基于换电和电池租赁模式的纯电动汽车运营成本评估及预测研究

孙丙香 何婷婷 牛军龙 张维戈 姜久春 Tony Yip

（北京交通大学国家能源主动配电网技术研发中心 北京 100044）

1 引言

随着能源和环境危机的日益加剧，电动汽车以节能环保的优势，成为我国七大战略新兴产业之一。

2012 年6 月，国务院印发了“关于节能与新能源汽车产业发展规划（2012～2020 年）”。提出纯电动汽车和插电式混合动力汽车累计产销量力争到2015 年达到50 万辆，到2020 年达到500 万辆。

十年来，在中国接近20 000 辆各类电动汽车包括电动轿车、电动环卫车等得到了示范应用。但是，电动汽车的发展还存在很多瓶颈。

目前，针对纯电动汽车，电能补给模式主要有交流慢充、直流快充和电池快速更换三种[1]；车辆推广模式有整车销售，整车租赁和裸车销售、电池租赁三种模式。针对大型纯电动汽车，电池快速更换既能满足车辆运行需求，又能避免整组电池充电对寿命产生影响；另外，由于电动汽车电池成本较高、不确定性风险较大，在应用初期，电池租赁是一种值得探索的模式，它能够有效地降低用户的使用风险和初期购置成本[2]，而且，电池租赁企业负责电池采购、性能维护、二次利用和回收，有助于电池的统一管理和有效利用。

目前，基于充电站负荷调度的经济运行方面，文献[3]做了相关研究；针对电动汽车和风电、光伏的容量优化配置方面，文献[4]和[5]开展了相关研究，但并未对充电设施成本分摊、充电定价等做深入分析。

在电池租赁模式下，电池运营价格测算也是整个产业中的重要一环。动力电池运营价格含充电价格和电池租赁价格，相当于电动汽车的运营价格。由于电动汽车还处于示范阶段，电池租赁模式还处于探索期，加之涉及多学科、多领域的知识，与商业模式对应的电池运营价格测算也无成熟方法借鉴。

文献[6-8]对纯电动乘用车的租赁价格进行了分析，并对比了上海和北京两地车辆所有权和使用上的政策差异，但是对纯电动公交车和换电站没有提及。

目前，文献[9,10]提到了电池租赁模式及相关研究，由本人完成的文献[9]，采用内部收益率法对电池运营价格总体进行了测算，文献[10]采用总投资收益率法对电池运营价格进行了测算。

以上两种测算方法适用于充电站运营商同时为电池租赁商的一体化模式。在充电站建设、运营和电池租赁由两个主体承担的条件下，如何分开测算充电价格和电池租赁价格尚无成熟方法。而且，哪些因素是影响电池租赁模式下运营价格高低的主要因素，动力电池的运营价格何时有转折，何时能与传统汽车持平，尚无定量分析。本文针对这些问题开展了深入研究。

电池租赁模式如图1 所示，其中箭头表示资金流向。充电站运营商只运营电动汽车充电业务，电池企业将电池管理系统公司和电池箱公司的电池集成出售，租赁公司从电池企业购买电池租赁给用户；充电站运营商从电厂买电，用户从车企购买裸车，在用户使用电动汽车与传统车成本相当，充电站运营商和电池租赁公司盈亏平衡两个前提下，去除国家补贴和地方补贴，测算电池租赁价格和充电价格。

图1 电池租赁模式框图Fig.1 Diagram of battery leasing mode

本文所指的电池租赁产品是指整套电池系统，包括动力电池、电池箱、电池管理系统及相关附件；电池租赁项目期选取4 年，即一个电池车用周期。本文中的运营成本是指在盈亏平衡条件下，维持电动汽车正常运营所需要的费用，主要包括充电费用和电池租赁费用，文中用到的主要有一年运营成本和四年运营成本。运营价格为运营成本平均到每kW 电中的单价。

2 方法原理

2.1 成本加成定价法

成本加成定价法是按产品单位成本加上一定比例的利润制定产品价格的方法，即

式中，Pi为单位产品价格；Ci为单位产品成本；a为利润率。

2.2 年金法

年金是每隔相等的期限按相同的金额收入或付出的款项。年金按照其收付的次数和收付的时间进行划分，可以分为普通年金、预付年金、递延年金和永续年金。普通年金又称后付年金，是指各期期末收入或付出相同金额的款项[11]，本文年金法中的年金是普通年金。

年金法计算公式的推导：

式中，A 为年金金额；PV 为年金现值；i 为利率；m 为期数。

3 动力电池运营价格及运营成本测算方法

3.1 动力电池充电价格测算

充电价格包括充电电费、人工费、维护费、充电基础设施折旧费。

初始投资不包含充电基础设施建设费用，充电价格测算如下：

初始投资包含充电基础设施建设费用，充电价格测算如下：

首先，将充电基础设施的建设费用均摊到每一年，采用公式（3）计算得

式中，n 为项目期（/年）；DDJ1为不含充电基础设施建设费用的动力电池充电价格；DDJ2为含充电基础设施建设费用的动力电池充电价格；S1为整个运营周期内充电站的折旧费用折算到每一年的费用；r为贴现率；r1为营业税率；CDZ为充电站n 年总折旧成本；NCD为充电站年充电量；CCD为每年充电费用；CRG为每年人工成本；CWH为每年充配电设施维护成本。

3.2 基于年金法的动力电池租赁价格测算

电池租赁价格包括电池折旧、贷款利息、营业税。采用式（3）计算，即

式中，S2为全部车辆所用电池每年分期付款金额；P 为所有电池前n 年折旧成本。则每辆车每年电池租赁费用为

式中，DZ为每辆车每年电池租赁费；N 为整个项目车辆数量。

3.3 电动汽车四年运营成本测算

每辆车4 年运营成本为

式中，DDJ为动力电池充电价格。

当前电动汽车推广处于产业化初期阶段，为了便于示范推广，充电站运营商前期可考虑降低用户充电成本，在不含充电基础设施建设费用的情况下制定价格；待整个产业发展较为成熟后，再考虑充电基础设施建设费用的折旧和分摊。因此，本文分以下两种情况进行了测算。

含充电基础设施建设的4 年运营成本

式中，CCT-4为整个项目所有电池前的4 年折旧成本；CBG为国家补贴。

不含充电基础设施建设的4 年运营成本

式中，CY21为含充电基础设施建设费用4 年运营成本；CY22为不含充电基础设施建设费用的4 年运营成本。

4 动力电池运营价格及运营成本测算

4.1 基础数据及依据

4.1.1 基础数据依据

（1）项目期和电池系统寿命为4 年；针对纯电动公交车，国家补贴为50 万元/辆，补贴方式为第一年全部补贴给用户。

（2）传统汽车油价全部按2011 年10 月6 日0号柴油单价7.53 元/升计算；不计通货膨胀率；营业税率为5.54%。

（3）北京市电力公司供给运营公司的基础电价为0.781 元/(kW·h)。

（4）电量采用交流计量方式。

（5）车辆数与电池数配比按1:1.4 测算；项目期结束后，电池系统残值按5%计算。

（6）人工成本计算。

充电站有三种工种：站长，工人，保安。

人工成本计算公式为

充电站按服务50 辆车计算，站长人数Nzz=11，工人人数Ngr=17，保安人数Nba=2。参照北京市相关指导文件站长工资参照生产主管工资，选取Pzz为70 791 元/年[12]；工人工资参照供电人员综合价位的平均数，选Pgr取37 216 元/年[13]；保安员工资Pba选取中位数为Pba=17 205 元/年。

（7）电气设备折旧按10 年计算，土建折旧按20 年计算[14]。

4.1.2 基础数据

北京奥运纯电动巴士充电站建于2008 年，在奥运会期间为奥运服务，奥运会后为北京市91 路、155路等线路的公交服务。充电站如图2 所示。基础数据见表1。

图2 奥运纯电动公交车充换电站Fig.2 The Beijing Olympic Games pure electric bus charging station

表1 基础数据Tab.1 Basic data

电池价格选取北京市招标指导价格，具体如表2 所示，由于锂电池报废后还能用作大规模储能[16]，但分摊成本尚不清楚，所以残值暂取5%，则选取电池系统价格为4 年折旧价格64.38 万元。

表2 电池系统价格组成（电池快换）Tab.2 The constitution of battery system price(battery quickly changing mode)（单位：万元）

4.2 测算结果

电池运营价格测算结果见表3，电动汽车与传统汽车的经济性比较见表4。由表3 数据可以看出，含充电基础设施折旧的电池运营价格比不含充电基础设施折旧的运营价格高出16.29%；含充电基础设施折旧的电池运营价格中电池充电价格占33.80%；不含充电基础设施折旧的电池运营价格中电池充电价格占23.01%。

表3 年金法测算的电池运营价格及其组成Tab.3 Battery operation price measured by annuity method

由表4 数据可以看出，初期购车时电动汽车比传统汽车高30 万元；含充电基础设施折旧的电动汽车4 年运营成本约是传统汽车4 年运营成本的3 倍；不含充电基础设施折旧的电动汽车4 年运营成本约是传统汽车4 年运营成本的2 倍。

表4 电动汽车与传统汽车的经济性比较Tab.4 Economical comparison of electric bus and traditional bus

5 动力电池运营价格敏感性分析

[17]，在计算充电基础设施折旧的前提下，选取电池系统价格、贴现率、年人工成本、年充电量和充电基础设施初期投资五个因素为敏感性因素，将这些因素在±60%之间变化，计算电池运营价格的变化情况，结果如图3 所示。

图3 运营价格对电池系统价格、贴现率、年人工成本、年充电量和充电基础设施初期投资的敏感性分析Fig.3 Sensitivity analysis of operation price to the battery system price,the discount rate,the annual labor cost,the annual charging quantity and initial investment of charging infrastructure

从图3 中可以看出，年充电量和电池系统价格对充电价格影响较大。年充电量减少60%，电池运营价格上升到了11.39 元/(kW·h)，上升了99.47%，电池系统价格增加60%，充电价格上升到了8.03 元/(kW·h)，上升了40.62%，因此充电价格对年充电量和电池系统价格比较敏感。

6 动力电池运营价格预测

在电动汽车年充电量基本不变的条件下，未来，影响电动汽车和传统汽车运营成本差异的主要因素是电池价格和燃油价格。本文针对4 个电池周期，后续16 年进行电池运营价格预测。为了保证预测的相对准确，参考相关历史数据。表5 为1997～2000全球小型二次电池市场锂电池价格数据[18]，1997～2000 年4 年时间电池价格下降了约24%。表6 为2007～2010 年0 号柴油价格数据，4 年时间油价平均每年上升8%。依据小型二次锂电池首次商业应用为20 世纪80 年代末[19]，电动汽车动力锂电池初期应用是在21 世纪初，则车用动力锂电池当前阶段与小型二次锂电池1997～2000 年所处阶段相当。

表5 1997～2000 全球小型二次电池市场锂电池价格统计Tab.5 The price statistic of 1997～2000 world small secondary lithium battery market

表6 2007～2010 号柴油零售价格统计Tab.6 Statistic of 2007～2010 diesel retail price

参照历史数据，未来锂电池价格每4 年下降比例选取24%，0 号柴油价格选取每年上升8%，假设每个4 年的车辆运营里程相同，则预测未来连续4个4 年的电动汽车运营成本与传统汽车的运营成本见表7 和图4 所示。在第一个4 年，由于电动汽车有国家补贴，所以运营成本相对于后面一个4 年少；在第三个4 年，不含基础设施费用的电动汽车4 年运营成本基本与传统汽车运营成本接近；在第四个4 年传统汽车的运营成本将分别超出含充电基础设施费用的运营成本26.40 万元，超出不含充电基础设施费用的运营成本50.47 万元。

表7 未来四个4 年电动汽车运营成本Tab.7 The next four four-year of the electric bus operation cost

图4 未来四个四年电动汽车与传统汽车的运营成本比较Fig.4 The operation cost comparison of electric bus and traditional bus in the next 16 years

根据测算，第二个4 年电动汽车运营成本仍约为传统汽车的两倍，因此后一阶段可以通过加大锂电池研发投入，使锂电池价格尽可能降低，同时可以根据需要合理优化车辆调度策略，提高车辆利用率，增加年行驶里程，从而降低电池运营价格。

7 结论

本文是在充电站建设、运营单位和电池租赁企业盈亏平衡的条件下测算的，如考虑可持续发展，运营公司要有适当的盈利，相应测算价格会提高。

随着燃油价格的上涨和电池价格的下降，电动汽车的优势逐渐凸显，但是目前，相对于传统汽车的燃油成本，电动汽车电池运营价格仍然较高，产业化初期，采用裸车销售、电池租赁的推广模式有助于提高电动汽车的吸引力。

由电池运营价格的敏感性分析，可以看到，影响电池运营价格的主要因素是电池系统价格和年充电量。因此，只有降低电池成本，提高充电设施利用率，同时优化充电站的配置和改进发车规律来减少初期投资，才能进一步降低动力电池的运营价格。

借鉴历史数据，未来锂电池价格按每四年下降24%，0 号柴油油价每年上升8%计算，通过对未来四个4 年的运营成本的预测，发现由于第二个4 年没有国家补贴，电池运营价格会高于第一个4 年；在计算含充电基础设施折旧的条件下，第四个4 年电动汽车的运营成本将大大低于传统汽车，优势显现。另外，考虑电池梯次利用技术，会有进一步降低电池运营价格的可能。

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