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电动汽车在中国的定价困境和解决方法
摘要
交通运输部门不久将引入插电式混合动力汽车，这一举措会引发一系列与其相关应用及其对电力行业的影响的争议。它们的引入很有可能大幅度减少交通运输部门的碳排放量，因此也得到了政府相关政策的大力支持。如果想要大力推广插电式混合动力汽车，那我们必须要考虑现有政策对它们的应用率的影响。在此项研究中，我们展示了一个微观水平电力需求模型，它能估量插电式混合动力汽车对日常的电力消耗以及对汽车日后的经济吸引力的影响。我们表明消费者对于电力定价政策的接受程度在插电式混合动力汽车的经济竞争力中起到及其重要的作用。深入的分析也表明加利福尼亚州日益完善的电力定价系统将大大减少其插电式混合动力汽车的应用率。充电费用也将会为所有州的插电式混合动力汽车提供更大的经济吸引力。
1简介
交通运输行业是美国经济的重要组成部分，主要使用化石液体燃料，因此，该行业对这些燃料有很大的需求。在美国大约百分之七十的石油应用于交通运输行业。最近对于石油高价，石油依赖性，能量供应短缺和气候变化的关注促使公共企业和私人企业寻求可替换能源。电力就是一个有前景的替代物。近年来，汽车公司致力于开发和提炼技术来制造更先进的汽车将电力作为主要能量来源，代替了汽油。如果这些汽车上市了，那他们极有可能大幅度减少石油消耗并对环保有很大的益处。目前有几篇论文已评估了使用插电式混合动力汽车的经济和环保影响。然而，它们没有使用清晰易懂的模型和模拟的方式来评估在微观层面上将这些汽车应用于家庭用电的影响。
我们认为微观层面的政策暗示将影响插电式混合动力汽车的经济竞争力。虽然加利福尼亚州现有的电价满足了电动汽车和具有发展前景的插电式混合动力汽车的需要，但我们表明，以旨在减少电力消耗的太平洋燃气电力公司计划为代表的加利福尼亚州现有的日益完善的定价系统，较之混合动力和标准汽车可能会破坏插电式混合动力汽车的经济竞争力。我们审查了插电式混合动力汽车，混合动力汽车，标准汽油汽车的相关经济竞争力。加利福尼亚州及其电力定价系统被视为一个基本的案例。加利福尼亚州的电价是美国最高的电价之一，2007年住宅区平均电费14.42美分/千瓦时，其中35%高于美国的平均水平，已就位的日趋完善的定价计划很有可能阻止更多的电力消耗，环境外貌和电力产品，主要是空气污染和温室气体。
此研究的目的就是确定较之其他选择，电力定价制度可能会对插电式混合动力汽车产生什么样的影响。许多州有稳定的电价或甚至是下滑的价格系统。为了给这次的分析做出比较，我们比较了加利福尼亚州现有的系统和可供选择的稳定的价格系统（有着同样的平均成本），假设电力需求数量不变。我们用相等的需求假设来直接比较两个价格结构以及插电式混合动力汽车，以找出日常需要的量。
考虑将加利福尼亚州作为一个例子有很多重要的原因。加州是美国人口最多的州，大约有3600万居民和2000万轻型汽车。加州本身就是一个相当大的市场。
加州早期也有应用环保科技的传统，另外，加州的混合动力汽车的应用率也典型比国家的平均水平要高，这意味着在这个艰难的市场失败对科技来说可能会是个很严重的后果。
2 电力定价
加利福尼亚州有一种递增的阶梯价格，这种阶梯的底层价格最低，根据各个家庭消耗的增长，这个价格又另外分为三个不同等级的价格，用户使用了基本电的130％,200％,300％时，就会产生更高的阶梯价格。另外，基础电力消耗根据每个地区，季节的变化而变化。同样，加利福尼亚州也会在一天中通过选择不同的使用时间来改变电的消耗。夏天每天有三个这样的时间段，冬天两个。递增的阶梯价格同样适用于使用时间价格体制，顾客可以选择使用时间价格与否，但是他不选择时间价格体制，就会面对递增的阶梯价格体制。
二十世纪九十年代，电动汽车得到推广。为此，加利福尼亚州为消费者提供了各种电价表。太平洋燃气电力公司为消费者提供两种选择，其均可在税率表E-9中找到（太平洋燃气电力公司，2009年). 方案一是汽车充电所用电力纳入现有的家庭用电中，方案二是汽车充电单独计算。对于消费者而言，这两种方案各有好处。本次研究将解决该问题。方案一中公共电力的用量限制了插电式混合动力汽车在家用电量中的充电时长。虽然说该方案可以提供消费者选择，但是在本次研究中不予讨论，因为其涉及全系统效益，并非本次研究重点。
3 插电式混合动力汽车
两个重要种类的汽车正在崛起，纯电动汽车和插电式混合动力汽车。纯电动汽车只依赖电来提供动力，而插电式混合动力汽车将电力存储在电池中作为最基本的动力方式，但也有备用的电力来源，典型的就是汽油。此项研究只关注插电式混合动力汽车将上市汽车作为基础以供参数选择。未来上市的插电式混合动力汽车的技术规格一直备受争议。电池大小，充电时间，最大放电率，重量，寿命，尤其是成本这个重要的参数，可能会影响插电式混合动力汽车的市场渗透力以及最终的社会效益。为了完成对一个家庭使用插电式混合动力汽车可能节约的燃料的成本-效益分析，美国阿贡国家实验室检测了许多不同的插电式混合动力汽车和传统的混合动力汽车的构造。阿贡国家实验室的结果表明对于一辆插电式混合动力汽车来说，如果当一辆纯电动车最远行驶距离大约为40公里，节约的燃料相当于现有价值1380美元。而另一项研究则着重于插电式混合动力汽车的电池重量，充电模式，以及它们对经济和环保效益的影响。
这表明对于小型的电池尺寸的插电式混合动力汽车来说，在纯电动车的模式下思维行驶距离会小于20公里，但它的经济和环保效益同样比混合动力汽车和传统的动力汽车更有优越性。布拉德利和弗兰克（2009）又重新考察了许多示范汽车的汽车构造，能量管理系统，传动系统提供你，能量存储系统的设计规格，并得出结论：对于一辆依赖全电式行驶距离的小型插电式混合动力汽车来说，CO2的排放量预计能减少40%-53%。最近一项对于插电式混合动力汽车在爱尔兰的实施情况的研究得出结论：插电式混合动力车能够减少一次能源的需求和二氧化碳排放的强度(史密斯,2010)。然而,在2009年度能源展望(环评,2009),环境影响评价的结论是,除非汽油价格达到每加仑6.00美元,插电式混合动力车将不会对消费者的吸引力。NRC的研究结论得出这个数字有点少4.00美元。
前人也进行过在美国电力网上采用插电式混合动力车并估计其影响的研究，例如，卡特·梅尔等人（2007年）曾研究插电式混合动力车在不增加发电量的情况下，估计其现有的发电容量的最大值。 他们的研究只估计了插电式混合动力车在采用填谷技术的情况下非高峰时段的所有发电容量。结果导致美国73%轻型车辆支持这一技术。国家可再生能源实验室也曾进行过另一项类似的研究，假设使用应用程序可以控制车辆充电，结果表明插电式混合动力车50%的渗透率将增加5 %至10%人均用电量需求。虽然这些研究为广泛引用插电式混合动力车可能获得的最大利益划定边界，但他们简单的充电假设使其研究结果不能作为政策和基础设施决策制定的可靠依据。
有更详细的研究，考虑到更现实的充电方案，在佛蒙特州进行了使用研究，。四个充电方案可以概括为：预计在第一二个充电方案下，全州的高峰负荷将大量增加，而而后两者则倾向于均匀一天中的负荷。这个研究一个明显的缺点就是以混合电动汽车为例子用于计算的仅仅是20英里的电动范围，并假定每次都需要一次完整的充电时间段。到目前的研究，这可能是相关报告中的一个限制。勒穆瓦纳等人的研究报告了插电式混合动力车在加利福尼亚市场的作用，也假设每次旅行是足够长的时间来完全耗尽电池。但是这忽略了交通运输方面的问题，其中旅行的长度和持续时间可能在数量上发挥作用，需要将电池的电力完全返回到充满电的状态。对报告中的三个充电方案进可以概括为：最佳充电，晚上充电和两次充电。每个方案用汽车的燃料成本进行比较，根据电动汽车变电费用和汽油价格。据报道，相比传统汽车，插电式混合动力汽车在20英里的电力范围内，预计每年将获得约400美元的燃料节省。然而，其中不明确的一点是作者提出的计算净现值时的电价储蓄假设。Park等在路易斯地区提出了另一种基于来自全球定位系统数据的小数据集的场景收费。虽然适合他们的研究背景，本研究仍需要一个在全州分析中更具有代表性的数据集。
4 方法论
在这项研究中，我们使用了电力负荷的预测方法和经济分析的综合运用，以确定插电式混合动力汽车在住宅式家庭中的影响。电力预测模型一般可以分为两种：自上而下和自下而上的两种方法。第一种方法基于历史数据的高聚集程度预测未来的电力消耗。最常用的预测方法如回归、时间序列，模糊逻辑，神经网络和专家系统都在这一类别。所有的方法描述依赖于大量的历史数据。电力消耗的增量变化发生缓慢，可认为这些是自上而下的预测模型，但是电力使用模式在预测自由基变化混乱是由于这些模型使用的是过去的数据。
自下向上的预测方法在家庭层面电力消耗使用工程模块，打破家庭用电的低水平使用到应用水平。前一种模型是一种在挪威的家庭层面预测的电力使用范围的工程模型。后一种模型是更先进的自下向上的模型，已被开发和应用到芬兰家庭。该模型根据国家设备水平饱和度来代表家庭层面水平。每一个设备分配每小时开始对于平日和周末使用概率。当设备处于运营时，指定或不使用周期和待机负载。每个家庭实例中指定一个应用设备，然后根据随机数比较的结果逐时起动概率确定一天中每小时运行或停转状态。然后，根据他们的使用情况在个人设备的基础上计算出每个设备在日常生活中需要的用电量。此外，在一年的日常需求过程中，调整季节性负荷因子以对应的结果差异。一个模型的运行结果可以是结果结合以确定家庭平均使用配置文件。
自下向上的模型打破家庭用电的应用水平，添加插电式混合动力车到家用电器列表和检查采用插电式混合动力车能源使用的影响。在本文中，我们建立和扩展了一个基于帕·泰罗和隆德框架的自下向上模型，研究分析电力消费在采用插电式混合动力车的家庭层面的影响。该模型的框架是建立在两个主要组件：数据集和模拟引擎。第一个组件可能出现在家用电器的饱和水平，特别是每天的使用频率，个人资料的使用电器，一个特定的设备所需要的待机功率和家电运转周期。第二组件包括一组随机模拟过程，生成用于所有电器的时间，每个家庭的用电设备分别按每小时的时间量和金额，生成家庭家电平均电力负荷曲线。
本研究不同于在文献中提出的一系列重要方式。首先是范围：一位学者的最高学识也不能适应包括插电式混合动力汽车在内的家电负荷模型。因为在家庭层面，充电式混合动力车的采用将大大改变家庭的电力负荷曲线，这是一个很重要的考虑电的使用模式，特别是在使用电力定价的时候以规范真正成本的效果。这种自下向上的观点将有助于提供更准确的插电式混合动力车的采用图片，因而在宏观上比以往获得更多的收益。其次，本研究采用更多的假设，更紧密地预估未来混合动力汽车的规格和使用模式。虽然以往大多数的研究都集中在全电动范围在20英里范围内的插电式混合动力车，我们选择使用激活40英里作为充电距离支持模式。另外，虽然以前的研究已经假设，由于短电池每一个充电的范围将是一个完整的充电，这项研究允许考虑更长时间的电量消耗可能性，提供足够的全电动范围来完成一个家庭的日常驾驶需求。通过抽样调查全国每天距离驱动分布来确定每个家庭的日常驾驶距离。这个每日距离可以转换为一个电池耗尽的数值或全电池消耗与汽油消耗的组合。考虑到模型的使用数据，家庭负荷量和时间的准确性对混合动力汽车的使用只能通过实际的改进。最后，作者研究电力价格会如何以潜在的因素来吸引一个插电式混合动车消费者，这一点在已有的文献中没有充分的研究。正是通过这个关于商业混合式电力车更现实的商业假设和插电式混合电力车的使用模式的整合，作者认为：混合式电力车的使用可以得到更准确的与成本和利益相关的家用电负荷曲线模型。
4.1基线设备
在研究中每一个家庭的电力需求时是由两部分组成：基线家庭电力需求和混合动力汽车的电力需求。基准电力需求从家庭一组常见的家用电器中开采出来的。加利弗尼亚家庭家电产品的可用性数据是来自美国能源信息—政府的住宅能耗调查收集（环境影响评估，2008）。一个设备的存在及其用电调节，必须根据夏季和冬季温度分布来使用，如果65楼的温度高于根据相关规定—加利弗尼亚独立系统运营法规定的基线（卡西欧），则一天的最高温度是分布的温度。此外，对所有的设备，除了空调，负荷预分配分配的历史数据为平日和周末，在夏季和冬季使用一个回归工具。照明用家用电的使用加利弗尼亚住户调查。重要的是要注意，这一数据的显著差异从能源信息管理（环境影响评估）住宅能耗调查数据获得。这组数据是加利弗尼亚特定的，而环境影响评估数据是所有美国家庭的一个平均数。洗衣机和水加热数据被改编自伯克利劳伦斯的研究国家实验室。待机功率要求如电视机、DVD机等家电、机顶箱，计算机和应答机是从一个加利弗尼亚市家庭备用电力消费研究中获得。其他每小时使用概率电器是改编自家庭能耗调查（环境影响评估，2008）和2008建筑节能数据书（研发国际，2009）。
4.2插电式混合动力车
插电式混合动力车相对于远距离旅行处于劣势。电池内的电力将在40英里范围内使用完毕，第一次排放后的旅行是一个假定的汽油维持消耗模型。插电式混合动力车的电池容量是16千瓦时，有效容量被假定为8.8千瓦时，也就是约0.22千瓦时每英里。这个插电式混合动力车也被认为是从一个传统的110伏的充电电源插座，考虑到电池后充电器的效率低下，其值分别是0.85和0.82，（杜瓦尔，2002）充满电池需要约8小时的充电时间。在这项研究中有两个可比较的插电式混合动力车的备用车辆，一种定期内燃机车和一种传统的混合动力车。雪佛兰代表前者，后者是丰田普锐斯。两种车被认为是性能和尺寸相媲美。虽然普锐斯还包含一个电池组，能提供—发展的推进，它与插电式混合动力汽车不同的是它使得它不能仅仅依赖于电池，因此它仍然是高度依赖汽油为能源的模式。用于建模的参数车辆将在稍后的部分提出。
4.3充电方案
对于在不受控制情况下充电，每小时车辆的使用数据（美国，2009）用来分配每小时起动一种家用插电式混合动力车的概率。为了获得这一数据，自定义表格由N
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