论文研究-基于续航能力需求的新能源汽车产业链补贴策略研究.pdf

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论文研究-基于续航能力需求的新能源汽车产业链补贴策略研究.pdf,  新能源汽车在产销量获得突破之后,充电基础设施不足成了制约进一步发展的重要因素,依靠新建短期内无法解决,着力提升汽车续航能力成为现实的可行选择.从产业链协调的视角出发,基于消费者续航能力需求,通过构建产业链一体化决策和独立决策模型,研究了新能源汽车产业链中电池生产商和汽车生产商的最优决策与协调问题,分别得出了两种决策下的最优
第7期 马亮等:基于续航能力需求的新能源汽车产业链补贴策略研究 1761 源汽车的续航能力(电池能量密度水平)和价格,实现利润最大化;2)产业链一体化决策和独立决策情况下, 消费者续航能力需求对新能源汽车的续航能力,价格,市场需求和产业链利润的影响;3)在独立决策下,要实 现产业链的协调,是否可以通过设计产业链上下游的补贴来实现 3问题描述与模型假设 在产销量获得巨大突破之后,充电基础设施不足造成的“里程焦虑”制约着新能源汽车产业的进一步发 展提升汽车续航能力是可行的解决方案之一续航能力提升依靠电池能量比1(能够提高新能源汽车的续航 能力,降低驾驶者的“里程焦虑”)的突破才能实现.从产业链的角度综合考虑新能源汽车生产个业和电池生 产企业的生产决策,设计能够使整个产业链利益和续航能力最大的协调机制,是本文的研究思路和创新点 以新能源汽车产业链为研究对象,分析由一个电池生产企业和一个新能源汽车生产企业组成的产业链系 统.电池生产企业釆取技术研发策略提高电池的能量比,但提高电池的能量比需要投入一定的技术成本.很 明显电池生产企业要根据技术成本确定电池的能量比和价格,新能源汽车生产企业根据电池价格和消费者续 航能力需求确定新能源汽车的价格.根据研究需要,借鉴文献(25]和[26做以下假设: 假设1:电池生产商单位产品的生产成本和价格分别为cb和pb,其中pb为决策变量 假设2:假定新能源汽车的初始纹航能力为孑,电池生产企业进行技术研发活动提高了电池的能量比,从 而提高续航能力到g,有0<了<9.g是电池生产企业的决策变量.木文采用技术研发的A-J模型,假设电 池生产企业的研发成本为cg)=k(9-可)2,k为企业研发成本系数 假设3:新能源汽车的市场需求为Q=a-bn+τg,即市场需求是价格的线性减函数,是续航能力的 线性增函数.其中a为新能源汽车的潜在市场需求,b为新能源汽车的价格弹性系数(b>0),r为消费者对 续航能力的敏感系数(1>r>0),pn为新能源汽车的价格,cn为单位生产成本,有pn>cn>pb>cb>0, pn为新能源汽车生产企业的决策变量.又假设cn=入pb,入>1,即电池在新能源汽车生产成本中占的比例 为1/入.根据以上假设可得电池生产企业的利润为 Ib=(pb-cb(a-bpn+r9-k(g-9 新能源汽车生产全业的利润为 IIn=(pn -Cn(a-bpn +rg 4模型分析 41新能源汽车产业链一体化决策 产业链的利润为: (Pn-(X-1)pb-c)(a-bpn+79)-k(9-5 为保证新能源汽车的市场需求大于零和产业链利润最大化,假定存在约束条件:0<了<(-bc+a)/r, 0<r<2√(kb 为简化计算,令c=(A-1)P+c代表产业链总成本,则产业链的利润为 +T9)-k(9-) (4) 由式(4)得知Ⅱ的Hes矩阵为 (5) 26 由于2=-2k<0和|H=4kb-72>0,可见Ⅱ是关于pn和g的严格凹函数存在最优解.分别 求(4)式关于pn和g的一阶导数并令其等于零, a-2bpn+be+r9=0,m=T(Pn-c)-2k(9-可)=0解之可得,p 2R(bc+a+T9)-T2c g*=坐M+(代入(1)和(2)可以得到产业链一体化决策下新能源汽车的市场需求和产业链的利润为 2kb(a-bc+Tg 4b左-T 4b- 1.新能源汽车电池的研发目标主要有提高能量比,降低成本,提高安全性等,这里主要考虑提高能量比 1762 系统工程理论与实践 第38卷 命题1在产业链一体化决策下,给定新能源汽车的初始续航能力和消费者的续航能力需求水平、则产 业链系统的最优决策为(P9),此时新能源汽车的市场需求为Q*,产业链系统的利润为Ⅱ 推论1在一体化决策下,如果满足0<g<"如,0<T<2√b,新能源汽车的续航能力和市场价格都 随着消费者续航能力需求的增加而增加 证明根据命题1有m--0+Ax=14(=0);为方便讨论,我们令(T)-(0-b)r2+8k7r+ 4kb(a-bc),很明显f1(r)是关于r的一元二次方程且开口向上,其判别式为△-16kb(4kb2-(a-bc)2),可见 当7>m时方程有解两个解分别为:=-b4,n 4k6+2y/kb(4k672-(-bc+a)2 显然<可<0,均非可行解,显然有当<页<,0<7<2√体时如>0另若0<7<2k 0<7<2亦有>0 同理可证,0<了<如,0<T<2√所b时存在mn>0.证毕 推论1表明在一体化决策下,如果新能源汽车的初始续航能力较小,消费者对续航能力的最大需求低于 某一阈值,汽车的续航能力会随着消费者续航能力需求的提高逐渐提高.这是因为只有在初始续航能力不是 很高的情况下,电池生产商才能够通过技术创新提高电池的能量比,从而提高新能源汽车的续航能力.反之, 电池生产企业技术突破的空间有限,或者消费者对续航能力的需求非常高,电池生产商无法达到,都会降低 电池生产商开展技术创新活动的积极性,从而无法提高新能源汽车的续航能力.同时,随着电池生产企业技 术创新活动的开展,电池成本会提升,消费者也愿意为更高的续航能力支付高的价格,从而导致新能源汽车 价格上升 推论2在产业链一体化决策下,如果满足0<可<,0<7<2kb,新能源汽车的市场需求和整个 产业链的利润随着消费者续航能力需求的增加而增加 证明过程与推论1类似,读者可自行证明或来函索取 推论2说明,如果新能源汽车的初始续航能力较小,消费者对续航能力的最大需求低于某一阈值,一体 化决策时,新能源汽车的市场需求会随着消费者对续航能力要求的提高逐渐提高.这是因为市场上出现了续 航能力更高的新能源汽车,消费者需求得到进一步的激发和满足,需求量上升,同时随着价格的上升,整个产 业链的利润也在上升 42电池生产企业和新能源汽车生产企业独立决策 两家企业独立决策时均以自身利润最大化为决策日标,决策过程为:首先电池生产企业根据研发成本确 定电池的能量比(决定了新能源汽车的续航能力,两个指标是正相关的)和价格.然后新能源汽车生产企业根 据电池价格和市场需求决定新能源汽车的价格.在产业实际中,电池生产商完全了解汽车生产企业的定价反 应,所以该博弈过程可以用以下博弈模型表示: max llb=(pb-cb(a-bpn+T9)-k(9-9 g, pn s.t. maxIIn=(pn -Cn(a bpm t T9 其中,cn=入p,A>1,为保证新能源汽车的市场需求大于零和产业链利润最大化,假定存在约束条件:0< g<s,0<σ<2√zkbλ.独立决策模式实际上是完全信息下的两阶段动态博弈,均衡是子博弈精练纳什 均衡,用逆向归纳法求解. 很明显I是关于p的凹函数有p=t+x,代入(6)中有I=(Pb-c)(a-bp+79)-k(9-7)2 同样通过Hess矩阵的判断Ib是关于pb和g的严格叫函数,存在最优解.解之可得: 8kAb了+a-Abcb 4h(Abcb t a+r9)-cb 8bk入 2k(Abcb+3+7了)- 2k:入 Nb( Mbb+n+7了 8bk入-x2 8bk入 k(a- abcb+rg) k2b(a-beb+7了) 8bk入 8bk入- 命题2独立决策情况下,给定新能源汽车的初始续航能力和消费者的续航能力需求水平,则电池生产 商和新能源汽车生产企业的最优决策为(9*,*)此时新能源汽车的市场需求为Q*,电池生产商和新 能源汽车生产企业的利润为∏*和x 第7期 马亮等:基于续航能力需求的新能源汽车产业链补贴策略研究 1763 推论3在独立决策的情况下,如果满足0<了<“N,0<7<2√2kb,新能源汽车的续航能力和市 场价格都随着消费者续航能力需求的增加而增加 推论4在独立决策的情况下,如果满足0<<a,0<<2V2kb,新能源汽车的市场需求,电池 生产商和新能源汽车生产企业的利润都随消费者续航能力需求的增加而增加.证明过程同推论1,此处从略. 如同推论1和推论2,推论3和推论4也说明了在独立决策的情况下,如果新能源汽车的初始续航能力 比较小,消费者对续航能力的最大需求低亍某一阈值,新能源汽车的续航能力,价格,市场需求和产业内企业 的利润会随着消费者对续航能力要求的提高逐渐提高. 43两种情况的比较分析 比较命题1,命题2及其推论,可得: 命题3新能源汽车初始续航能力低时,两种决策方式都比较有效,当初始续航能力逐渐提高,则产业链 一体化决策更为有效 命题3说明给定新能源汽车的初始续航能力,无论是一体化决策还是独立决策,新能源汽车的续航能力, 价格,市场需求和产业链利润,随消费者对续航能力的需求增加而增加.但分析推论1~4的适用条件可以发 现,新能源汽车产业发展初期,初始续航较小时,无论一休化决策还是独立决策,随着消费者需求的提高新能 源汽车的续航能力,价格,市场需求和产业链利润都会上升;但随着产业的发展,续航能力逐渐提升,独立决 策时将很难实现产业链最优化,一体化决策仍然叮以实现 命题4给定新能源汽车的初始续航能力,在一体化决策和独立决策的情况下新能源汽车的续航能力, 价格,市场需求和产业链利润满足:1)当0<T<2V做时,g>9*,Q*>Q*,Ⅱ“>I*+I*;2)当 0<7<2√2kb时,<P;当2Vkb<r<2V2kb时,P>P 证明将命题1和命题2比较: 4k切+(-bc+a) 8b- 8k AU Q*8b入 >0 2k(-c+a+7) 4bk Q 46k 2k入b(-Abe+a+r9) 8bk入-72 k(bc+a+r9 Iy*+Ilny 40k: -T2 H:(40kA +1)(Abc+a+rg) 2k(bc +a+Tg-T2c 2k(Abcb +3a+T9)-CbT 46k 8bk入 (c+cb)74+(2(a-(X+1)b-(X+1)cb)72+862(b(2入+1)(b+ (4bk-72)(8bk入-72) 明显有当0<T<2V时,mn-p<0当2k<T<2√Kb时,mn-p>0.证毕 命题4说明,产业链一体化决策比独立决策时新能源汽车的续航能力更高,市场需求更大,产业链的利 润更高.是一种更优的决策方式 5新能源汽车产业链的补贴协调 由以上分析可知,如果新能源汽车产业链内电池生产企业和汽车生产企业独立决策,必将产生“双重交 易”带来的“双重边际效应”,使得产业链利润和汽车的续航能力均低于一体化决策时.但新能源汽车产业链 的一体化决策在实际中很难实现,我们这里设计一个产业链补贴机制,通过新能源汽车生产企业向电池生产 商提供补贴(S),达到新能源汽车产业链的协调 补贴协调机制下的电池生产商和新能源汽车生产企业的利润分别为 D(a- bpn +Tg)-k(g Cn(a-bpn +rg) 命题5给定新能源汽车的初始续航能力和消费者的续航能力需求,如果电池生产企业提供的电池价格 为p8=xx,汽车制造企业向电池生产商提供的补贴满足0<S<-(8Xb=7)x,则整个产业链实现 协调 证明将Cn=A代入(9)式,并求关于pn的一阶导数令其等于零,有mn=Am+,为了使补贴 下的新能源汽车续航能力和产业链利润达到一体化决策下的水平,令当=m,可得D=,此时 1764 系统工程理论与实践 第38卷 S (6+-8,为保证新能源汽车生产企业愿意提供补贴即需保证m>0,可得新能源汽 车生产企业向电池生产商提供的补贴需满足0<S< 4k2b(a-xcb+7可) 8入b 得证 命题5说明,设计了补贴机制之后,只要电池的价格和补贴额满足一定的条件,就可以实现一体化决策 下的最优策略.电池生产企业获得进行技术创新的资金保障,新能源汽车生产企业获得满足需求的电池,新 能源汽车的续航能力提高,市场需求增加,价格更高,消费者的需求得到满足,产业链的利润实现最大化. 6算例分析 在研究假设的基础上,取a=100,Cb=10,b=1,k=25,了∈(1,15).根据新能源汽车蓝皮书《中国新能 源汽车产业发展报告(2016)》中显示,新能源汽车成本中,电池占一半,即令入=2.根据《新能源汽车用电 池行业凋査数据分析报告(2016版)》中的“2015年新能源汽车行业关键经济指标”显示新能源汽车电池生 行业的资产收益率平均为28%,利润率为15%,毛利率16%,净利率14%,这里取新能源汽车电池生产行 业利润为25%,即(Pb-cb)/cb=0.25,可得c=2cb,验证以上结果 6.1续航能力需求对新能源汽车价格的影响 图1显示无论是一体化决策还是独立决策,新能源汽车的价格都随着消费者续航能力需求的增加而增 加在续航能力需求较低时,独立决策时新能源汽车价格较髙,续航能力需求较高时,一体化决策时价格较髙. 随着新能源汽车产业的发展和消费者续航能力需求的提高,一体化决策相比独立决策,新能源汽车价格更高, 企业可以获取更多的利润.可见本文考虑产业链的体化决策和协调,对产业链企业是有利的 500 10二÷x一“一一 200 6 一体化决策 体化决策〓·分散决策 一体化决策〓-分散决策 g=10 =15 图1续航能力需求(π)对新能源汽车价格的影响 分析中发现,初始续航能力对结果影响不大,在以下分析中令=10. 6.2续航能力需求对新能源汽车续航能力的影响 250 1 6 ··一体化决策 分散决策 ∴一体化决策一·分散决策 图2续航能力需求()对新能源汽车续航能力的影响 图2显示,无论·体化决策还是独立决策,新能源汽车的续航能力都随着消费者续航能力需求的增加而 增加.但相同续航能力需求时,一体化决策下新能源汽车的续航能力更高;同吋随着续航能力需求的增加,一 体化决策下新能源汽车续航能力增加的速度更快.更有利于解决消费者的“里程焦虑”和促进新能源汽车产 业的发展 第7期 马亮等:基于续航能力需求的新能源汽车产业链补贴策略研究 1765 6.3续航能力需求对新能源汽车产量的影响 图3显示,无论一体化决策还是独立决策,新能源汽车的产量都随着消费者续航能力需求的增加而增加. 但相同续航能力需求时,一体化决策下新能源汽车的产量更高.随着续航能力需求的增加,一体化决策下新 能源汽车产量增加的更快,更有利于新能源汽车的普及和促进新能源汽车产业的发展. 000 ····· 8 一体化决策 分散决策 一体化决策〓-分散决策 图3续航能力需求(π)对新能源汽车产量的影响 6.4续航能力需求对产业链利润的影响 图4显示,不论一体化决策还是独立决策时,整个产业链的利润都随着消费者续航能力需求的增加而增 加.但一体化决策时利润更高,即相同续航能力需求时,一体化决策下产业铤的利润更高.可见从产业链整体 角度考虑,采用一体化决策.产业链企业可以获得更高的利润,能够更有效的激发企业生产新能源汽车的积 极性、更有利于新能源汽车产业发展 0000 500000 70003 80000 60000 4000 60000 30000 4000 20000 100300 体化决策 分散诀策 一·分散亿决策……一体化决策 图4续航能力需求()对产业链利润的影响 65续航能力需求对产业链补贴的影响 图5显示,在实施产业链内补贴的情况下,汽车制造企 业向电池生产商提供的补贴支付随着消费者续航能力需求 的增加呈现先降低后增加的过程.实施补贴机制时,需要考 虑机制的退出. 7结论与启示 本文基于产业链视角,分别建立新能源汽车产业链的 一体化决策模型和独立决策模型,分析了消费者需求影响 下新能源汽车的续航里程,价格,电池生产商和汽车生产企图5续航能力需求(7)对产业链补贴的影响 业的利润决策.研究发现 1)无论是产业链一体化决策还是独立决策,新能源汽车的续航里程,价格,市场需求和产业链利润都随 消费者续航能力需求的提高而提高. 2)新能源汽车初始续航能力低时,两种决策方式都比较有效,随着续航能力逐渐提高,则一体化决策更 1766 系统工程理论与实践 第38卷 为有效 3)产业链一体化决策比独立决策时新能源汽车的续航能力更高,市场需求更大,产业链的利润更高,是 一种更优的决策方式 4)设计了补贴机制之后,只要电池的价格和补贴额满一定的条件,就可以实现一体化决策下的最优策 略 根据以上研究结论可以得到以下政策启示 1)在新能源汽车产业发展初期,汽车续航能力较低时,通过产业链协调和一体化决策就可以提高续航能 力,市场需求也会随着消费者需求的提高而提高;产业发展到一定程度时,汽车续航能力较高时,可以考虑制 定产业链内部的补贴政策,从而激励电池生产商提高电池能量密度,提高汽车的续航能力 2)建议政府和相关机构.加强对新能源汽车续航能力的认知引导,使消费者形成正确的认识和需求,激 励产业链企业增加研发投入,促进新能源汽车产业发展 3)在适当的时候,通过制定产业链内补贴政策,实现产业铤一体化决策下的最优策略,提高新能源汽车 续航能力,增加市场需求,促进产业发展. 参考文献 门]周玮,杨佳琪.中国新能源汽车产业发展报告(2016)—2015年新能源汽车产业发展分析[M].北京:社会科学文献出 版社,2016 2 Avci B, Girotra K, Netessine S. 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