预测电池电动汽车与国内电动汽车相比的价值

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英文标题：
《Forecasting the value of battery electric vehicles compared to internal
  combustion engine vehicles: the influence of driving range and battery
  technology》
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作者：
JongRoul Woo, Christopher L. Magee
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最新提交年份：
2018
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英文摘要：
  Battery electric vehicles (BEVs) are now clearly a promising candidate in addressing the environmental problems associated with conventional internal combustion engine vehicles (ICEVs). However, BEVs, unlike ICEVs, are still not widely accepted in the automobile market but continuing technological change could overcome this barrier. The aim of this study is to assess and forecast whether and when design changes and technological improvements related to major challenges in driving range and battery cost will make the user value of BEVs greater than the user value of ICEVs. Specifically, we estimate the relative user value of BEVs and ICEVs resulting after design modifications to achieve different driving ranges by considering the engineering trade-offs based on a vehicle simulation. Then, we analyze when the relative user value of BEVs is expected to exceed ICEVs as the energy density and cost of batteries improve because of ongoing technological change. Our analysis demonstrates that the relative value of BEVs is lower than that of ICEVs because BEVs have high battery cost and high cost of time spent recharging despite high torque, high fuel efficiency, and low fuel cost. Moreover, we found the relative value differences between BEVs and ICEVs are found to be less in high performance large cars than in low performance compact cars because BEVs can achieve high acceleration performance more easily than ICEVs. In addition, this study predicts that in approximately 2050, high performance large BEVs could have higher relative value than high performance large ICEVs because of technological improvements in batteries; however low performance compact BEVs are still very likely to have significantly lower user value than comparable ICEVs until well beyond 2050.
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中文摘要：
在解决与传统内燃机车（ICEV）相关的环境问题方面，电池电动汽车（BEV）现在显然是一个很有前途的候选者。然而，与ICEV不同，BEV在汽车市场上仍不被广泛接受，但持续的技术变革可以克服这一障碍。本研究的目的是评估和预测与行驶里程和电池成本方面的主要挑战相关的设计变更和技术改进是否以及何时会使BEV的用户价值大于ICEV的用户价值。具体而言，我们通过考虑基于车辆模拟的工程权衡，估计设计修改后实现不同行驶里程的BEV和ICEV的相对用户价值。然后，我们分析了随着持续的技术变革，电池的能量密度和成本提高，BEV的相对用户价值预计何时会超过ICEV。我们的分析表明，BEV的相对价值低于ICEV，因为尽管BEV具有高扭矩、高燃油效率和低燃油成本，但其电池成本和充电时间成本较高。此外，我们发现在高性能大型车中，BEV和ICEV之间的相对值差异小于低性能紧凑型车，因为BEV比ICEV更容易实现高加速性能。此外，该研究预测，由于电池技术的改进，在大约2050年，高性能大型BEV可能比高性能大型ICEV具有更高的相对价值；然而，直到2050年以后，低性能紧凑型BEV的用户价值仍很可能大大低于同类ICEV。
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分类信息：

一级分类：Physics        物理学
二级分类：Physics and Society        物理学与社会
分类描述：Structure, dynamics and collective behavior of societies and groups (human or otherwise). Quantitative analysis of social networks and other complex networks. Physics and engineering of infrastructure and systems of broad societal impact (e.g., energy grids, transportation networks).
社会和团体（人类或其他）的结构、动态和集体行为。社会网络和其他复杂网络的定量分析。具有广泛社会影响的基础设施和系统（如能源网、运输网络）的物理和工程。
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一级分类：Computer Science        计算机科学
二级分类：Computers and Society        计算机与社会
分类描述：Covers impact of computers on society, computer ethics, information technology and public policy, legal aspects of computing, computers and education. Roughly includes material in ACM Subject Classes K.0, K.2, K.3, K.4, K.5, and K.7.
涵盖计算机对社会的影响、计算机伦理、信息技术和公共政策、计算机的法律方面、计算机和教育。大致包括ACM学科类K.0、K.2、K.3、K.4、K.5和K.7中的材料。
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一级分类：Quantitative Finance        数量金融学
二级分类：Economics        经济学
分类描述：q-fin.EC is an alias for econ.GN. Economics, including micro and macro economics, international economics, theory of the firm, labor economics, and other economic topics outside finance
q-fin.ec是econ.gn的别名。经济学，包括微观和宏观经济学、国际经济学、企业理论、劳动经济学和其他金融以外的经济专题
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PDF下载：
--> Forecasting_the_value_of_battery_electric_vehicles_compared_to_internal_combusti.pdf (1.44 MB)

2022-6-10 04:45:43 上传

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关键词：电动汽车 Quantitative Improvements Acceleration Modification

1预测电池电动汽车与内燃机汽车的价值：行驶里程和电池技术的影响JongRoul Wooa， Christopher L.Mageea，麻省理工学院数据、系统和社会研究所学士，马萨诸塞州剑桥市麻省大道77号，邮编02139-4307，美国麻省理工学院国际设计中心，马萨诸塞州剑桥市麻省大道77号，邮编02139-4307 通讯作者。电子邮件：jroul86@mit.edu; 电话：+1-617-386-33922抽象电池电动汽车（BEV）现在显然是解决与传统内燃机汽车（ICEV）相关的环境问题的一个很有希望的候选人。因此，许多国家的政府通过提供财政激励措施促进了消费者对BEV的采用，汽车制造商正在加速开发BEV。然而，与ICEV不同，BEV在汽车市场上仍不被广泛接受，但持续的技术变革可以克服这一障碍。本研究的目的是评估和预测与行驶里程和电池成本方面的主要挑战相关的设计变更和技术改进是否以及何时会使BEV的用户价值大于ICEV的用户价值。具体而言，我们通过考虑基于车辆模拟的工程权衡，估计设计修改后实现不同行驶里程的BEV和ICEV的相对用户价值。然后，我们分析了随着持续的技术变革，电池的能量密度和成本提高，BEV的相对用户价值预计何时会超过ICEV。

我们的分析表明，BEV的相对价值低于ICEV，因为尽管BEV具有高扭矩、高燃油效率和低燃油成本，但其电池成本和充电时间成本较高。此外，我们发现在高性能大型车中，BEV和ICEV之间的相对值差异小于低性能紧凑型车，因为BEV比ICEV更容易实现高加速性能。此外，该研究预测，由于电池技术的改进，在大约2050年，高性能大型BEV可能比高性能大型ICEV具有更高的相对价值；然而，直到2050年以后，低性能紧凑型BEV的用户价值仍很可能大大低于同类ICEV。关键词：电动汽车；内燃机车；电池技术；行驶范围3 1。简介：电池电动汽车（BEV）是一种节能型汽车，其尾气排放量为零，因为它们使用电动机和电机控制器代替内燃机进行推进，使用电池组代替油箱储存能量。由于这些技术特点，BEV作为解决气候变化和与传统内燃机车（ICEV）相关的空气污染等环境问题的解决方案，受到了广泛关注。因此，许多国家的政府通过提供财政和非财政激励措施，如免税、扩建相关基础设施、免费停车、打折/免费收费以及使用高占用率车道等，促进了消费者对BEV的采用[1-5]。此外，汽车制造商正在加快开发电动汽车[6]。

然而，与ICEV不同，BEV在汽车市场上尚未得到广泛接受。此外，与大众市场相比，高性能高价汽车的接受程度似乎更高。具体而言，2017年，美国销售的新车中有1.2%是电动汽车，但美国销售的电动汽车中有24.1%是特斯拉S型和X型，起价为74500美元（美国销售的ICEV中只有约1.5%的定价超过74500美元）[7]。许多研究人员指出，BEV市场渗透的主要障碍是电池成本高和行驶里程有限[8-14]。然而，BEV的最新技术发展为这两个领域提供了令人鼓舞的信号【15，16】。本文的一个工作假设是，只有当BEV能够为消费者提供的价值或效用与ICEV一样高或更高时，BEV才会在汽车市场上被广泛接受。因此，为了评估BEV在市场上的未来，重要的是调查与BEV驾驶范围和电池相关的设计变更和技术改进如何影响BEV的用户价值，以及这些影响是否可能使BEV的用户价值大于ICEV。ICEV和BEV本质上是运输人员或货物的移动机器。然而，ICEV和BEV的用户价值很难全面评估，因为消费者通常重视一系列广泛的客观和主观属性。在本研究中，我们开发了一个基于车辆属性的指数来评估ICEV和BEV的相对价值，这些属性由于ICEV和BEV的基本技术差异而可以区分。

先前的研究分析了车辆属性的边际效应，如价格和驱动碳定价或其他应对气候变化的激励措施，如果BEV被颁布，并且如果电力生产系统变得比目前更无碳，将改变BEV的用户价值。4通过对现有产品中的消费者选择行为和汽车市场需求建模，确定ICEV和BEV的用户价值范围【17-24】。然而，如果只考虑需求侧经验模型，则评估中长期的设计变更和技术改进如何影响ICEV和BEV的用户价值是有问题的。因此，我们超越了需求考虑，使用相对简单的用户价值指数来处理ICEV和BEV中的工程权衡。ICEV和BEV之间的技术差异影响消费者属性、这些属性之间的权衡以及ICEV和BEV的相对用户价值。因此，本研究估计了BEV和ICEV的车辆属性和相对用户价值的变化，这些变化是由设计变更导致的，以实现当前无法获得的行驶里程。这是在考虑基于车辆模拟的工程权衡时完成的。然后，我们分析了随着持续的技术变革，电池的能量密度和成本提高，BEV的相对用户价值预计何时会超过ICEV。我们忽视了其他许多或多或少对ICEV和BEV产生同等影响的技术变革。本文的其余部分组织如下。第2节描述了ICEV和BEV的相对用户价值指数以及我们在本研究中使用的模拟方法。第3节介绍了模拟和灵敏度测试结果。第4节解释了结果并讨论了其含义。第5节提供了结论。2、方法2.1。

ICEV和BEV的相对用户价值指数在本研究中，我们开发了一个指数来评估ICEV和BEV的相对用户价值。有许多车辆属性可为车辆用户提供实用性。然而，本研究开发了基于车辆属性的相对用户价值指数，根据关键技术差异表征ICEV和BEV在用户价值方面的差异。ICEV和BEV的根本技术区别在于，车辆的储能和能量转换的核心技术领域不同。ICEV通过在油箱中储存汽油来储存能量，而BEV使用电池以化学能的形式储存电能；ICEV使用内燃机，BEV使用电机和电机控制器来获得动力，以根据储存的能量运输人员或货物。ICEV和BEV中所用技术的这些根本差异会影响一些消费者属性，从而影响ICEV和BEV的相对用户价值。具体而言，由于当前技术水平的电池价格昂贵，但在能量密度方面低于汽油，因此BEV往往比同类ICEV更昂贵，行驶里程更短，内部空间更小。此外，与使用汽油为内燃机车充电相比，BEV需要更长的时间为电池充电。这些因素降低了BEV相对于ICEV的相对用户价值。另一方面，BEV在加速性能和运行成本方面优于ICEV，这些因素增加了BEV相对于ICEV的相对用户价值，因为BEV电机具有更高的扭矩，比内燃机更高效。

我们根据ICEV和BEV在技术和属性方面的差异，选择了车辆属性和适当的指标来构建相对用户价值指数，如表1所示。我们忽略了ICEV和BEV之间基本不变的其他车辆属性。表1：。相对用户价值指数的车辆属性和指标。消费者需求相关车辆属性低成本初始车辆购买成本制造商建议零售价（$）运营成本燃油成本（$）高利用率加速性能0至60 mph加速时间（s）-1行驶里程加油或再充电所用时间成本（$）满油或充电时间乘客和货物空间内部体积（立方英尺）我们构建了相对ICEV和BEV的用户价值指数，将表1中的车辆属性及其指标组合为等式（1）。这种线性方法有效地赋予每个属性相等的权重；虽然可能有更复杂的方法[26-28]，但没有任何信息可以用来估计所需的额外参数，因此线性方程是最佳近似。方程式（1）中给出的相对用户价值指数在技术上表示将空间承载能力移动单位距离与单位拥有成本的给定性能的比率。在本研究中，计算该指数是为了测量每年行驶13500英里的用户的ICEV和BEV的相对值。An和DeCicco【25】开发了一种通过将燃油经济性与性能和尺寸结合起来给出的车辆价值测量方法，并将其称为性能尺寸燃油经济性指数（PSFI）。我们的ICEV和BEV的相对用户价值指数可以看作是PSFI的扩展。平均而言，美国每位驾驶员的年英里数。

=13500英里[29]。6 (1)                                 方程式（1）中的总拥有成本是车辆一年的维护成本，通过添加初始车辆成本、燃料成本和加油或再充电所花费的时间成本来计算。具体而言，初始车辆成本是一年的车辆折旧成本，通过制造商建议零售价（MSRP）（$）乘以折旧率（%）计算得出。在本研究中，假设车辆折旧率为20%。然后将燃油消耗量（加仑/英里或千瓦时/英里）、燃油价格（美元/加仑或美元/千瓦时）和一年的车辆行驶里程相乘，计算燃油成本。加油或再充电时间成本代表加油或再充电时间造成的价值损失【31】。分别使用方程式（2）和方程式（3）计算ICEV的加油时间成本和BEV的充电时间成本。(2)           (3)                      这里，W代表驾驶员的时间值，假设为28美元/小时[32]。M表示一年的车辆行驶里程。  和  表示充满或加注燃油的行驶里程。假设驾驶员在加油或重新加注之前使用了80%的燃油。

然后  按80%计算   油箱容量（加仑）/燃油消耗量（加仑/英里）和   按80%计算汽车制造商通常保证BEV电池寿命为8年100000英里。特斯拉的保修期为8年，电池和传动系统的里程数不限。因此，在计算BEV的总体拥有成本时，本研究不包括与电池寿命相关的成本。2016年，一辆新车在美国的第一年平均损失约20%的价值，美国平均电价=0.095美元/千瓦时，美国平均汽油价格=0.061美元/千瓦时[30]。7电池容量（kwh）/燃油消耗量（kwh/英里）。f是家庭和工作场所充电的百分比，基线假设是BEV司机在家和工作场所充电的80%。  是每次在家充电所需的时间。我们假设家庭或工作场所的基本充电是在空闲期间进行的，因此  定义为仅连接/断开连接的时间，而不是充电所需的全部时间。然后，假设连接和断开只需要1分钟。  是在加油站或再充电站每次加油或再充电所需的时间，假设在加油或再充电期间，外部加油或再充电需要额外10分钟。表2显示了计算选定实际ICEV和BEV的相对值指数的示例（数据来自【35】）。图1显示了2013年至2016年相对价值指数与美国汽车销量之间的关系。从美国的燃油经济性数据中收集了用于计算ICEV和BEV相对价值指数的车型规格（车内容积、能耗、加速时间、充电时间、电池尺寸）。

环境保护署[35]和美国车型的汽车销量和MSRP数据收集自沃德的汽车年鉴[36]。图1显示了相关性——指数值较高的汽车往往在支持指数发展的市场上销售更多。然而，相对价值指数并不能完全解释汽车销售，因为相对价值指数中包含的属性以外的许多属性在消费者的汽车购买决策中起着作用，例如审美价值、安全性、保修、品牌声誉、转售价值和加油基础设施的可用性【37】。在我们进一步使用该指数时，我们假设这些属性不受BEV/ICEV决策的影响。目前，BEV司机80%以上的充电是在家和工作中完成的【33】。汽油泵通常需要1分钟才能为6加仑汽油加油。配备85 kWh电池组的特斯拉S型需要大约285分钟才能完全充电，配备25 kWh电池组的日产Leaf需要大约300分钟才能完全充电【35】。8表2。相对价值指数计算示例IcevsbevsbrandHondahondissannissanmodel2016 Civic2013 Civic2016 Leaf2013 Leaf相对价值指数() = A/B36.5525.6116.2315.65A。车内容积/加速时间(/s） =（1）/（2）13.1910.3911.7611.64（1）内部容积()113.4100.9116.4116.4（2）加速时间8.599.729.9010.00B。总成本/行驶英里数（2016美元/英里）=C/13500英里0.36100.40550.72440.7437 C。第一年新车总成本=D+E+F4873.635473.779778.7810040.11D。第一年折旧（2016美元）=（（3）–（4））  20%3888.003906.954302.005010.13（3）MSRP（2016美元）（4）联邦税收抵免（2016美元）E。