電動(dòng)汽車兩類換電模式的經(jīng)濟(jì)性分析

王宇寧，安兆杰，李曉亮，曾惠明

(武漢理工大學(xué) 汽車工程學(xué)院，湖北 武漢430070)

目前，圍繞電動(dòng)汽車是“換電”還是“充電”的爭論仍沒有定論。相比“充電”模式，“換電”模式具有提高用戶方便性和快捷性、提高電動(dòng)汽車使用效率、延長電池使用壽命等突出優(yōu)勢，因而得到廣泛的推廣和應(yīng)用?！皳Q電”模式下?lián)Q電服務(wù)網(wǎng)絡(luò)建設(shè)主要分為兩類：一類是“集中充電、分散換電”型服務(wù)網(wǎng)絡(luò);另一類是“分散充換電”型服務(wù)網(wǎng)絡(luò)。前者由一個(gè)或幾個(gè)集中充電站和多個(gè)換電站構(gòu)成，集中充電站僅負(fù)責(zé)對(duì)電池進(jìn)行充電而不負(fù)責(zé)換電，換電站僅負(fù)責(zé)換電而不負(fù)責(zé)對(duì)電池進(jìn)行充電;后者由多個(gè)充換電站構(gòu)成，每個(gè)充電站既負(fù)責(zé)對(duì)電池進(jìn)行充電又負(fù)責(zé)對(duì)電動(dòng)汽車進(jìn)行換電。雖然兩類換電網(wǎng)絡(luò)的核心業(yè)務(wù)都是對(duì)電動(dòng)汽車提供換電服務(wù)，但兩者在固定成本和運(yùn)營成本等方面存在較大差異。目前在換電網(wǎng)絡(luò)建設(shè)領(lǐng)域的研究中，有關(guān)比較兩種換電網(wǎng)絡(luò)經(jīng)濟(jì)性的研究成果很少。而對(duì)這方面的研究很有必要，根據(jù)經(jīng)濟(jì)性較好的模式建立換電網(wǎng)絡(luò)可以有效地減少成本、提高收益，這對(duì)于電動(dòng)汽車的推廣與普及有著極其重要的意義。筆者根據(jù)兩類換電服務(wù)網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)，提出兩類換電服務(wù)網(wǎng)絡(luò)年收入、固定成本和年運(yùn)營成本的計(jì)算公式，并根據(jù)實(shí)例比較兩者的經(jīng)濟(jì)性。

1 “集中充電、分散換電”型服務(wù)網(wǎng)絡(luò)收入及成本分析

1.1 收入分析

“集中充電、分散換電”型換電服務(wù)網(wǎng)絡(luò)的年收入由用戶的用電量和運(yùn)營商制定的售出電價(jià)決定，即：

式中：S1為換電網(wǎng)絡(luò)年收入;DP1為每度電售出的價(jià)格，由換電網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商根據(jù)自身盈利需求、汽油和燃?xì)鈨r(jià)格等因素的影響確定;DL1為用戶年均用電總量，由換電網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的電動(dòng)汽車數(shù)量、百公里耗電量和每輛電動(dòng)汽車日均行駛里程決定，即：

式中：N1為電動(dòng)汽車數(shù)量;L1為每輛車日均行駛里程;WH1為百公里平均耗電量;TN為一年的天數(shù)。因此，該換電服務(wù)網(wǎng)絡(luò)的年均總收入為：

1.2 成本分析

“集中充電、分散換電”型服務(wù)網(wǎng)絡(luò)的成本分為固定成本和運(yùn)營成本。其中固定成本主要包括設(shè)備成本、土地成本、電池成本和線路建設(shè)成本等;運(yùn)營成本主要包括電池充電成本、勞動(dòng)力成本、設(shè)備維護(hù)成本、線路維護(hù)成本和物流成本等。假設(shè)換電服務(wù)網(wǎng)絡(luò)包括a1座集中充電站和b1座換電站，并且a1座集中充電站(或b1座換電站)彼此間沒有差別，則固定成本為：

式中：G1為換電網(wǎng)絡(luò)固定成本;GJ為每座集中充電站固定成本;GH為每座換電站固定成本。其中每座集中充電站的固定成本可表示為：

式中：GJ1為設(shè)備成本;GJ2為土地成本;GJ3為線路建設(shè)成本;GJ4為電池成本。其中設(shè)備成本GJ1與充電設(shè)備套數(shù)成正比關(guān)系。一套充電設(shè)備的固定成本是變壓器、充電機(jī)、配電和充電監(jiān)控等設(shè)備成本的總和［1］，假設(shè)有充電設(shè)備MT1套，每套設(shè)備的價(jià)格為DPJS1，則設(shè)備成本可表示為：

其中，充電設(shè)備套數(shù)可表示為：

式中：NC1為充電機(jī)總需求量;nc1為每套充電設(shè)備可配置充電機(jī)的數(shù)量。充電機(jī)總需求量與充電機(jī)的功率、日均電量總需求，以及日均充電時(shí)間等因素有關(guān)［2］。相對(duì)于充換電站，集中充電站的優(yōu)勢之一是可以在電價(jià)處于低谷時(shí)對(duì)電池進(jìn)行充電，從而減小用電成本?；谠撎攸c(diǎn)，假設(shè)集中充電站每日均在電價(jià)處于低谷時(shí)進(jìn)行充電，則每座集中充電站充電機(jī)總需求量可表示為：

式中：r1為充電機(jī)裕度系數(shù)(r1＞1);PC1為充電機(jī)最大輸出功率;TD為電價(jià)處于低谷的時(shí)間。變壓器的電容不同，其可配置充電機(jī)的數(shù)量也不同，設(shè)集中充電站使用的變壓器容量為WB1，則其可配套的充電器數(shù)量為：

式中：η11為變壓器功率因數(shù);η12為變壓器負(fù)荷率;η13為變壓器效率;η14為充電機(jī)效率。由此可得設(shè)備成本的表達(dá)式：

土地成本GJ2與集中充電站的選址及面積大小有緊密聯(lián)系;線路建設(shè)成本GJ3與集中充電站的容量和所在位置有關(guān)，當(dāng)充電站所在節(jié)點(diǎn)容量超過最大值時(shí)，需要新建線路，否則不需要［3］，對(duì)這兩方面成本暫不做深入分析?；诒粨Q下電池均在電價(jià)處于低谷時(shí)充電的假設(shè)，設(shè)電池單位容量造價(jià)為DPD1，每輛電動(dòng)汽車電池容量為WD1，則電池成本可表示為：

由上述分析即可得到每座集中充電站的固定成本。換電站的固定成本主要包括兩部分：換電設(shè)備和土地成本(暫不考慮)，可表示為：

式中：GH1為設(shè)備成本;GH2為土地成本。換電站主要的設(shè)備即為換電機(jī)器人［4］，配置換電機(jī)器人的數(shù)量應(yīng)保證在換電高峰時(shí)段用戶的需求，假設(shè)換電高峰持續(xù)時(shí)間為TG1?；谠摷僭O(shè)，所需換電機(jī)器人的數(shù)量NH1為：

式中：α1為高峰時(shí)段內(nèi)換電車輛占車輛總數(shù)的百分比;TH1為換電機(jī)器人換電池所用的時(shí)間。設(shè)換電機(jī)器人的單價(jià)為DPH1，則：

由以上分析可得換電服務(wù)網(wǎng)絡(luò)(a1座集中充電站和b1座換電站)的固定成本：

類似于固定成本的表示方式，該網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)營成本可表示為：

式中：Y1為換電網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營成本;YJ為每座集中充電站運(yùn)營成本;YH為每座換電站運(yùn)營成本。其中每座集中充電站的年運(yùn)營成本可表示為：

式中：YJ1為設(shè)備維護(hù)成本;YJ2為勞動(dòng)力成本;YJ3為線路維護(hù)成本;YJ4為用電成本;YJ5為物流成本;YJ6為電池更換及維護(hù)成本。其中，暫不對(duì)勞動(dòng)力成本、線路維護(hù)成本、物流成本做深入分析。設(shè)備維護(hù)成本與設(shè)備自身的成本和設(shè)計(jì)壽命等因素有關(guān)，一般表示為：

式中，βJ1為設(shè)備年維修成本占設(shè)備購置成本的比例。換電站對(duì)電池進(jìn)行及時(shí)的維修與養(yǎng)護(hù)，有助于延長電池壽命，但電池使用到一定年限需要進(jìn)行更換。將換電服務(wù)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營過程中更換電池的費(fèi)用平均到每年電池的維護(hù)費(fèi)用中，則電池更換及維護(hù)成本可表示為：

需要指出的是，βJ4的取值與電池使用頻次有關(guān)，電池使用頻次越高，電池使用年限越短，維護(hù)成本更高，則βJ4值越小。設(shè)低谷電價(jià)為DPDG，則用電成本可表示為：

每座換電站的運(yùn)營成本可表示為：

式中：YH1為設(shè)備維護(hù)成本;YH2為勞動(dòng)力成本。其中設(shè)備維護(hù)成本可表示為：

由以上分析可得換電網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)營成本為：

2 “分散充換電”型服務(wù)網(wǎng)絡(luò)收入及成本分析

“分散充換電”型服務(wù)網(wǎng)絡(luò)與“集中充電、分散換電”型服務(wù)網(wǎng)絡(luò)獲取收入的方式相同，因此兩者的年收入表達(dá)式相同，即：

式中：S2為換電網(wǎng)絡(luò)年收入;N2為電動(dòng)汽車數(shù)量;L2為每輛車日均行駛里程;WH2為百公里平均耗電量;DP2為每度電的售出價(jià)格。

“分散充換電”型服務(wù)網(wǎng)絡(luò)的成本同樣分為固定成本和運(yùn)營成本，假設(shè)“分散充換電”型服務(wù)網(wǎng)絡(luò)設(shè)有c2座充換電站，則該網(wǎng)絡(luò)固定成本為：

式中：G2為換電網(wǎng)絡(luò)固定成本;GCH為每座充換電站固定成本;GCH1為設(shè)備成本;GCH2為土地成本;GCH3為線路建設(shè)成本;GCH4為電池成本。其中設(shè)備成本主要由充電設(shè)備成本和換電設(shè)備成本兩方面構(gòu)成，充電設(shè)備成本與充電設(shè)備的套數(shù)成正比關(guān)系，而換電設(shè)備成本與換電機(jī)器人的數(shù)量成正比關(guān)系，因此設(shè)備成本可表示為：

式中：MT2為充電設(shè)備套數(shù);DPCS2為充電設(shè)備價(jià)格;NH2為換電機(jī)器人個(gè)數(shù);DPH2為每個(gè)換電機(jī)器人的單價(jià)。其中換電機(jī)器人的數(shù)量同樣應(yīng)滿足換電高峰時(shí)刻用戶的換電需求，則其算法與NH1的算法相同，即：

式中：α2為高峰時(shí)段換電車輛占車輛總數(shù)的平均百分比;TH2為換電機(jī)器人換電池所用的時(shí)間;TG2為換電高峰持續(xù)時(shí)間。與“集中充電、分散換電”型服務(wù)網(wǎng)絡(luò)使用低谷電價(jià)對(duì)電池進(jìn)行集中充電的方式不同，“分散充換電”型服務(wù)網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)充換電站電池儲(chǔ)備量有限，不利于其利用低谷電價(jià)對(duì)電池進(jìn)行集中充電，因而通常采用即換即充的方式［5］，即被換下的電池立刻進(jìn)行充電。因此，換電高峰之后便是充電高峰，則充換電站內(nèi)的充電設(shè)備應(yīng)滿足換電高峰時(shí)段被換下的電池同時(shí)進(jìn)行充電的要求。假設(shè)被換下的電池充電所需時(shí)間為TC，且TC＞TG2，則每座充換電站所需的充電設(shè)備的套數(shù)為：

式中：r2為充電機(jī)裕度系數(shù)(r2＞1);WD2為每輛電動(dòng)汽車電池容量;WB2為充換電站中變壓器容量;PC2為充電機(jī)的最大輸出功率;η21為變壓器功率因數(shù);η22為變壓器負(fù)荷率;η23為變壓器效率;η24為充電機(jī)效率。由以上分析可知：

電池成本與換電站購置電池?cái)?shù)量、電池單位容量的造價(jià)相關(guān)。購置電池的數(shù)量與電動(dòng)汽車數(shù)量成正比關(guān)系，且不同用途的車兩者比例也不同［6］。設(shè)兩者的比例為k2，電池單位造價(jià)為DPD2，則電池成本為：

土地成本和線路建設(shè)成本暫不做分析，則充換電站固定成本為：

充換電站運(yùn)營成本主要包括設(shè)備維護(hù)成本、勞動(dòng)力成本、線路維護(hù)成本、用電成本和電池維護(hù)成本。則“分散充換電”型服務(wù)網(wǎng)絡(luò)年運(yùn)營成本Y2為：

由于充換電站采用即換即充的電池充電方式，以致大部分被換下的電池不能在電價(jià)處于低谷時(shí)進(jìn)行充電。因此，假設(shè)充換電站中被換下的電池均按非低谷電價(jià)進(jìn)行充電，則用電成本為：

式中，DPFDG為非用電低谷時(shí)段的電價(jià)。線路維護(hù)成本和勞動(dòng)力成本暫不做分析，設(shè)備及維護(hù)、電池更換及維護(hù)成本分別為：

由上述分析可得充換電站年運(yùn)營成本為：

3 兩類換電服務(wù)網(wǎng)絡(luò)經(jīng)濟(jì)性對(duì)比分析

根據(jù)兩類換電服務(wù)網(wǎng)絡(luò)各自的特點(diǎn)，根據(jù)電池進(jìn)行充電時(shí)間和方式的不同，分別得出了計(jì)算其固定成本、年運(yùn)營成本和年收入的公式。在具體建設(shè)換電服務(wù)網(wǎng)絡(luò)時(shí)，需要根據(jù)具體情況和公式對(duì)比兩者的經(jīng)濟(jì)性。由公式可知，在售出電價(jià)和服務(wù)對(duì)象相同時(shí)，兩類換電服務(wù)網(wǎng)絡(luò)的年收入是相同的。因而在對(duì)比經(jīng)濟(jì)性時(shí)，主要對(duì)比兩者運(yùn)營成本和固定成本的差異。實(shí)例分析中，假設(shè)兩類換電服務(wù)網(wǎng)絡(luò)在土地成本、線路建設(shè)及維修成本、勞動(dòng)力成本和物流成本的投入相同。即在實(shí)例分析中著重分析兩者在設(shè)備成本、電池成本、設(shè)備維護(hù)成本和用電成本的經(jīng)濟(jì)性差異。

現(xiàn)假設(shè)某地區(qū)建設(shè)服務(wù)出租車的換電服務(wù)網(wǎng)絡(luò)，為簡化計(jì)算，假設(shè)兩類換電網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的對(duì)象及設(shè)備選擇完全相同，且兩類換電網(wǎng)絡(luò)中換電站的布局一致。根據(jù)網(wǎng)絡(luò)和相關(guān)論文中的數(shù)據(jù)，兩類換電服務(wù)網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)取值如下：

電動(dòng)汽車數(shù)量N1=N2=n(n＞0);電池容量WD1=WD2=25 kWh;日均行駛里程L1=L2=500 km;百公里耗電量WH1=WH2=15 kWh;充電機(jī)最大輸出功率PC1=PC2=10 kW;低谷電價(jià)時(shí)段TD=7 h;電池充電時(shí)間TC=3 h;電池單位容量造價(jià)DPD1=DPD2=0.3 萬元/kWh;變壓器容量WB1=WB2=315 kVA;變壓器功率因數(shù)η11=η21=0.85;變壓器負(fù)荷率η12=η22=75%;變壓器效率η13=η23=95%;充電機(jī)效率η14=η24=90%;一套充電設(shè)備價(jià)格DPJS1=DPCS2=90 萬元;充電設(shè)備充裕系數(shù)r1=r2=1.1;換電高峰時(shí)段需換電車輛占總量的比例α1=α2=50%;低谷電價(jià)DPDG=0.31 元/度;非低谷電價(jià)DPFDG=0.90 元/度;一年的天數(shù)TN=365;設(shè)備年維修費(fèi)占設(shè)備購置費(fèi)比例βJ1=βCH1=10%;電池年維修費(fèi)占電池購置費(fèi)比例βJ4=30%，βCH4=40%;“分散充換電”型服務(wù)網(wǎng)絡(luò)購置電池總量與電動(dòng)汽車數(shù)量比k2=2。

將上述參數(shù)代入兩類換電服務(wù)網(wǎng)絡(luò)固定成本式(2)、式(5)和運(yùn)營成本式(3)、式(6)中，可得：

其中兩類換電網(wǎng)絡(luò)電池購置成本、電池維護(hù)及更換成本和用電成本的差異分別為：

根據(jù)給定參數(shù)的計(jì)算結(jié)果可得，現(xiàn)階段“集中充電、分散換電”型服務(wù)網(wǎng)絡(luò)的固定成本和年運(yùn)營成本都要比“分散充換電型”服務(wù)網(wǎng)絡(luò)高，且高出值與電動(dòng)汽車數(shù)量成正比。主要原因是前者若利用低谷電價(jià)對(duì)電池進(jìn)行集中充電，則不能對(duì)被換下的電池及時(shí)進(jìn)行充電，因而電池儲(chǔ)備量要遠(yuǎn)大于后者。進(jìn)而前者需要投入更多的資金用于購置、更換及維護(hù)電池，并且低谷電價(jià)帶來的相對(duì)經(jīng)濟(jì)效益并不能彌補(bǔ)其在電池方面的投入，最終導(dǎo)致“集中充電、分散換電”型服務(wù)網(wǎng)絡(luò)經(jīng)濟(jì)性較差。因此，對(duì)“集中充電、分散換電”型換電網(wǎng)絡(luò)的研究需要在安排電池集中充電時(shí)間的選擇、電池的物流配送等方面進(jìn)行更多的研究，或?qū)①徺I、更換電池改為租賃電池［7-8］，以降低其在電池方面的投入，進(jìn)而提高經(jīng)濟(jì)效益。

4 結(jié)論

(1)“分散充換電”型服務(wù)網(wǎng)絡(luò)的固定成本和年運(yùn)營成本較低，即“分散充換電”型服務(wù)網(wǎng)絡(luò)經(jīng)濟(jì)性較好。

(2)“分散充換電”經(jīng)濟(jì)性較好的主要原因是其在電池的購置、更換及維護(hù)方面的投入明顯少于“集中充電、分散換電”型服務(wù)網(wǎng)絡(luò)。

基于所得出的結(jié)論，建議現(xiàn)階段建立換電服務(wù)網(wǎng)絡(luò)時(shí)選擇“分散充換電”型服務(wù)網(wǎng)絡(luò)，這樣可以有效地控制換電服務(wù)網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)成本，提高經(jīng)濟(jì)效益。

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