纯电动快递配送车V2G 削峰填谷经济效益分析

张婉莹，张国新，李亚锦，祁 鹏，于大洋，王长江

（山东大学电气工程学院，山东 济南 250061）

0 引言

“最后三公里”快递配送车有大量电气化省级替代的需求。快递配送车电池不仅可作为动力电池确保续航，剩余电量也可作为储能参与电网服务，高峰放电，赚取峰谷差价，提供增值服务。

目前，针对电动汽车与电网互动的经济性已有一定研究。Kempton 早在1995 年就提出了电动汽车与电网互动（Vehicle-to-Grid，V2G）概念［1］，并进一步对其经济性进行了定量评估。文献［2］提出了插电式充电汽车与风电协同调度提高风电接入能力的方法。文献［3］提出了通过峰谷分时电价来间接影响电动汽车用户的自主充放电行为的V2G 市场机制。文献［4］建立了多时间尺度的区域电网电动汽车充电与风电协同调度数学模型。文献［5］分析了电动汽车并网对微电网经济性的经济性。文献［6-7］分析了电动汽车参与电网调峰的成本和收益模型。文献［8］分析了电动汽车充电与风电协同调度的碳减排效益。文献［9］建立了分析电动汽车提供调频和旋转备用的经济效益的数学模型。文献［10］对电动汽车与电网互动的市场机制和用户收益的相关研究进行了总结。

电动汽车V2G 与电网互动的增值服务有多种类型，现主要分析纯电动快递配送车参与削峰填谷这一最基本增值服务类型。在分时电价下，分析电动汽车不同电池类型参与V2G 的成本和利润，并对比了不同电池价格和容量配置下的收益率。进一步分析不同峰谷运行模式下的V2G 经济性，为物流配送车参与电网互动，控制电池投资风险提供一种决策依据。

1 V2G 经济运行影响因素分析

V2G 是指在满足电动汽车用电需求的基础上，通过双向充放电机实现储存电能上网，根据电网需求与电网开展双向互动。对电动汽车用户而言，影响电动汽车与电网互动的关键因素包括行驶时间、峰谷电价、电池循环寿命、电池单价和电池充放电功率。

行驶时间决定可接入电网的时间长短和充放电量。电池价格和循环寿命决定单次充放的折旧成本。电动汽车作为一种分布式储能参与车网互动，主要以赚取峰谷差价获取收益，分时价差是驱动用户参与车网互动的关键。考虑分时电价的时间特性，电池本身的充放电功率参数影响充放电时间，进而影响充电成本和放电收入。

2 充放电投资效益模型

在分析电动汽车参与V2G 经济运行影响因素的基础上，考虑峰谷价差和电池寿命，构建电动汽车用户参与V2G 的经济成本效益计算模型。

2.1 电池充放电成本

动力电池基本性能参数包括电池容量、充放电功率、充放电效率、电池单价和循环寿命。电动汽车充电成本为

式中：ηch为动力电池充电效率，%；Cb为单位V2G 电量成本，元／kWh；Sev为动力电池参与V2G 的日放电量，kWh。

电池参与V2G 的日放电量Sev取决于电动汽车日行驶里程耗电量，计算公式为

式中：Sb为电池额定容量，kWh；Lv为日行驶里程，km；δ 为百公里能耗，kWh／100 km；ηd为动力电池放电效率，%。

V2G 单位成本Cb包括电池单位充放电量折旧成本和充电电价，考虑V2G 单位成本Cb只在V2G放电电量内分摊，计算公式为

式中：Cd为电池单价，元／kWh；n 为电池循环寿命，次；为电池单位充放电量折旧成本；Cg为电网分时电价，元／kWh。

2.2 V2G 收益

在电力市场峰谷分时电价政策下，电动汽车通过电价谷段充电，电价峰段放电，赚取峰谷电价差收益。电池充放电功率不能超出额定功率，充放电电量在电池电量约束的上下限之间。

电动汽车放电获得收入Bg为

式中：Ct为电网第t 时段分时电价；Δt 为时间窗口长度；k 个时间窗口构成一组放电时段；Pdt为t 时段放电功率。

约束条件为

式中：Pmax为动力电池最大充放电功功率。

V2G 日均利润BV2G即可表示为

3 实例测算分析

以山东大学V2G 充电站为例进行测算，充电站包括V2G 直流充电桩和纯电动快递车，满足纯电动快递车的充放电和V2G 需求。

3.1 基本参数

小型纯电动快递车的动力电池有两种选型，磷酸铁锂电池，电池价格为900 元／kWh；三元锂电池，电池价格为1300 元／kWh。电池循环寿命均为1 500 次，电池充放电效率为92%，充放电最大功率为15 kW。电动快递车的电池容量有3 种配置，分别为15 kWh、30 kWh 和50 kWh。快递配送车日均行驶里程为100 km，车辆百公里能耗如表1 和表2 所示，可知同样容量配置下，三元锂电池百公里能耗小于磷酸铁锂电池百公里能耗。

表1 磷酸铁锂电池百公里能耗计算结果

表2 三元锂电池百公里能耗计算结果

山东省分时电价如表3 所示，山东省峰谷分时时段如表4 所示。其中电动快递车作为分布式储能接入电网的电压等级不到1 kV，尖峰低谷电价差可达0.744 5 元／kWh。

3.2 经济性计算

快递车一般白天配送，平均19∶00 之后结束。根据快递车使用特性和峰谷分时电价，快递车参与V2G 的峰谷运行模式为： 在谷时段23∶00—07∶00 之间进行充电，剩余电量可在峰时段19∶00—21∶00 之间放电。在上述约束和不影响使用的情况下，根据式（2） 计算示范区单辆电动快递车不同电池类型和容量配比下允许的放电电量。不同运行模式下充电成本不同，基于3.1 节的基本参数，低谷充电电价为0.294 9 元／kWh，根据式（3）计算不同电池类型下V2G单位电量成本，计算结果如表5 所示。

表3 山东省峰谷分时电价

表4 山东省峰谷平时段

尖峰电价为1.039 4 元／kWh，利用式（1）和式（5）计算收入和利润，如表6、表7 所示，对于磷酸铁锂电池，允许放电量越大，V2G 日利润越高。由于三元锂电池能量密度大，同样容量配置下，三元锂电池日放电收入大于磷酸铁锂电池放电收入。但由于三元锂电池单价高于磷酸铁锂电池单价，使得V2G 单位电量成本较高，日利润低。

表5 电池放电电量及V2G 单位电量成本

表6 磷酸铁锂电池V2G 效益计算结果

表7 三元锂电池V2G 效益计算结果

不同容量配比的电池初始投资不同，计算对应的收益率如表8 所示。

表8 V2G 电池投资效益对比

由表8 可知，一充一放运行模式下不同磷酸铁锂电池容量配比的V2G 年收益率呈现先增长后减小的变化趋势。这是因为电池增加使整车质量和能耗增加，导致V2G 收益率非线性变化。因此电池容量并非配置越多收益越大，适当的电池容量配置能够获得最大的收益。

技术的进步将进一步降低电池价格，预期2025年磷酸铁锂电池降低到650 元/kWh，测算V2G 电池投资效益，如表9 所示。

不同磷酸铁锂电池价格下的V2G 效益如图1所示。电池价格的下降将进一步提升V2G 投资效益。

进一步探讨充放电次数的增加对V2G 效益的影响。考虑快递车在低谷23∶00—07∶00 时段充电，峰时段10∶30—11∶30 放电，平时段11∶30—16∶00 充电，峰时段19∶00—21∶00 之间放电，充放电次数为两充两放。计算两充两放运行模式下的收入和利润，即在一充一放收益的基础上叠加峰平时段的收入，如表10 所示，与一充一放收益对比如图2 所示。

表9 V2G 电池投资效益对比

图1 不同电池单价下V2G 投资效益

表10 两充两放V2G 效益计算结果

图2 不同充放电模式下磷酸铁锂电池V2G 投资效益

由图2 可知，增加充放电次数的效益并不显著。两充两放峰谷运行模式下收益V2G 年收益率随着电池容量增大而减小，这是因为两充两放模式在平时段充电使得充电成本的增加，导致V2G 单位成本增加，尖峰时段的放电收入不能覆盖平时段V2G 充放成本。对于15 kWh 容量的电池，随着充放电次数的增加，收益率增加。这是因为V2G 单位成本只在V2G 放电电量内分摊，15 kWh 的电池单位充放电量折旧成本为0.204 元／kWh，两种充放电模式下叠加充电成本后的V2G 单位电量成本分别为0.499 元／kWh 和0.83 元／kWh，与尖峰电价之间存在0.540 4 元／kWh、0.209 4 元／kWh 的价 差，因 此15 kWh 容量下电池在增加一次充放电次数时具有正向收益。随着电池容量的增加，单位充放电量折旧成本增加，降低了峰平时段的V2G 单位电量成本与尖峰电价之间的价差，使得该时段充放无效益。因此增加充放电次数不一定能增加收益率。

4 结语

纯电动快递车通过V2G 充电桩接入电网，成为储能单元，提供V2G 增值服务，在峰谷分时电价政策下，对比分析不同电池类型、不同容量配置、不同峰谷运行模型下的收益率。纯电动快递车参与V2G可显著增加纯电动快递配送车的经济效益，能够促进电动快递配送车辆的推广应用。同时，车辆V2G为电网削峰填谷提供了一种更低成本的解决方案，有利于提高电网运行的经济效益。随着电池价格的进一步下降，以及电网调峰、调频等辅助服务市场的发展，V2G 为用户和电网创造的经济效益将进一步提升。