成都地区电动汽车充电设施布局研究

上海理工大学管理学院 卢宝杰 李军祥

成都地区电动汽车充电设施布局研究

上海理工大学管理学院 卢宝杰 李军祥

充电设施布局建设是发展电动汽车产业的一个重要先决条件,合理选择充电设施布局对电动汽车的发展有着重要影响。针对成都现阶段电动汽车布局情况,采用内部因素评价矩阵分析法对家用充电设施、交流慢充设施、直流快充设施、换电设施4种设施的优劣性进行了比较,结果表明采用家用充电设施有助于提高电动汽车推广,从而给出了成都充电设施布局适合推广家用式充电设施的建议。

电动汽车;充电设施布局;内部因素评价矩阵

0 引言

电动汽车作为一种新能源交通工具,具有能源利用效率高和清洁无废气等特点,是实现节能减排和能源安全战略的一个重要途径[1]。电动汽车充电设施是电动汽车产业发展的重要基础,其重要程度在电动汽车发展众多影响因素中仅次于电池技术,排名第二,充电设施建设重要性各方已达成共识[2-5]。

据国家电网统计,至2015年4月成都市已投运的充换电站有14座(含201个直流充电桩),能同时为1000辆电动汽车充电,与计划推广目标相差较大。公共充电设施建设缓慢,在很大程度上削弱了电动汽车市场的快速发展;同时电动汽车市场保有量低,反过来会导致充电设施投资收益降低,使得投资充电设施的积极性下降,两点相互形成恶性循环,阻碍电动汽车产业健康发展。目前,成都市充电设施只能满足公共电动交通汽车日常电量需求,因此研究不同充电设施的优劣性,甄选出适合现阶段发展的充电设施尤为重要。

目前国内外针对电动汽车相关领域的研究已发表多种研究成果。有研究者从充电机充电功率和缩短充电时间方面进行探讨,提出了一些关键指标[6-7],少有电动汽车市场发展初期对充电设施布局择优选择的研究。本文提出成都市电动汽车发展初期不宜大额资本投入大功率直流快充换电站,应优先发展家用充电设施。

1 成都充电设施的布局及家用充电设施优势分析

目前电动汽车充电设施分为4类:换电设施、直流快充设施、交流慢充设施和家用充电设施。成都市充电设施布局主要以前三类设施为主,满足公共交通和市政用车电能需求。换电设施是指电动车在城内固定的换电站进行电池组的更换,需拆卸下电动汽车内部低电量的电池组,换上与车主匹配的满电量电池组。由于有专业的技术队伍更换组,整个过程大约需要10-15分钟。对换下的低电量电池组,换电站通常利用夜间用电低谷时段进行充电。直流快充设施是指利用大型大功率充电桩为电池组充电的,充电电流按国家标准设计为150A-400A,充电时间半小时至1小时。交流慢充设施是指提供16A小电流的交流充电桩,一般充电时间6-8小时。家用充电设施是指私人建设的家用交流充电桩,采用220V单相交流电源,充电功率5kW左右,充电时间6-8小时。

与其它三类设施相比,家用充电设施有下面3个优势:

(1)解决充电站分布不合理问题。成都地势平坦,楼盘分布均匀,因充电站、交流慢充、直流快充设施建设受到土地制约,导致充电设施分布不合理,部分充电站利用率低下。家用充电设施安装条件低,且不受土地制约,可利用现有车位和配电网资源就地安装,解决"里程焦虑"情况发生。

(2)节约土地资源及相关配电网配套设施建设资源,避免早期过度投入建设。成都人口众多,楼盘分布密集,主城区内闲置的土地资源、楼盘小区周围的配电网资源等十分有限,家用充电设施显得十分必要。家用充电设施相较于其它三种充电设施,具有体积小、安装灵活、无需占用额外土地资源的特点,并且无需对配电网进行升级改造增加容量。

(3)解决商业模式单一的建设模式,激发市场活力,充分运用社会资本。以政府为核心和国家电网为主导模式是成都市电动汽车充电站建设的模式。

2 内部因素评价矩阵分析

由于每类设施如果单纯从充电时间、充电效率、设施投入与收益等各方面角度来衡量,各有优劣,无法得出统一结论。而内部因素评价矩阵(Internal Factor Evaluation Matrix,IFE矩阵)可以综合分析各充电设施主要因数的优劣势,进行科学合理排序,所以采用IFE矩阵进行分析能够得出可靠统一的结论。

IFE矩阵是一种对内部因素进行分析比较的方法,从优、劣势两方面分析影响问题的关键因素,然后依据每个因素影响程度的大小选择权数,再依据各关键因素的优劣程度进行评分,最后计算出的总加权分数。

影响4种充电设施建设的主要内部因素按市场营销理论可从三方面考虑,一是投入成本因素;二是实际使用因素;三是其它重要因素,包含各类充电设施对配电网的影响等。内部因素组成如图1所示。

图1 影响4种充电设施建设的主要内部因素组成

3 四种充电设施的IFE矩阵分析

本文采用IFE矩阵分析法对4种充电设施从投入成本、客户体验和其它重要因素3方面10项因素进行比较评估。

3.1 分析背景及参数说明

电动汽车的类型:目前成都充电设施能满足公交、市政用车,故不在此研究范围内。此次研究对象为家用纯电动汽车。

电动汽车参数:通过对国内国外市场上常见的十来款纯电动汽车电池容量数据的收集发现,多数车型电池容量分布在20-40kWh区间,取平均数30kWh。

行驶能耗参数:根据成都地区家用汽车的情况,假设纯电动汽车车重1500kg,平均行驶速度60km/h,一年行驶25000km,平均日行驶里程为68.5km,根据文献[8]研究该类电动汽车行驶能耗0.16kWh/km。每日行驶耗电量=行驶能耗*平均日行驶里程=0.16*68.5=10.96kWh。锂电池日自放电量较小,设为电池容量的1%,充电设备的充电效率为95%[9]。由此可得,电动汽车日耗电量及日充电电量见表1.

表1 每日耗电量

使用回报:为直观比较各充电设施的充电成本,本文采用与家用普通燃油汽车使用成本进行比较,假设家用普通燃油汽车年行驶也是25000公里,油价6元/升,油耗8升/百公里,计算出燃油汽车日行驶成本为32.9元。使用回报采用下面的公式计算:

3.2 各内在因素分析

影响充电设施建设的内部因素按重要性排列如下:

(1)充电设施建设安装成本

充电设施建设安装成本计算及结果如表2所示。

表2 不同充电设施安装建设成本

以一套家用充电设施建设为例,家用充电设施包括充电桩、低压电力电缆等材料费用10000元,安装费用占材料费用的20%约2000元,合计最小投资12000元[10],家用充电设施无需场地租用费用,无需配电网升级,可直接安装于车主原有停车位上。交流慢充设施考虑到运行维护成本较家用充电设施高,折合成安装费用高出2000元;换电设施以1台315kV•A配变、17台10kW充电机为例计算[11],不考虑场地租用费以及购置土地费用。

(2)充电成本

直流快充设施、交流慢充设施、换电设施主要为运营商经营,以盈利为目的,故充电成本要高些。家用充电设施为车主自用设备,且可利用夜间低谷电价0.3元时充电,费用最低。如表3所示,通过分析,家用充电设施使用率低,且安装成本极小,故使用回报极高。

表3 充电成本

由上表分析可知,直流快充设施回报率最高,因其电流大充电时间快,每日充电车次数量较交流慢充、家用充电设施有几倍数量的增加。家用充电设施其次,虽充电车次少,但对于私人车辆经济效益最明显。值得注意的是,换电设施回报为负数,这就表明如果车主去换电站更换电池,那么他的车辆使用费比传统燃油汽车还昂贵。

(3)用户使用体验

一个商品是否受用户欢迎,直接影响使用效率。4种充电方式中,家用充电设施是最便捷的,减小了寻找充电设施的时间,无需预约排队。交流慢充设施、直流快充设施、换电设施地理分布限制,营业时间影响等因素会降低用户使用意愿。

(4)充电设施运行维护成本

运行维护成本包括日常的经营性运行成本(不包括电费成本)和设备检修成本。换电设施不仅初期安装成本高,而且运行维护成本也是最高。直流快充设施经营性成本与交流充电设施基本相当,设备检修成本较后者要高些。家用充电设施无经营性成本,检修成本与交流充电设施相当。由此可知家用充电设施运行维护成本最低。

(5)对配电网的影响

电动汽车在用电高峰期间进行充电,对配电网造成负荷过载,导致地区局部用电紧张;同时集中式大电流充电设施会降低配电网电能质量,比如电压下降、电压波动、三相电压不平衡、多次谐波干扰等。换电设施和家用充电设施均可安排在夜间低负荷时工作,对配电网影响小,但交流、直流充电设施主要营业时段为电网负荷高峰期,对周边电网影响较大。

(6)占地面积

家用式充电设施不占用额外的土地使用,换电设施因设备多车流量大占地最大,直流快充设施占地靠在其后,交流慢充设施次之。

(7)配电网升级需要

换电设施、直流快充设施额定功率大、数量多且集中,原有地区的配电网容量就显得不足,需对该地区配电网进行升级改造,升级难度较大。

(8)充换电时间

如图2所示,各充电设施的充换电时间对比,家用充电设施充电时间最长,而换电设施时间最短。

(9)电动汽车电池寿命

直流快充设施采用150A以上的大电流充电,缩短电池寿命,但随着电池技术的提升,这种缺陷影响将变小。其余三种充电设施可满足正常的电池设计寿命。

图2 不同充电设施充电时间

(10)充电接口改造要求

目前国家对电动汽车电池无统一规范,不同厂家生产的电池大小规格不一,如果需要换电服务,电动汽车需要重新改造。国内外电动汽车充电接口设计存在差别,如果进口车需要使用交、直流充电设施,部分车辆需要改造充电接口。

3.3 内部因素评价矩阵(IFE)综合分析

对以上10个影响因素进行量化评分,量化采用1-5五个等级,分值越高表示充电设施在该项的优势越明显,评分越低表示该项劣势越突出。评价矩阵F见表4.

表4 评价矩阵F

依据对充电设施布局影响的重要程度不同,将上述10项内部因素按重要性优先进行依次排序,排序如下:①充电设施安装建设成本。②充电成本。③用户使用体验。④充电设施运行维护成本。⑤对配电网的影响。⑥占地面积。⑦配电网升级需要。⑧充换电时间。⑨电动汽车电池寿命。⑩电动汽车改造要求。

根据排序计算各因素的权重,计算方法为:首先计算各个因素的倒数值之和,令排在第一位的因素为1/1,排在第二位的因素为1/2,由此类推。令A等于1/1+1/2+1/3+。。。。。。+1/10的和,为2.93.其次,各因素权重等于该因素的倒数除以A,比如排在第三因素的倒数为1/3,其权重为1/3÷2.93=0.114.

用每个因素的权重乘以评分,得到加权分数,将所有关键因数的加权分数累加,便得到综合加权评价值。由此可得影响充电设施布局的内部因素评价矩阵IFE,见表5.

由IFE评价矩阵可知,家用充电设施综合评价加权值为4.083,远高于评价水平2.930,也领先交流慢充设施,推广家用充电设施能够满足成都电动汽车发展阶段的科学布局要求。家用式充电设施在建设安装成本、充电成本、对电网冲击等方面,是一种经济性好的充电设施,满足成都电动汽车发展阶段的科学布局要求,对电动汽车市场的推广有很大的促进作用。投资金额大的换电设施综合评价加权值为1.578,远低于均值,这说明换电设施对促进家用纯电动汽车市场上乏力。

表5 IFE评价矩阵

4 结论及建议

成都电动汽车市场推广目前落后北京、上海、深圳等城市,就目前阶段而言应当将家用充电设施作为主要的布局加速推广。同时在政策上鼓励社会资本、社会运营商加入充电设施建设体系,给予经济上的补贴和在手续流程上开通便捷通道。优先推广5kW小型家用充电设施,鼓励国家电网和社会运营商合作,降低充电成本,提高投资回报,使成都充电设施市场良性发展,做到各方互惠互利。成都市政府应完善电动汽车和充电设施相关的规定制度,统一技术标准,积极开通小区安装充电设施的绿色通道。

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李军祥【通讯作者】(1971-),男,副教授/博导,博士后,主要研究方向:管理科学与工程。

卢宝杰(1984-),男,四川内江人,硕士,主要研究智能电网。