电动汽车充、换电模式经济性研究

傅 鹏，杨凤玖，张禄郗

（1.东北电力大学经济管理学院，吉林 吉林 132012；2.国网内蒙古东部电力有限公司供电服务监管与支持中心，内蒙古 通辽 028000）

0 引言

在化石能源大量消耗、环境污染日益严重的背景下，发展纯电动汽车已经成为一种趋势，而只有在充、换电等基础配套设施完善的前提下，电动汽车行业才能够快速发展。当前电动汽车充电方式可分为有线充电模式、换电模式以及无线充电模式，有线充电模式与换电模式已经得到实际应用，而无线充电模式因效率和安全性等问题，并未进入实际应用阶段[1-2]，因此本文讨论充换电模式仅指有线充电模式和换电模式。

为了推动充电设施发展，2015年国家在《国务院办公厅关于加快电动汽车充电基础设施建设的指导意见》中提出了“桩站先行”的概念，指出结合不同领域、不同层次的充电需求，有序推进充电设施建设。截至2020年中国已经设置了80.7万个公共充电桩。

考虑到充电设备的大量接入会对电网产生影响，国家在发展充电模式的同时，开始着眼于换电模式的发展[3-4]。2020年国家工信部宣布国家将会通过相关部门进一步推动充换电基础设施的建设，并建立更加健全的管理政策，完善相关技术标准，支持相关企业依据不同的使用环境进行换电模式车型的研制[5]。相比于充电模式，换电模式服务效率高，相同的时间内，换电模式可以服务更多的车辆来获取更多的收益。此外，换电模式的集中充电行为相较于充电模式中随机的充电行为，能够避免大规模充电设备的接入对电网造成的冲击与危害，有利于提高电网的稳定性[6]。

目前国内外已有一些学者对充、换电模式的经济性进行研究。在充电模式方面，文献[7]基于全生命周期的方法建立了充电基础设施的成本收益模型，对慢充充电桩与超快充电站的运营经济性进行了对比，得出现阶段慢充充电桩经济性更好；文献[8]给出了在三种不同的充电情境下利益主体的经济收益评价；文献[9]在充电桩投资效益模型的基础上，提出了对项目投资效益风险的评估方法；文献[10]介绍了整车充电和更换电池两种模式的运营方式并进行了比较，提出了换电为主、充电为辅将成为市场主流的观点。

在换电模式方面，文献[11]建立了换电站的成本-收益模型，并使用不同指标进行了经济性评价，提出低谷时段充电的改良建议；文献[12]基于分时电价机制，以盈利最大化为目的提出了一种换电站充放电策略，并通过低充高放的充放电行为增加换电站利润，文献[13]在此基础上得出了换电站效益对不同因素的敏感程度不同的结论；文献[14]对换电模式中的“集中充电、分散换电”以及“分散充换电”两种类型进行了经济性比较，认为现阶段应以“分散充换电”类型为主，从而降低成本，提高经济性，但未考虑集中充电对电网的好处；文献[15]提出了低电量阈值和储备阈值换电判断依据，并通过优化电池的充电策略，降低了换电站的运营成本；文献[16]提出构建一种充换电站的通用模型，包含电池的充电模型、换电需求模型以及运营调度模型，在集中充电、统一配送的基础上，还为电站增加了自主充电能力；文献[17]介绍了集中充电统一配送和充换电结合的2种模式，对比说明了两者的优缺点，并提出以实际消耗电量作为计费依据的收费方案。

以上研究工作是针对充、换电模式中的一种或一种模式中的不同类型进行经济性研究，解析了两种模式的经济效益和发展前景，但缺少了对两种模式经济性的统一建模和分析。本文在此基础上对两种模式进行统一建模，分析两者的经济性，从而为企业进入电动汽车充电行业提供参考，推动充电设施发展。文献[18]建立充、换电两种模式全生命周期的成本收益模型，但并未将两种模式的经济性放在同一供电量规模下比较，无法完全体现两种模式经济性的优劣。因此，本文基于分时电价机制，构建了两种模式的成本-收益模型，在售电量相同的条件下对两者的经济性进行比较，并在此基础上考虑了租赁动力电池的方式，进一步提高换电站项目的经济性。

1 充、换电模式经济性分析

在换电模式的成本、收益分析中，基于国家电网“集中充电、统一配送”的原则[19]，采用充电站集中充电，并通过物流运输向换电站配送电池组的方式，以提高换电站服务能力。

1.1 成本分析

1.1.1 前期投资成本

前期投资成本指项目建设初期投入的一次性成本，包括土地成本、设备购置成本、施工成本以及其他成本。

前期投资成本Cu表示为：

式中：Cla为土地成本；Ceb为充电设备的购置成本；Cco为施工成本；Cot为其他成本。

土地成本Cla指建设充换电站及相关设施时用于土地征用的支出，设为所在地区单位面积土地成本Lc乘以占用面积L，见式（2）。对于集中充电的换电模式，土地成本Cla包括充电站费用和换电站费用两部分。

设备的购置成本指购买直流充电机、换电机等相关装置的支出，设每种设备的单位成本为ci，数量为mi，所需购买设备种类数为n，则设备购置费Ceb为：

施工成本指充换电站内建筑建造、配电变电设施建造和消防设施建造的支出，包含充换电设备及相关配电与通信调度等装置的安装、调试过程中产生的支出，按照电站所在地行业标准计算。

其他成本指项目建设过程中用于项目设计、项目验收和检测等方面的支出，按照行业标准计算。

1.1.2 运营成本

运营成本Co主要指项目建成后投入使用的过程中产生的劳务费用Cse、设备的维护费用Cem和购电成本Cep，即：

劳务费用依据当地人员工资水平乘以员工数量来进行估算，即：

式中：w为当地人员工资水平；n为员工数量。

此外，由于换电站采用集中充电、统一配送的方式，还应考虑集中充电站和换电站之间的电池调配和物流配送成本[16]，本文对此暂不作分析，以雇佣物流人员的方式将物流成本计入劳务费用当中。

设备的维护费用主要指设备维修及保养过程中产生的材料费和修理费等相关费用，依据设备的购置成本乘以运行维护费率进行估算，即：

式中：λ为设备运行维护费率。

购电成本指项目在提供充电业务过程中所产生的电费支出，等于电站的售电量乘以购电电价，即：

式中：Q为充电站售电量；Pbuy为购电电价。

对于充电站而言，购电电价为用户充电时电网的实时电价，对于换电站而言，可以发挥集中充电的优势，利用低谷时段电价进行充电，降低自己的购电成本。因此，换电站购电电价为夜间低谷电价。

1.1.3 总成本

对于充电站，项目的总成本C1计算公式为：

对于换电站，除了前期成本和运营成本以外，还应包含电池的购置费用，假如所有电池全部由换电站提供，则会产生高额的电池购置成本。目前换电站行业仍处于初始阶段，并未得到大规模发展，因此本文采用与电池厂商等企业合作，实现电池租赁的方式[20]，节约项目的投资成本。电池租赁成本Cb可表示为：

式中：Pb为租赁电池组的单价；Nb为租赁电池组的数量。

则换电站的项目总成本C2为：

1.2 收益分析

1.2.1 售电收入

售电收入Ic指运营商为用户提供充电服务所获得的收入，等于售电电量乘以售电电价，即：

式中：Ps为售电电价。

1.2.2 服务费收入

为吸引企业主动进入充电设施行业，在收取充电费的基础上，允许增收电动汽车充电服务费If，按照充电量收取，等于服务费单价乘以充电电量，即：

式中：if为服务费单价。

1.2.3 政府补贴收入

目前政府对充换电站的补贴有建设补贴和运营补贴。其中建设补贴有两种方式，一种是按照主要充电设备投资总额的百分比进行补贴；另一种是按照充电设备的种类和功率进行补贴。本文按照充电设备的种类和功率进行建设补贴。运营补贴Ib则按照设备售电电量给予运营度电补贴，即：

式中：ib为度电补贴价格。

1.2.4 总收入

充、换电站项目的总收入计算公式为：

1.3 经济性评价指标

1.3.1 净现值

净现值是将项目各年的净现金流量（CI-CO）按基准折现率折现到期初时的现值之和。净现值等于零时，表示项目达到预期的收益率水平；净现值大于零时，则意味在达到预期收益率的基础上，项目还能得到额外的收益；净现值小于零时，表示项目不能实现预期的收益水平。

净现值是一个总量价值指标，它不仅考虑了资金的时间价值，而且可以反映方案在整个寿命期周内的收益情况，因而能全面反映方案的经济效果。

1.3.2 内部收益率

内部收益率是通过项目现金流量本身计算出来的项目实际所能达到的投资效率，不受现金流量以外条件的影响，计算过程中无需提前给定项目的利率。内部收益率就是项目的净现值为0时的折现率。当内部收益率≥i0时，表示项目的经济效果可以接受；当内部收益率＜i0时，表示项目的经济效果不予接受。

2 应用案例

2.1 成本核算

2.1.1 前期成本

以大型纯电动客车为例，在相同售电量下对两种模式经济性进行分析。采用额定功率100 kW的直流充电机为电池组充电，单价为20万元，每组动力电池容量为200 kWh，购买价格为40万元，租赁一年的价格为5万元。假设换电站日售电量为1200 kWh，换电站需要配备动力电池60组，所有电池均在夜间低谷时段进行充电，则需要15台充电机为电池进行充电；换电站包含换电设备1套，单价为40万元，换电工位占地200 m2。在日售电量规模相同的情形下，假设充电站内每桩日服务时间为6 h，则充电站要配置20台直流充电机，充电工位占地50 m2，所用充电设备需配备电量计量系统，每套成本5000元。换电站2部分面积为800 m2，充电站面积为1200 m2，施工成本和其他成本参考某加油站建设成本，土地价格按照1万元/m2，政府建设补贴参照北京地区补贴政策0.5元/W。据此计算，两种模式的前期成本见表1。

表1 充、换电模式前期成本Tab.1 Upfront cost of charging and battery swapping modes 万元

由表1可知，土地成本和设备的购置成本是影响充、换电站前期成本的主要因素，在售电量相同的情况下，换电模式的前期成本要比充电模式的前期成本低445万元，主要原因是换电模式的换电时间短、服务效率高，而充电站要达到相同的服务量，就需要建设更多的充电设备，占地面积也随之增大。

2.1.2 运营成本

假设充电站日常运行需要5名工作人员，换电站日常运行需要4名工作人员和1名物流人员，平均工资每人每月6000元；设备运行维护费率为设备购置成本的3%。假设充、换电站一年平均运营350天，购电成本中充电站依据日售电量，按比例分配到峰、谷、平3个时段进行计算，充电站各时段耗电比例及电价见表2；换电站售电量全部算入谷时段中，电价参考北京地区一般工商业电价，两种模式的年运营成本见表3。

表2 充电站各时段耗电比例和电价Tab.2 Electricity consumption ratio and electricity price of charging station in each period

表3 充、换电模式年运营成本Tab.3 Annual operating costs of charging and battery swapping modes 万元

从表3可以看出，日售电量相同的情况下，换电模式的运营成本要高于充电模式的运营成本，主要原因是动力电池的租赁成本过高。其次，换电模式由于采用在夜间低谷电价时段集中充电的方式，有效降低了自身的购电成本，如果不考虑动力电池的租赁成本，年运营成本相比充电模式减少134.7万元。

2.2 收益分析

充、换电站的主要收入来源于售电收入、服务费收入和政府补贴收入，售电电价为0.986 4元/kWh，换电服务费为0.8元/kWh，补贴收入参照北京地区补贴政策，以充电设施充电量为基准，运营补贴0.1元/kWh，每年补贴上限为1500 kWh/kW，两种模式的年收益见表4。

表4 充、换电模式年收益Tab.4 Annual revenue of charging and battery swapping modes 万元

结合表3和表4，采用净现值作为经济评价指标，假设项目的生命周期为10年，折现率为8%，两种模式的经济性评价见表5。

从表5中可以看出，在折现率为8%的条件下，充电和换电模式都能取得较好的经济效益。其中，充电模式的经济效果要明显好于换电模式，充电模式的净现值比换电模式高714.49万元，内部收益率比换电模式高6%。

表5 充、换电模式经济性评价Tab.5 Economic evaluation of charging and battery swapping modes

为研究电池成本对换电模式的影响，计算了租赁全部电池、购买全部电池、购买和租赁比例相等的情况下换电模式经济效益，见表6。

表6 不同租赁和购买电池比例下换电模式经济效益Tab.6 Economic benefits of battery switching mode under different ratios of leased and purchased batteries

从表6可以看出，电池成本对电动汽车换电站经济效益影响很大。在不同的电池租赁和购买比例下，换电模式的经济效益不同，在换电站电池全部购买的情形下，换电模式的项目净现值比全部电池租赁情形下低387.01万元，内部收益率降低9%，因此电池租赁的商业模式可以有效提高换电模式的经济性。

在电池全部租赁的情形下，只有当电池的租赁价格为3.23万元/年时，换电模式的净现值才与充电模式相同，此时换电模式的内部收益率为30%，高于充电模式5%。而在电池全部购买的情形下，要使得换电模式的净现值与充电模式相同，则每组电池的单价需为21.64万元，此时换电模式的内部收益率为19%，低于充电模式6%。

3 结束语

本文在分时电价的基础上，对电动汽车充、换电模式进行了成本收益分析，采用净现值和内部收益率指标对两种模式进行经济性评价，并以某地区数据为例进行计算。结果表明，在相同售电量的情形下，电动汽车充电模式比换电模式具有更好的经济性；动力电池成本在很大程度上影响了换电站的经济效益，采用动力电池租赁的商业模式，可以有效降低换电站前期投资，提高项目经济性；当动力电池租赁价格下降到3.23万元/年时，换电模式相对于充电模式将拥有更好的经济效果。

从电网的角度来看，换电模式可以有效避免用户的随机充电行为，降低电网负荷的波动性，相比于充电模式接入电网的友好性更强。此外，在清洁能源高比例上网后，换电模式可以通过改变自身的充放电行为，参与电力辅助服务市场赚取收益，获得更好的经济性，同时也为电网提供调节能力，消纳清洁能源电量，具有极大的推广价值。