预测电池电动汽车与国内电动汽车相比的价值

燃料总成本（2016美元）=（5）  (6)    13500英里779.251355.99379.46400.99（5）燃油价格（2016美元/千瓦时）0.06140.09920.09480.1024（6）能耗（千瓦时/英里）0.941.010.300.29F。加油或充电所用时间成本（2016美元）206.37210.835097.324629.00（7）油箱或电池容量（kwh）417.93444.8925.0021.75（8）能耗（kwh/mile）0.941.010.300.29（9）行驶里程（英里）（10）加油或充电时间（分钟）2.12.2300.0240.0注：所有美元金额通过使用消费者价格指数（CPI）调整为2016美元。图1：。2013年至2016年美国汽车销售与相对价值指数之间的散点图9 2.2。ICEV和BEV的权衡模拟车辆属性之间存在工程权衡，决定了ICEV和BEV的相对价值指数。在本研究中，我们通过基于NREL的FASTSim软件的车辆模拟，考虑ICEV和BEV中的工程权衡，估计了随着ICEV油箱尺寸和电池尺寸的变化，BEV和ICEV的车辆属性和相对用户价值指数的变化。图2描述了与BEV和ICEV中油箱和电池尺寸变化相关的工程权衡。ICEV油箱尺寸或BEV电池尺寸的变化直接影响行驶里程、车辆重量、内饰尺寸和车辆价格，进而导致车辆重量的变化间接影响加速性能和燃油消耗。此外，这些直接和间接影响修改了相对价值指数。图2：。ICEV和BEV的权衡目前在美国市场销售的BEV中，日产Leaf（低性能紧凑型汽车）和特斯拉S型（高性能大型汽车）的销量最大。

我们将这两辆车作为两个汽车细分市场的起点-一辆假设的低性能紧凑型BEV，它是大众市场认可的替代品，另一辆假设的高性能大型BEV，它是高性能豪华BEV细分市场的替代品。此外，我们基于与假设BEV相当的假设低性能紧凑型ICEV和假设高性能大型ICEV进行了类似的估计/模拟，然后使用NREL的未来汽车系统技术模拟器（FASTSim）对BEV和ICEV之间的结果进行了比较【38】。FASTSim对ICEV和BEV进行建模，提供了一种简单的方法来比较动力系统，并评估技术改进对车辆效率、性能和成本的影响。10这两部分。我们为假设的低性能紧凑型和高性能大型BEV选择输入参数，假设电池比能量和电池成本处于2016年的水平（表3）。然后，我们还为假设的低性能紧凑型和高性能大型ICEV选择输入参数，这些参数与低性能紧凑型和高性能大型BEV相当（附录A）。表3：。

低性能紧凑型和高性能大型BEV的模拟输入参数分类参数低性能紧凑型BEV高性能大型BEV车辆阻力系数0.290.28正面面积（m2）2.072.14车辆滑翔机质量（kg）768.77车辆重心高度（m）0.530.53轴距（m）2.592.82电机功率（kW）电机峰值效率0.900.93电池变量：电池能量（kWh）从1到300从1到300电池比能量（kWh/kg）0.250.25电池成本（kWh/1000美元）3.333.33标记因子*1.51.5WheelNumber of wheelsTire radius（m）0.3170.334*在NREL的FASTSim软件中，组件成本乘以指定的标记因子，默认设置为1.5。该加价将制造组件的成本转换为对车辆的估计价格影响【39】。2.3. 电池技术的进步尽管许多研究人员指出，BEV市场渗透的主要障碍是电池成本高和行驶里程有限，但电池技术正在不断改进。因此，在本研究中，我们还模拟了由于电池技术的持续技术变革，未来BEV的相对用户价值何时可能超过ICEV。在我们研究的这一预测部分中，我们使用了一种公认的方法，通常称为广义摩尔定律（GML）。在这种形式主义中，技术性能是通过产出除以价格或其他约束（如重量）来衡量的【40】。在本研究中，我们通过两个指标来衡量电池的技术性能：重量能量密度（kwh/kg）和电池成本（kwh/$）。我们进一步遵循GML形式，通过假设技术性能趋势随时间遵循指数11函数，估计这些指标的技术改进率，以进行模拟分析，如等式（4）所示。

先前的研究已经实证证实，技术性能与时间之间的指数关系适用于各种技术领域，包括储能[40-47]。(4)      哪里  和  表示时间t和参考时间的技术性能, 对于技术领域i，指数常数  表示每年性能变化的百分比，可称为技术改进率。之前用于BEV的可充电电池包括铅酸（Pb acid）、镍镉（NiCd）、镍金属氢化物（NiMH）、锂离子（Li离子）、锂离子聚合物和氯化镍钠（NaNiCl），但锂离子电池被认为是现代BEV的标准。自1991年索尼发布首款商用锂离子电池以来，锂离子电池的能量密度显著提高，成本大幅降低。与其他电池技术相比，锂离子电池被认为是BEV的最佳选择，因为它具有大的储能容量和优异的比能量和能量密度。然而，锂离子电池在用于BEV时也有一些局限性，如成本高、可能过热和寿命有限[48]。在BEV中有一些很有希望的替代能源，如具有高能量密度的金属空气电池。尽管在有前途的电池方面取得了相当大的技术进步，但实际应用仍然具有挑战性[49]。因此，本研究的重点是锂离子电池。锂离子电池的技术性能随时间的变化如图3所示。

指数拟合的R2值相当高，表明广义摩尔定律适用于锂离子电池，正如它适用于已进行研究的大量其他领域一样。12图3。锂离子电池技术进步[50]。结果和讨论3.1。模拟结果1：ICEV和BEV的权衡我们基于NREL的FASTSim软件，模拟当电池大小从1 kWh更改为300 kWh（保持其他输入参数不变）时，假设的低性能紧凑型和高性能大型BEV的车辆属性和相对值指数如何变化。然后，我们还对低性能紧凑型和高性能大型ICEV进行了类似的模拟分析，因为ICEV油箱的储能容量从1 kWh变为800 kWh（约0-24加仑汽油）。低性能紧凑型BEV和ICEV的模拟结果分别如表4和表5所示。高性能大型BEV和ICEV的结果如附录B表4所示。低性能紧凑型BEV电池尺寸（kWh）范围（英里）的模拟结果为3.6132.6295.49155.39240.16293.61529.09722.55能耗（kWh/英里）0.280.310.310.320.330.340.380.420六十（s）8.118.298.719.139.7110.1512.2614.35内部体积（立方英尺）111.64111.13110.00108.87107.17106.04100.3994.74折旧（$/年），无税收抵免折旧（$/年），含税收抵免*燃料成本（$/年（）加油时间成本（$/年）无税收抵免的相对价值指数1.749.4812.4811.459.308.024.202.52有税收抵免的相对价值指数*1.7610.2914.0212.8210.268.764.462.63*美国联邦国税局税收抵免为每购买一辆用于美国的新BEV 7500美元13表5。

低性能紧凑型ICEVFuel storage（kWh）燃油箱尺寸（gal）0.01.53.05.98.911.914.817.820.823.7范围（miles）0.946.392.4184.3275.7366.6456.9546.8636.1724.9能耗（kWh/mile）1.0791.0801.0821.0851.0881.0911.0941.0971.1001.1040六十（s）9.209.239.269.319.359.399.419.459.529.58内部体积（立方英尺）111.73111.54111.35110.96110.58110.19109.81109.42109.04108.65折旧（$/年）燃料成本（$/年）换料时间成本（$/年）相对值指数1.8224.6128.0930.0030.5730.7030.7630.6530.4330.19图4总结了所有四种假设车辆（低性能紧凑型BEV和ICEV、高性能大型BEV和ICEV）的模拟结果，以供直接比较。图4-（a）、4-（b）和4-（c）显示了四种假设车辆的内部容积、加速时间和每英里总拥有成本与行驶里程的关系，这些关系是随着电池尺寸或油箱尺寸的变化而变化的。图4-（a）显示，随着行驶里程的增加，BEV的内部体积比ICEV的减少更多，因为电池需要更多的体积来存储与汽油相同的能量。类似地，图4-（b）显示，随着行驶里程的增加，BEV的加速性能比ICEV的下降幅度更大，因为电池需要更多的重量来存储与汽油相同的能量。然而，当行驶里程较低且避免了大量电池重量时，BEV的加速性能优于ICEV，因为电机的工作效率和功率都高于内燃机。图4-（c）显示，随着行驶里程的增加，BEV每英里的总拥有成本比ICEV增加更多。

图4-（c）中每英里的总拥有成本可分解为每英里折旧、每英里燃油成本和每英里加油或再充电所花费的时间成本。图5显示了四辆行驶里程分别为100、200、300和400英里的假设车辆每英里的分解拥有成本。图5表明，与ICEV相比，BEV的拥有成本更高，因为BEV的折旧和充电时间成本高于ICEV。BEV的燃料成本比ICEV低，但这不足以抵消高额折旧和充电时间成本。与ICEV不同，BEV的总拥有成本随着行驶里程的增加而迅速增加，这不仅抵消了充电时间成本的减少，因为BEV电池比ICEV油箱扩建更昂贵。14图4。核心属性作为行驶里程（英里）的函数15图5。每英里拥有成本分解图6和图7给出了BEV和ICEV两组车辆的总体比较。图6显示了在全套驾驶范围内，低性能紧凑型BEV和ICEV、高性能大型BEV和ICEV的相对值指数与驾驶范围之间的关系；该图显示，7500美元的税收抵免对BEV相对价值的影响不是很显著。该图还表明，最大化BEV相对价值指数的最佳行驶里程在70-100英里范围内，与消费者的实际产品一致。ICEV与BEV的标准化内部体积、加速性能（1/加速时间）、成本优势（1/拥有成本）和相对价值指数如图7所示。

该图表明，如图6所示，具有行驶里程的ICEV的相对优势不断增加，主要是由于随着里程的增加，成本优势不断增加。总的来说，图6和图7表明，BEV的相对值低于ICEV，因为尽管具有高扭矩、高燃油效率和低燃油成本，但BEV的电池成本和充电时间成本较高。图6和图7还显示，如果BEV的电池尺寸增大，并且BEV的行驶里程与市场上的ICEV相似，那么BEV和ICEV之间的相对价值差异会变得更大，这是由于电池成本较高（内部体积和驾驶性能变化的影响不太显著）。在图6中可以看出，BEV和ICEVs16之间的相对值差异在高性能大型车中小于在低性能紧凑型车中，因为BEV比ICEV更容易实现高加速性能。图6：。作为行驶里程函数的相对价值指数注：内部容积、加速性能（1/加速时间）、成本优势（1/拥有成本）和ICEV的相对价值指数，标准化为BEV的相对价值指数图7。标准化属性和相对值索引17 3.2。模拟结果2：电池技术的技术进步作为前面分析的扩展，我们分析了随着锂离子电池的能量密度和成本不断提高，BEV的相对价值指数何时可能超过ICEV。具体而言，锂离子电池技术的能量密度和成本每年分别提高约5%和13%（图3）。

锂离子电池的能量密度稳步上升，主要是因为阴极、阳极和电解液采用了新材料[14，50]。锂离子电池的成本也在稳步快速下降，但最近为了满足移动消费设备的需求，产量的增加可能高估了成本的技术进步率。这种生产规模变化降低了成本，并暂时提高了成本的技术改进率（k），但不会影响能量密度等指标的k。因此，我们假设锂离子电池能量密度（kwh/kg）将以每年5%的速度增加，锂离子电池成本（kwh/$）将以每年10%的速度减少，然后在2025年、2035年和2050年（保持其他输入参数不变）改变电池尺寸和油箱尺寸时，模拟假设的BEV和ICEV的车辆属性和相对价值指数。图8、9和10显示了预测模拟结果。具体而言，图8显示了低性能紧凑型BEV和ICEV、高性能大型BEV和ICEV中相对值指数和行驶里程之间的关系。2016年、2025年、2035年和2050年，ICEV的标准化内部容积、加速性能（1/加速时间）、成本优势（1/拥有成本）以及与300英里行驶里程BEV的相对价值指数如图9所示。此外，2016年、2025年、2035年和2050年行驶里程为300英里的BEV和ICEV每英里的分解拥有成本如图10所示。

图8-（a）和8-（b）表明，由于锂离子电池的技术改进，到2050年，高性能大型BEV的相对价值指数可能高于高性能大型ICEV，但低性能紧凑型BEV的价值仍将显著低于可比ICEV。此外，这些数字还表明，最大化BEV相对价值指数的最佳行驶里程增加。2035年和2050年，最佳行驶里程分别约为200英里和350-400英里。图9和图10显示了这些预测改进的来源由于电池成本的提高，BEV的价格与ICEV相比更具竞争力，并且由于电池能量密度的提高，BEV的加速性能变得更好。18图8。行驶里程相对值指数（英里）：2016、2025、2035、2050。注：ICEV的内部体积、加速性能（1/加速时间）、成本优势（1/拥有成本）和相对价值指数与BEV的标准化值。图9：。归一化属性和相对值索引19图10。300英里练习场每英里总拥有成本的分解3.3。仿真结果3：灵敏度测试在上述仿真中，一些关键输入参数固定在我们判断为最佳估计的位置。然而，对于这些输入参数的合理变化是否会显著改变我们的模拟结果的含义，仍存在不确定性。因此，在本节中，我们分析了模拟结果对输入参数变化的敏感性（电价、汽油价格、家庭充电百分比、时间价值、充电时间、电池成本加价系数、锂离子电池的技术改进率），以探讨这种不确定性。