能性价比的概念。

根据所研究乘用车企业的发展规划，整理得到乘用车年产量及节能技术产品配置比例，见表2。

2.3.1.2 参数取值

本文变量参数取值主要根据表1和表2中的数据进行取值，结合研究实际，在取值时需要注意以下几个方面：

（1）起止年度取值：初始时间ITIAL TIME=

2014，模拟结束时间FINAL TIME=2020，时间步长TIME STEP=0.5。

（2）各节能技术的节油率根据表1取值。

（3）各节能技术的节油性价比和消费者溢价，初始值根据表1取值，考虑到技术进步导致性价比和溢价下降，节油性价比和消费者溢价各年度取值按3%的比例逐年递减，用表函数表示。

（4）各节能技术的年装配量和汽车产量根据所研究乘用车企业发展规划（表2）取值，用表函数表示。

（5）满足国家节能环保车型标准的单车补贴标准为3 000元/辆（假设补贴给企业，对应油耗标准为：2014-2015年5.9 L/100 km，2016-2017年5.5 L/100 km，2018年5 L/100 km，2019-2020年4.5 L/100 km）。

确定各变量参数的取值后，建立系统方程。以涡轮增压技术为例，列出本文模型的部分取值结果和系统方程：

涡轮增压节油率=10%。

涡轮增压消费溢价

涡轮增压节油性价比

涡轮增压节能成本=涡轮增压节油率×涡轮增压节油性价比-涡轮增压消费溢价。

涡轮增压年装配量

发动机节能技术成本=选用节能技术产品（EGR、DVVT、VVL、TC、GDI等）的节能成本×节能技术产品年装配量。

2.3.2 仿真计算及结果分析

2.3.2.1 仿真计算结果

对各子系统和主要变量进行仿真计算，经仿真计算得到各节能技术节能成本计算结果和变化趋势（图3），其中变速器节能技术成本数值较低，图中显示基本与零线重合，具体变化趋势如图4所示。这主要由产品结构变化调整所致，逐步由价格相对低廉的AMT、DCT、CVT切换目前使用的4AT、6AT、8AT。单车节能成本变化趋势，如图5所示；乘用车企业节能技术成本、企业所获国家节能补贴和乘用车企业节能技术综合成本的计算结果和变化趋势，如图6所示。

2.3.2.2 结果分析

（1）某企业节能技术成本增加呈逐年上升趋势，这与未来油耗法规标准不断加严，所对应的技术要求不断提升的趋势相吻合。

（2）发动机技术、先进电子电器的应用是某车企未来节能技术成本增加的主要领域。这也与当前国际主流技术发展趋势（发动机升级挖潜是乘用车节能减排的主要途径，电子技术应用范围日趋广泛）基本一致。

（3）高效变速器应用带来的成本增加额相对较低。相对于传统的自动变速器4AT，DCT、CVT、AMT等高效自动变速器的成本增加较少，节能性价比高（表1）。某企业未来正是选择了DCT与AMT的技术发展路线，随着应用规模的不断提升，成本逐年下降，节能成本的增加相对较少。

（4）企业未来综合节能技术成本增加额与获取的政策补贴金额数量相仿，大概为节能技术总成本增加额的一半。

（5）企业未来单车节能技术综合成本实际增加额（3 220.67元）基本符合预期，即节能技术应用成本增加不应高于企业预判的未达标油耗法规的罚款数额（企业目前油耗水平7.05 L/100 km，2020年对应油耗法规限值目标为4.9 L/100 km，面临罚款额度为5 000元/车）。

综合以上分析，系统模型经过有效性检验证明模型是可信、可行的。

3 结论

我国油耗法规的日趋严格，对乘用车企业提出了更高的要求，为达成油耗目标而带来的成本增加是企业关注的重点。本文通过对乘用车节能技术成本的研究可以得出以下结论：

（1）节能技术应用带来的企业综合成本增加不是简单的技术成本叠加，而是一项复杂的系统问题。

（2）通过考虑主流乘用车技术，从节油率、成本增加情况、市场用户接受度、政策支持度等多个维度，借助系统动力学软件建立的乘用车企业节能技术成本分析模型可以有效反映乘用车企业节能技术成本增加情况，为企业未来油耗目标达成提供有力参考与数据支撑。

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作者介绍

责任作者：抄佩佩（1983-），女，河南焦作人。硕士，工程师，主要研究方向为汽车产业战略与技术经济研究。

Tel：13668058611

E-mail：chaopeipei@caeri.com.cn

通讯作者：沈斌（1982-），男，重庆人。硕士，工程师，主要研究方向为节能与新能源汽车产业与技术经济研究。

Tel：13594199026

E-mail：shenbin_ca@126.com

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