電動(dòng)汽車充、換電模式經(jīng)濟(jì)性研究

傅 鵬，楊鳳玖，張祿郗

（1.東北電力大學(xué)經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院，吉林 吉林 132012；2.國(guó)網(wǎng)內(nèi)蒙古東部電力有限公司供電服務(wù)監(jiān)管與支持中心，內(nèi)蒙古 通遼 028000）

0 引言

在化石能源大量消耗、環(huán)境污染日益嚴(yán)重的背景下，發(fā)展純電動(dòng)汽車已經(jīng)成為一種趨勢(shì)，而只有在充、換電等基礎(chǔ)配套設(shè)施完善的前提下，電動(dòng)汽車行業(yè)才能夠快速發(fā)展。當(dāng)前電動(dòng)汽車充電方式可分為有線充電模式、換電模式以及無線充電模式，有線充電模式與換電模式已經(jīng)得到實(shí)際應(yīng)用，而無線充電模式因效率和安全性等問題，并未進(jìn)入實(shí)際應(yīng)用階段[1-2]，因此本文討論充換電模式僅指有線充電模式和換電模式。

為了推動(dòng)充電設(shè)施發(fā)展，2015年國(guó)家在《國(guó)務(wù)院辦公廳關(guān)于加快電動(dòng)汽車充電基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的指導(dǎo)意見》中提出了“樁站先行”的概念，指出結(jié)合不同領(lǐng)域、不同層次的充電需求，有序推進(jìn)充電設(shè)施建設(shè)。截至2020年中國(guó)已經(jīng)設(shè)置了80.7萬(wàn)個(gè)公共充電樁。

考慮到充電設(shè)備的大量接入會(huì)對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生影響，國(guó)家在發(fā)展充電模式的同時(shí)，開始著眼于換電模式的發(fā)展[3-4]。2020年國(guó)家工信部宣布國(guó)家將會(huì)通過相關(guān)部門進(jìn)一步推動(dòng)充換電基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)，并建立更加健全的管理政策，完善相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，支持相關(guān)企業(yè)依據(jù)不同的使用環(huán)境進(jìn)行換電模式車型的研制[5]。相比于充電模式，換電模式服務(wù)效率高，相同的時(shí)間內(nèi)，換電模式可以服務(wù)更多的車輛來獲取更多的收益。此外，換電模式的集中充電行為相較于充電模式中隨機(jī)的充電行為，能夠避免大規(guī)模充電設(shè)備的接入對(duì)電網(wǎng)造成的沖擊與危害，有利于提高電網(wǎng)的穩(wěn)定性[6]。

目前國(guó)內(nèi)外已有一些學(xué)者對(duì)充、換電模式的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行研究。在充電模式方面，文獻(xiàn)[7]基于全生命周期的方法建立了充電基礎(chǔ)設(shè)施的成本收益模型，對(duì)慢充充電樁與超快充電站的運(yùn)營(yíng)經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行了對(duì)比，得出現(xiàn)階段慢充充電樁經(jīng)濟(jì)性更好；文獻(xiàn)[8]給出了在三種不同的充電情境下利益主體的經(jīng)濟(jì)收益評(píng)價(jià)；文獻(xiàn)[9]在充電樁投資效益模型的基礎(chǔ)上，提出了對(duì)項(xiàng)目投資效益風(fēng)險(xiǎn)的評(píng)估方法；文獻(xiàn)[10]介紹了整車充電和更換電池兩種模式的運(yùn)營(yíng)方式并進(jìn)行了比較，提出了換電為主、充電為輔將成為市場(chǎng)主流的觀點(diǎn)。

在換電模式方面，文獻(xiàn)[11]建立了換電站的成本-收益模型，并使用不同指標(biāo)進(jìn)行了經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)，提出低谷時(shí)段充電的改良建議；文獻(xiàn)[12]基于分時(shí)電價(jià)機(jī)制，以盈利最大化為目的提出了一種換電站充放電策略，并通過低充高放的充放電行為增加換電站利潤(rùn)，文獻(xiàn)[13]在此基礎(chǔ)上得出了換電站效益對(duì)不同因素的敏感程度不同的結(jié)論；文獻(xiàn)[14]對(duì)換電模式中的“集中充電、分散換電”以及“分散充換電”兩種類型進(jìn)行了經(jīng)濟(jì)性比較，認(rèn)為現(xiàn)階段應(yīng)以“分散充換電”類型為主，從而降低成本，提高經(jīng)濟(jì)性，但未考慮集中充電對(duì)電網(wǎng)的好處；文獻(xiàn)[15]提出了低電量閾值和儲(chǔ)備閾值換電判斷依據(jù)，并通過優(yōu)化電池的充電策略，降低了換電站的運(yùn)營(yíng)成本；文獻(xiàn)[16]提出構(gòu)建一種充換電站的通用模型，包含電池的充電模型、換電需求模型以及運(yùn)營(yíng)調(diào)度模型，在集中充電、統(tǒng)一配送的基礎(chǔ)上，還為電站增加了自主充電能力；文獻(xiàn)[17]介紹了集中充電統(tǒng)一配送和充換電結(jié)合的2種模式，對(duì)比說明了兩者的優(yōu)缺點(diǎn)，并提出以實(shí)際消耗電量作為計(jì)費(fèi)依據(jù)的收費(fèi)方案。

以上研究工作是針對(duì)充、換電模式中的一種或一種模式中的不同類型進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性研究，解析了兩種模式的經(jīng)濟(jì)效益和發(fā)展前景，但缺少了對(duì)兩種模式經(jīng)濟(jì)性的統(tǒng)一建模和分析。本文在此基礎(chǔ)上對(duì)兩種模式進(jìn)行統(tǒng)一建模，分析兩者的經(jīng)濟(jì)性，從而為企業(yè)進(jìn)入電動(dòng)汽車充電行業(yè)提供參考，推動(dòng)充電設(shè)施發(fā)展。文獻(xiàn)[18]建立充、換電兩種模式全生命周期的成本收益模型，但并未將兩種模式的經(jīng)濟(jì)性放在同一供電量規(guī)模下比較，無法完全體現(xiàn)兩種模式經(jīng)濟(jì)性的優(yōu)劣。因此，本文基于分時(shí)電價(jià)機(jī)制，構(gòu)建了兩種模式的成本-收益模型，在售電量相同的條件下對(duì)兩者的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行比較，并在此基礎(chǔ)上考慮了租賃動(dòng)力電池的方式，進(jìn)一步提高換電站項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)性。

1 充、換電模式經(jīng)濟(jì)性分析

在換電模式的成本、收益分析中，基于國(guó)家電網(wǎng)“集中充電、統(tǒng)一配送”的原則[19]，采用充電站集中充電，并通過物流運(yùn)輸向換電站配送電池組的方式，以提高換電站服務(wù)能力。

1.1 成本分析

1.1.1 前期投資成本

前期投資成本指項(xiàng)目建設(shè)初期投入的一次性成本，包括土地成本、設(shè)備購(gòu)置成本、施工成本以及其他成本。

前期投資成本Cu表示為：

式中：Cla為土地成本；Ceb為充電設(shè)備的購(gòu)置成本；Cco為施工成本；Cot為其他成本。

土地成本Cla指建設(shè)充換電站及相關(guān)設(shè)施時(shí)用于土地征用的支出，設(shè)為所在地區(qū)單位面積土地成本Lc乘以占用面積L，見式（2）。對(duì)于集中充電的換電模式，土地成本Cla包括充電站費(fèi)用和換電站費(fèi)用兩部分。

設(shè)備的購(gòu)置成本指購(gòu)買直流充電機(jī)、換電機(jī)等相關(guān)裝置的支出，設(shè)每種設(shè)備的單位成本為ci，數(shù)量為mi，所需購(gòu)買設(shè)備種類數(shù)為n，則設(shè)備購(gòu)置費(fèi)Ceb為：

施工成本指充換電站內(nèi)建筑建造、配電變電設(shè)施建造和消防設(shè)施建造的支出，包含充換電設(shè)備及相關(guān)配電與通信調(diào)度等裝置的安裝、調(diào)試過程中產(chǎn)生的支出，按照電站所在地行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算。

其他成本指項(xiàng)目建設(shè)過程中用于項(xiàng)目設(shè)計(jì)、項(xiàng)目驗(yàn)收和檢測(cè)等方面的支出，按照行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算。

1.1.2 運(yùn)營(yíng)成本

運(yùn)營(yíng)成本Co主要指項(xiàng)目建成后投入使用的過程中產(chǎn)生的勞務(wù)費(fèi)用Cse、設(shè)備的維護(hù)費(fèi)用Cem和購(gòu)電成本Cep，即：

勞務(wù)費(fèi)用依據(jù)當(dāng)?shù)厝藛T工資水平乘以員工數(shù)量來進(jìn)行估算，即：

式中：w為當(dāng)?shù)厝藛T工資水平；n為員工數(shù)量。

此外，由于換電站采用集中充電、統(tǒng)一配送的方式，還應(yīng)考慮集中充電站和換電站之間的電池調(diào)配和物流配送成本[16]，本文對(duì)此暫不作分析，以雇傭物流人員的方式將物流成本計(jì)入勞務(wù)費(fèi)用當(dāng)中。

設(shè)備的維護(hù)費(fèi)用主要指設(shè)備維修及保養(yǎng)過程中產(chǎn)生的材料費(fèi)和修理費(fèi)等相關(guān)費(fèi)用，依據(jù)設(shè)備的購(gòu)置成本乘以運(yùn)行維護(hù)費(fèi)率進(jìn)行估算，即：

式中：λ為設(shè)備運(yùn)行維護(hù)費(fèi)率。

購(gòu)電成本指項(xiàng)目在提供充電業(yè)務(wù)過程中所產(chǎn)生的電費(fèi)支出，等于電站的售電量乘以購(gòu)電電價(jià)，即：

式中：Q為充電站售電量；Pbuy為購(gòu)電電價(jià)。

對(duì)于充電站而言，購(gòu)電電價(jià)為用戶充電時(shí)電網(wǎng)的實(shí)時(shí)電價(jià)，對(duì)于換電站而言，可以發(fā)揮集中充電的優(yōu)勢(shì)，利用低谷時(shí)段電價(jià)進(jìn)行充電，降低自己的購(gòu)電成本。因此，換電站購(gòu)電電價(jià)為夜間低谷電價(jià)。

1.1.3 總成本

對(duì)于充電站，項(xiàng)目的總成本C1計(jì)算公式為：

對(duì)于換電站，除了前期成本和運(yùn)營(yíng)成本以外，還應(yīng)包含電池的購(gòu)置費(fèi)用，假如所有電池全部由換電站提供，則會(huì)產(chǎn)生高額的電池購(gòu)置成本。目前換電站行業(yè)仍處于初始階段，并未得到大規(guī)模發(fā)展，因此本文采用與電池廠商等企業(yè)合作，實(shí)現(xiàn)電池租賃的方式[20]，節(jié)約項(xiàng)目的投資成本。電池租賃成本Cb可表示為：

式中：Pb為租賃電池組的單價(jià)；Nb為租賃電池組的數(shù)量。

則換電站的項(xiàng)目總成本C2為：

1.2 收益分析

1.2.1 售電收入

售電收入Ic指運(yùn)營(yíng)商為用戶提供充電服務(wù)所獲得的收入，等于售電電量乘以售電電價(jià)，即：

式中：Ps為售電電價(jià)。

1.2.2 服務(wù)費(fèi)收入

為吸引企業(yè)主動(dòng)進(jìn)入充電設(shè)施行業(yè)，在收取充電費(fèi)的基礎(chǔ)上，允許增收電動(dòng)汽車充電服務(wù)費(fèi)If，按照充電量收取，等于服務(wù)費(fèi)單價(jià)乘以充電電量，即：

式中：if為服務(wù)費(fèi)單價(jià)。

1.2.3 政府補(bǔ)貼收入

目前政府對(duì)充換電站的補(bǔ)貼有建設(shè)補(bǔ)貼和運(yùn)營(yíng)補(bǔ)貼。其中建設(shè)補(bǔ)貼有兩種方式，一種是按照主要充電設(shè)備投資總額的百分比進(jìn)行補(bǔ)貼；另一種是按照充電設(shè)備的種類和功率進(jìn)行補(bǔ)貼。本文按照充電設(shè)備的種類和功率進(jìn)行建設(shè)補(bǔ)貼。運(yùn)營(yíng)補(bǔ)貼Ib則按照設(shè)備售電電量給予運(yùn)營(yíng)度電補(bǔ)貼，即：

式中：ib為度電補(bǔ)貼價(jià)格。

1.2.4 總收入

充、換電站項(xiàng)目的總收入計(jì)算公式為：

1.3 經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)指標(biāo)

1.3.1 凈現(xiàn)值

凈現(xiàn)值是將項(xiàng)目各年的凈現(xiàn)金流量（CI-CO）按基準(zhǔn)折現(xiàn)率折現(xiàn)到期初時(shí)的現(xiàn)值之和。凈現(xiàn)值等于零時(shí)，表示項(xiàng)目達(dá)到預(yù)期的收益率水平；凈現(xiàn)值大于零時(shí)，則意味在達(dá)到預(yù)期收益率的基礎(chǔ)上，項(xiàng)目還能得到額外的收益；凈現(xiàn)值小于零時(shí)，表示項(xiàng)目不能實(shí)現(xiàn)預(yù)期的收益水平。

凈現(xiàn)值是一個(gè)總量?jī)r(jià)值指標(biāo)，它不僅考慮了資金的時(shí)間價(jià)值，而且可以反映方案在整個(gè)壽命期周內(nèi)的收益情況，因而能全面反映方案的經(jīng)濟(jì)效果。

1.3.2 內(nèi)部收益率

內(nèi)部收益率是通過項(xiàng)目現(xiàn)金流量本身計(jì)算出來的項(xiàng)目實(shí)際所能達(dá)到的投資效率，不受現(xiàn)金流量以外條件的影響，計(jì)算過程中無需提前給定項(xiàng)目的利率。內(nèi)部收益率就是項(xiàng)目的凈現(xiàn)值為0時(shí)的折現(xiàn)率。當(dāng)內(nèi)部收益率≥i0時(shí)，表示項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)效果可以接受；當(dāng)內(nèi)部收益率＜i0時(shí)，表示項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)效果不予接受。

2 應(yīng)用案例

2.1 成本核算

2.1.1 前期成本

以大型純電動(dòng)客車為例，在相同售電量下對(duì)兩種模式經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行分析。采用額定功率100 kW的直流充電機(jī)為電池組充電，單價(jià)為20萬(wàn)元，每組動(dòng)力電池容量為200 kWh，購(gòu)買價(jià)格為40萬(wàn)元，租賃一年的價(jià)格為5萬(wàn)元。假設(shè)換電站日售電量為1200 kWh，換電站需要配備動(dòng)力電池60組，所有電池均在夜間低谷時(shí)段進(jìn)行充電，則需要15臺(tái)充電機(jī)為電池進(jìn)行充電；換電站包含換電設(shè)備1套，單價(jià)為40萬(wàn)元，換電工位占地200 m2。在日售電量規(guī)模相同的情形下，假設(shè)充電站內(nèi)每樁日服務(wù)時(shí)間為6 h，則充電站要配置20臺(tái)直流充電機(jī)，充電工位占地50 m2，所用充電設(shè)備需配備電量計(jì)量系統(tǒng)，每套成本5000元。換電站2部分面積為800 m2，充電站面積為1200 m2，施工成本和其他成本參考某加油站建設(shè)成本，土地價(jià)格按照1萬(wàn)元/m2，政府建設(shè)補(bǔ)貼參照北京地區(qū)補(bǔ)貼政策0.5元/W。據(jù)此計(jì)算，兩種模式的前期成本見表1。

表1 充、換電模式前期成本Tab.1 Upfront cost of charging and battery swapping modes 萬(wàn)元

由表1可知，土地成本和設(shè)備的購(gòu)置成本是影響充、換電站前期成本的主要因素，在售電量相同的情況下，換電模式的前期成本要比充電模式的前期成本低445萬(wàn)元，主要原因是換電模式的換電時(shí)間短、服務(wù)效率高，而充電站要達(dá)到相同的服務(wù)量，就需要建設(shè)更多的充電設(shè)備，占地面積也隨之增大。

2.1.2 運(yùn)營(yíng)成本

假設(shè)充電站日常運(yùn)行需要5名工作人員，換電站日常運(yùn)行需要4名工作人員和1名物流人員，平均工資每人每月6000元；設(shè)備運(yùn)行維護(hù)費(fèi)率為設(shè)備購(gòu)置成本的3%。假設(shè)充、換電站一年平均運(yùn)營(yíng)350天，購(gòu)電成本中充電站依據(jù)日售電量，按比例分配到峰、谷、平3個(gè)時(shí)段進(jìn)行計(jì)算，充電站各時(shí)段耗電比例及電價(jià)見表2；換電站售電量全部算入谷時(shí)段中，電價(jià)參考北京地區(qū)一般工商業(yè)電價(jià)，兩種模式的年運(yùn)營(yíng)成本見表3。

表2 充電站各時(shí)段耗電比例和電價(jià)Tab.2 Electricity consumption ratio and electricity price of charging station in each period

表3 充、換電模式年運(yùn)營(yíng)成本Tab.3 Annual operating costs of charging and battery swapping modes 萬(wàn)元

從表3可以看出，日售電量相同的情況下，換電模式的運(yùn)營(yíng)成本要高于充電模式的運(yùn)營(yíng)成本，主要原因是動(dòng)力電池的租賃成本過高。其次，換電模式由于采用在夜間低谷電價(jià)時(shí)段集中充電的方式，有效降低了自身的購(gòu)電成本，如果不考慮動(dòng)力電池的租賃成本，年運(yùn)營(yíng)成本相比充電模式減少134.7萬(wàn)元。

2.2 收益分析

充、換電站的主要收入來源于售電收入、服務(wù)費(fèi)收入和政府補(bǔ)貼收入，售電電價(jià)為0.986 4元/kWh，換電服務(wù)費(fèi)為0.8元/kWh，補(bǔ)貼收入?yún)⒄毡本┑貐^(qū)補(bǔ)貼政策，以充電設(shè)施充電量為基準(zhǔn)，運(yùn)營(yíng)補(bǔ)貼0.1元/kWh，每年補(bǔ)貼上限為1500 kWh/kW，兩種模式的年收益見表4。

表4 充、換電模式年收益Tab.4 Annual revenue of charging and battery swapping modes 萬(wàn)元

結(jié)合表3和表4，采用凈現(xiàn)值作為經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)指標(biāo)，假設(shè)項(xiàng)目的生命周期為10年，折現(xiàn)率為8%，兩種模式的經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)見表5。

從表5中可以看出，在折現(xiàn)率為8%的條件下，充電和換電模式都能取得較好的經(jīng)濟(jì)效益。其中，充電模式的經(jīng)濟(jì)效果要明顯好于換電模式，充電模式的凈現(xiàn)值比換電模式高714.49萬(wàn)元，內(nèi)部收益率比換電模式高6%。

表5 充、換電模式經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)Tab.5 Economic evaluation of charging and battery swapping modes

為研究電池成本對(duì)換電模式的影響，計(jì)算了租賃全部電池、購(gòu)買全部電池、購(gòu)買和租賃比例相等的情況下?lián)Q電模式經(jīng)濟(jì)效益，見表6。

表6 不同租賃和購(gòu)買電池比例下?lián)Q電模式經(jīng)濟(jì)效益Tab.6 Economic benefits of battery switching mode under different ratios of leased and purchased batteries

從表6可以看出，電池成本對(duì)電動(dòng)汽車換電站經(jīng)濟(jì)效益影響很大。在不同的電池租賃和購(gòu)買比例下，換電模式的經(jīng)濟(jì)效益不同，在換電站電池全部購(gòu)買的情形下，換電模式的項(xiàng)目?jī)衄F(xiàn)值比全部電池租賃情形下低387.01萬(wàn)元，內(nèi)部收益率降低9%，因此電池租賃的商業(yè)模式可以有效提高換電模式的經(jīng)濟(jì)性。

在電池全部租賃的情形下，只有當(dāng)電池的租賃價(jià)格為3.23萬(wàn)元/年時(shí)，換電模式的凈現(xiàn)值才與充電模式相同，此時(shí)換電模式的內(nèi)部收益率為30%，高于充電模式5%。而在電池全部購(gòu)買的情形下，要使得換電模式的凈現(xiàn)值與充電模式相同，則每組電池的單價(jià)需為21.64萬(wàn)元，此時(shí)換電模式的內(nèi)部收益率為19%，低于充電模式6%。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文在分時(shí)電價(jià)的基礎(chǔ)上，對(duì)電動(dòng)汽車充、換電模式進(jìn)行了成本收益分析，采用凈現(xiàn)值和內(nèi)部收益率指標(biāo)對(duì)兩種模式進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)，并以某地區(qū)數(shù)據(jù)為例進(jìn)行計(jì)算。結(jié)果表明，在相同售電量的情形下，電動(dòng)汽車充電模式比換電模式具有更好的經(jīng)濟(jì)性；動(dòng)力電池成本在很大程度上影響了換電站的經(jīng)濟(jì)效益，采用動(dòng)力電池租賃的商業(yè)模式，可以有效降低換電站前期投資，提高項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)性；當(dāng)動(dòng)力電池租賃價(jià)格下降到3.23萬(wàn)元/年時(shí)，換電模式相對(duì)于充電模式將擁有更好的經(jīng)濟(jì)效果。

從電網(wǎng)的角度來看，換電模式可以有效避免用戶的隨機(jī)充電行為，降低電網(wǎng)負(fù)荷的波動(dòng)性，相比于充電模式接入電網(wǎng)的友好性更強(qiáng)。此外，在清潔能源高比例上網(wǎng)后，換電模式可以通過改變自身的充放電行為，參與電力輔助服務(wù)市場(chǎng)賺取收益，獲得更好的經(jīng)濟(jì)性，同時(shí)也為電網(wǎng)提供調(diào)節(jié)能力，消納清潔能源電量，具有極大的推廣價(jià)值。