電動汽車充電站建設可行性分析

郭國太

（廈門電力勘察設計院有限公司，福建，廈門 361009）

電動汽車充電站建設可行性分析

郭國太

（廈門電力勘察設計院有限公司，福建，廈門 361009）

以公用充電站和專用充電站建設為例，對廈門市現(xiàn)有電動汽車及充電站運營進行調(diào)研分析，確定了充電站建設技術(shù)方案和投資效益分析的指標，從技術(shù)、經(jīng)濟、工程等方面進行研究和分析，并對項目建成以后可能取得的財務、經(jīng)濟效益進行預測，提出投資風險及機遇分析；對今后電動汽車充電設施建設可行性研究方案提供參考。

充電站；服務對象；建設方案；投資效益分析

目前電池是電動汽車的惟一動力能量，電池技術(shù)的初始成本高和續(xù)駛里程不理想等問題制約了電動汽車大規(guī)模應用，而通過建設電動汽車充換電設施網(wǎng)絡，實現(xiàn)及時對電動汽車進行充電，能夠有效延長電動汽車的續(xù)駛里程。

充電站是充換電設施網(wǎng)絡重要組成部分。充電站建設還處于探索實踐階段，已建充電站由于建設方案不合理，投資效益分析的指標選取不正確，甚至一些建設項目因為時間緊迫未做可行性研究或可行性研究流于形式等原因，造成項目投資效益不明顯，甚至建成后虧損運營。目前只有少數(shù)央企、地方國企介入，推廣建設的速成度緩慢，充電站建設越緩慢越不利于電動汽車推廣，投資效益越低，也就越難吸引更多企業(yè)參與建設，形成了不良循環(huán)。因此，充電站建設可行性研究工作對充電站推廣一項基礎性工作。

1 充電站類型及服務對象

充電站按服務車輛類型不同可分公共充電站、專用充電站。在不同運行模式下，要求電動汽車續(xù)駛能力及充電時間也不同，從而也導致充電站類型和充電機功率選擇不同。私家車、公務車是白天出行，時間短，行駛里程有限，夜間停在小區(qū)車位或單位停車位，有足夠的時間充電，一般以家庭、單位自建充電樁和公共充電站為其提供充電服務。出租車全天幾乎都運營，行駛里程長，充電時間有限，一般以公共充電站快速為其提供充電服務。公交、環(huán)衛(wèi)、郵政等社會公共服務用車具有城市區(qū)域行駛、停車場地固定、行駛路線固定、行駛里程相關穩(wěn)定等特征，一般以專用充電站為其提供充電服務。

2 建設方案

2.1 充電系統(tǒng)

公共充電站屬無固定服務車輛的充電站，必須能夠滿足進入市場的各種電壓等級的電動汽車充電需求?，F(xiàn)在研發(fā)的電動汽車存在多種電壓等級，電動汽車高壓系統(tǒng)標準電壓：144V、288V、317V、346V、400V、576V。充電機配置方案是否合理，關系到充電機有效功率和充電時間，從而影響充電站投資效益。

1）方案一：選擇同一規(guī)格充電機，充電機功率為60kW，充電電壓為300～750V，最大充電電流為80A。假如充電機對比亞迪E5充電，充電電壓為680V，有效充電功為54.4kW；假如對北汽福田EV200充電，充電電壓為380V，有效充電功只有30.8kW。因此，充電電壓越低有效充電功率越低，充電時間越長，變壓器負載越輕。現(xiàn)已建充電站大部分采用這種方案。

2）方案二：選擇多種規(guī)格充電機，一種規(guī)格對一種車型或充電參數(shù)相近的幾種車型充電。目前電動汽車種類繁多，充電機難于選擇，且需人員人為充電調(diào)度管理，增加運營成本。

3）方案三：選用最大充電電壓和最大充電電流多檔可調(diào)的充電機，即是充電功率不變，選擇不同檔充電壓匹配不同充電電流。充電機功率為60kW充電電壓為300～500V，500～750V，最大充電電流為120A、80A。假如對比亞迪E5充電，充電電壓為680V，最大充電電流為80A有效充電功為54.4kW；假如對北汽福田EV200充電，充電電壓為380V，最大充電電流為120A，有效充電功也有46.2kW。可明顯提高充電電電壓低的有效充電功率。

專用充電站屬固定服務車輛的充電站，根據(jù)車輛的電池容量、充電電壓、充電速率，準確地選擇充電機額定功率、充電電壓和充電電流，充電機的有效充電功率近乎等于充電機額定功率。因此，專用充電站投資效益比較高。

充電機的最大充電電壓應根據(jù)電動汽車電池的特性及電池單體串聯(lián)數(shù)量確定，充電機輸出電壓（Ur）可按式（1）計算選擇，大于等于Ur的數(shù)值確定為充電機最大充電電壓，即

式中，n為電動汽車電池的串聯(lián)電池單體數(shù)量；Ku為充電機輸出電壓裕度系數(shù)，一般取1.0～1.1；Ucm為單體電池最高電壓（V）。

根據(jù)電動汽車電池的容量和充電速度以及供電能力和設備性價比，在電池BMS系統(tǒng)允許，確保安全、可靠充電的情況下確定最大充電電流。充電機最大輸出電流可按式（2）計算，選擇大于等于Ir的數(shù)值確定為充電機最大充電電流，即

式中，Kc為充電機輸出電流裕度系數(shù)，一般取1.0～1.25；Im為電動汽車電池最大允許持續(xù)充電電流（A）。

電動汽車充電機由大容量電力電子設備構(gòu)成，容易造成諧波污染、功率因數(shù)下降和電壓波動等問題。因此，充電機配置有源濾波和無功補償裝置，功率因數(shù)可補償?shù)?.95以上。

為了方便后面對兩種充電站的經(jīng)濟效率分析比較，兩種充電站的建設總充電功率均為600kW，公共充電站以乘用車快速充電站為例，選擇10臺60kW多檔可調(diào)的充電機；專用充電站以公交充電站為例，選擇5臺120kW充電機。其充電機主要技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 充電機主要技術(shù)參數(shù)表

2.2 供配電系統(tǒng)

供配電系統(tǒng)包括配電變壓器、開關柜及進出電纜部分，配電變壓器決定了供配電系統(tǒng)的建設規(guī)模。配電變壓器供電負荷主要是充電機負荷及站用電負荷。充電機總?cè)萘靠砂词剑?）計算，站用電負荷可按式（4）計算。

式中，P1為充電機的輸出功率；cos?為功率因數(shù)，取0.95；η為充電機工作效率，高頻開關整流充電機取0.92；K為需要系數(shù)，充電站服務車輛類型不同，充電機需要系數(shù)也不同，公共充電站取0.7，專用充電站取0.85。

式中，P2為站用電的功率，包括安防設備、照明等，約為5kW；cos?為功率因數(shù)，取0.9；K為需要系數(shù)，取0.8。

變壓器負載率一般取0.8，其變壓器選擇結(jié)果詳見表2。

表2 變壓器選型表

2.3 監(jiān)控系統(tǒng)

監(jiān)控系統(tǒng)包括充電監(jiān)控系統(tǒng)、安防監(jiān)控系統(tǒng)及計量系統(tǒng)。

1）直流充電樁內(nèi)配置監(jiān)控裝置，監(jiān)控裝置具有數(shù)據(jù)采集、控制調(diào)節(jié)、數(shù)據(jù)處理與存儲和記事記錄功能，向車聯(lián)網(wǎng)發(fā)送相關數(shù)據(jù)，并接車聯(lián)網(wǎng)平臺下發(fā)的控制命令。

2）安防監(jiān)控系統(tǒng)由攝像頭、硬盤錄像機等裝置組成。安防監(jiān)控系統(tǒng)對站內(nèi)充電區(qū)域進行24h不間斷的監(jiān)視。

3）計量系統(tǒng)包括電網(wǎng)關口計量、充電計量兩部分。網(wǎng)關口計量采用高壓側(cè)計量，設置在10kV母線上；充電計量在直流充電樁的輸出側(cè)配置直流智能電表。

2.4 通信系統(tǒng)

采用內(nèi)置在充電樁內(nèi)的認證計費模塊或交換機，通過公共4G網(wǎng)絡無線通信或光纖通信方式接入車聯(lián)網(wǎng)平臺。

2.5 土建

充電站的布置以應便于服務車輛的進出站及停放為原則，功能區(qū)域分充電車位、設備區(qū)、站區(qū)道路等部分。

設備區(qū)設置充電車位周圍，設備區(qū)和充電車位間距不大于50m，若設備有被車撞的可能時，應設置其高度不應小于0.8m防撞欄。

充電車位應根據(jù)服務車型、站內(nèi)交通組織等進行布置，優(yōu)先選擇單列垂直式、雙列垂直式布置方式。乘用車位尺寸推薦采用：長5～6m、寬2.3～2.8m，公交車據(jù)車型尺寸不同，采用：長10～13m，寬3～3.5m，車位與充電樁之間設車擋，防止充電樁被撞。

車位前通道寬度應根據(jù)車型尺寸及轉(zhuǎn)彎半徑確定，滿足車輛順利進出車位。站內(nèi)單車道寬度不應小于3.5m，雙車道寬度不應小于6m。站內(nèi)的道路轉(zhuǎn)彎半徑按行駛車型確定，且不宜小于9m。

室外電纜管溝原則上與道路、構(gòu)筑物、充電車位平行或垂直布置，優(yōu)化布置減少交叉，且宜按遠期規(guī)模一次建成。

在露天充電車位宜設置車棚，優(yōu)先采用輕型膜結(jié)構(gòu)，車棚高度應保證服務車輛進出，投影面積應滿足充電區(qū)域遮陽擋雨。

充電站水消防應根據(jù)站內(nèi)建筑物的火災危險性和建筑體積確定，無建筑物不考慮水消防系統(tǒng)，配置手提式干粉滅火器分布在充電區(qū)域即可。

3 投資效益分析

3.1 投資估算（見表3）

表3 投資估算表

3.2 投資成本分析

投資估算以固定資產(chǎn)投資作為成本預測的主要對象，包括了靜態(tài)費用和動態(tài)費用兩部分，靜態(tài)投資包括建筑工程費、設備購置費、安裝工程費和其他費用，動態(tài)費用包括價差預備費和建設期貸款利息。充電站在現(xiàn)有停車場上建設，土地購置和場地平整的費用排除在外，建設周期較短，因此，其建設期貸款利息和價差預備費基本可忽略不計，固定資產(chǎn)投資可簡化為靜態(tài)費用估算。

3.3 運營調(diào)研分析

廈門市共計3850輛公交車，包括2條純電動公交線路，每天平均行駛里程大約為220～250km；全市共計660輛純電動出租車，每天分為白班和夜班，每個班行駛里程280～350km，每班需充電2～3次。

廈門市現(xiàn)有公交運營充電站，每個站配備1名工作人員，作為充電站調(diào)度管理，年薪5萬元；部分公交車夜間有效充電時間為21∶30～5∶00，部分公交車夜間有效充電時間為24∶00～6∶00，白天運營時有效補充電時間10～30min。

廈門市已投運28座充電站的全站用電效率為80%～85%之間；公共充電機目前主要為全市660輛純電動出租車和少量網(wǎng)約車服務，每天充電工作時間約為4～6h，換算為有效充電時間約為3～4.5h，所謂有效充電時間即是充電機在額定功率下的充電時間。

3.4 效益分析邊界條件

國務院辦公廳發(fā)布《關于加快新能源汽車推廣應用的指導意見》國辦發(fā)[2014]35號文規(guī)定，2020年前，對電動汽車充電服務費實行政府指導價管理?！陡＝ㄊ∥飪r局關于我省電動汽車充電服務價格有關問題的通知》閩價服[2016]143號文規(guī)定，經(jīng)營性集中式充電設施充電服務價格上限標準：電動乘用車1.00元/kW·h（不含電費），電動公交車0.8元/ kW·h（不含電費），下浮不限。

公共充電站選擇多檔可調(diào)的充電機有效工作時間可按5h/天計算。專用充電站服務12m長純電動公交車每輛日均行駛里程為230km，百公里耗電為110/kW·h，充電樁與公交車的數(shù)量配比按1∶2測算。充電站年運行天數(shù)按350天考慮。充電站設備部分折舊按10年考慮。

3.5 運營成本

公共充電站的運營成本主要包括：銀行利息、運營維護成本、充電站運行時電量損耗費等。專用充電站為了提高了車樁比的值，配備專人作為充電調(diào)度管理，因此，專用充電站的運營成本還應包括運營管理成本。

1）銀行利息：按照目前銀行5年以上貸款利率4.9%測算。

2）運營維護成本：包括設備修理維護費、備品備件，可按充電站固定資產(chǎn)總值的2～5%的比例測算。

3）電量損耗費：充電站的整站用電效率按0.85測算；購電費用以“優(yōu)惠大工業(yè)用電（1～10kV）”測算，即平時段：0.6222元/kW·h；高峰時段：0.9119元/kW·h；低谷時段：0.3325元/kW·h；取平時段價格測算。

4）運營管理成本：主要管理人員工資，充電站配備1名工作人員，年薪按6萬元測算。

3.6 經(jīng)營收入及效益

充電站營業(yè)收入主要是充電站服務費收入。充電站投資效益有社會效益和經(jīng)濟效益，經(jīng)濟效益主要是充電站的經(jīng)營利潤，見表4。

公共充電服務費收入=充電服務價格×充電設備臺數(shù)×充電設備功率×有效工作時間×充電站運行天數(shù)÷10000。

專用充電服務費收入=充電樁數(shù)量×車樁比×日均行駛里程×（百公里耗電÷100）×公交年行駛有效天數(shù)×充電服務價格÷10000。

表4 投資效益分析表

（續(xù)）

4 投資風險及機遇分析

4.1 風險分析

市場風險：電改放開后，充電設施建設實現(xiàn)市場化，隨著各界資本紛紛進入充電運營領域。

服務費價格風險：目前充電服務市場還處在投入期，為鼓勵企業(yè)建設積極性和規(guī)范服務費市場價格，政府出臺服務費收取政策，但隨著民營資本的介入，可能導致服務價的下降。

技術(shù)風險：充電樁產(chǎn)品技術(shù)發(fā)展很快，技術(shù)進步可能導致設備更新?lián)Q代，現(xiàn)有投入設備可能被淘汰。

4.2 機遇分析

公交專用充電站可通過優(yōu)化公交車線路、行駛里程、充電調(diào)度管理等，增加服務車輛，提高車樁比和每天行駛里程，以提高經(jīng)濟益率。

公共充電站初期主要服務于出租車、網(wǎng)約車、及少數(shù)公務車和私家車，隨著人們出行觀念改變、電動汽車技術(shù)發(fā)展、國家行業(yè)扶持補貼政策，私家車的數(shù)量不斷增加，則可提高充電樁有效充電時間。

目前收費包括時段電費和服務費，電動汽車選擇低谷時段將成為一種趨勢，這樣充電站運營損耗電費也將減少，經(jīng)營利潤增加。

5 結(jié)論

服務車型決定了建設充電站的類型，根據(jù)不同充電站類型的特性選擇充電機充電電流電壓及功率。充電站類型和規(guī)模決定了充電機的需要系數(shù)，只有合理選取需要系數(shù)才能科學選擇配電變壓器。通過對現(xiàn)有充電設施的調(diào)研分析，現(xiàn)階段公共充電站有效功率、有效充電時間指標較低，投資回收年限較長，專用充電站的投資回收較為思想。

電動汽車仍處于發(fā)展初期，電池技術(shù)還未取得突破，電動汽車的行駛里程得到明顯提高前，充電站網(wǎng)絡建設是解決電動汽車出行憂慮的有效辦法，提高充電站的投資效益，吸引更多的社會資金和力量參與充電站建設，做好充電站建設項目可行性研究工作是推進充電站建設健康有序發(fā)展的重要基礎工作。

[1] GB 50966—2014. 電動汽車充電站設計規(guī)范[S].

[2] GB/T 29781—2013. 電動汽車充電站通用要求[S].

[3] GB/T 31466—2015. 電動汽車高壓系統(tǒng)電壓等級[S].

[4] 章桐, 賈永軒. 電動汽車技術(shù)革命[M]. 北京: 機械工業(yè)出版社, 2014.

[5] 劉振亞. 智能電網(wǎng)技術(shù)[M]. 北京: 中國電力出版社, 2010.

[6] 許少倫, 嚴正, 馮冬涵, 等. 基于多智能體的電動汽車充電協(xié)同控制策略[J]. 電力自動化設備, 2014, 34(11): 7-13.

[7] 許璐, 袁越, 王敏, 等. 含電動汽充電的配電網(wǎng)諧波潮流計算[J]. 現(xiàn)代電力, 2014, 31(2): 21-26.

Analysis and Research on the Feasibility of Electric Vehicle Charging Station Construction

Guo Guotai
(Xiamen Electric Power Survey and Design Instiute Co., Ltd, Xiamen, Fujian 361009)

To the common battery charging station and a special charging station construction, for example, of Xiamen City, the existing electric vehicle and charging station operation research and analysis, charging station construction technical scheme and investment benefit analysis of index is determined, from the technical, economic, and other aspects of the project of research and analysis, and to the completion of the project may be made in the financial and economic benefits are predicted and analyzed and put forward the investment risks and opportunities, provide a reference for the future electric vehicle charging facilities construction feasibility study program.

charging station; Service object; construction project; investment benefit analysis