傅 鵬，楊鳳玖，張祿郗

（1.東北電力大學經濟管理學院，吉林 吉林 132012；2.國網內蒙古東部電力有限公司供電服務監(jiān)管與支持中心，內蒙古 通遼 028000）

0 引言

在化石能源大量消耗、環(huán)境污染日益嚴重的背景下，發(fā)展純電動汽車已經成為一種趨勢，而只有在充、換電等基礎配套設施完善的前提下，電動汽車行業(yè)才能夠快速發(fā)展。當前電動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得到實際應用，而無線充電模式因效率和安全性等問題，并未進入實際應用階段[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。

為了推動充電設施發(fā)展，2015年國家在《國務院辦公廳關于加快電動汽車充電基礎設施建設的指導意見》中提出了“樁站先行”的概念，指出結合不同領域、不同層次的充電需求，有序推進充電設施建設。截至2020年中國已經設置了80.7萬個公共充電樁。

考慮到充電設備的大量接入會對電網產生影響，國家在發(fā)展充電模式的同時，開始著眼于換電模式的發(fā)展[3-4]。2020年國家工信部宣布國家將會通過相關部門進一步推動充換電基礎設施的建設，并建立更加健全的管理政策，完善相關技術標準，支持相關企業(yè)依據不同的使用環(huán)境進行換電模式車型的研制[5]。相比于充電模式，換電模式服務效率高，相同的時間內，換電模式可以服務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的充電行為，能夠避免大規(guī)模充電設備的接入對電網造成的沖擊與危害，有利于提高電網的穩(wěn)定性[6]。

目前國內外已有一些學者對充、換電模式的經濟性進行研究。在充電模式方面，文獻[7]基于全生命周期的方法建立了充電基礎設施的成本收益模型，對慢充充電樁與超快充電站的運營經濟性進行了對比，得出現階段慢充充電樁經濟性更好；文獻[8]給出了在三種不同的充電情境下利益主體的經濟收益評價；文獻[9]在充電樁投資效益模型的基礎上，提出了對項目投資效益風險的評估方法；文獻[10]介紹了整車充電和更換電池兩種模式的運營方式并進行了比較，提出了換電為主、充電為輔將成為市場主流的觀點。

在換電模式方面，文獻[11]建立了換電站的成本-收益模型，并使用不同指標進行了經濟性評價，提出低谷時段充電的改良建議；文獻[12]基于分時電價機制，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，文獻[13]在此基礎上得出了換電站效益對不同因素的敏感程度不同的結論；文獻[14]對換電模式中的“集中充電、分散換電”以及“分散充換電”兩種類型進行了經濟性比較，認為現階段應以“分散充換電”類型為主，從而降低成本，提高經濟性，但未考慮集中充電對電網的好處；文獻[15]提出了低電量閾值和儲備閾值換電判斷依據，并通過優(yōu)化電池的充電策略，降低了換電站的運營成本；文獻[16]提出構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營調度模型，在集中充電、統(tǒng)一配送的基礎上，還為電站增加了自主充電能力；文獻[17]介紹了集中充電統(tǒng)一配送和充換電結合的2種模式，對比說明了兩者的優(yōu)缺點，并提出以實際消耗電量作為計費依據的收費方案。

以上研究工作是針對充、換電模式中的一種或一種模式中的不同類型進行經濟性研究，解析了兩種模式的經濟效益和發(fā)展前景，但缺少了對兩種模式經濟性的統(tǒng)一建模和分析。本文在此基礎上對兩種模式進行統(tǒng)一建模，分析兩者的經濟性，從而為企業(yè)進入電動汽車充電行業(yè)提供參考，推動充電設施發(fā)展。文獻[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濟性放在同一供電量規(guī)模下比較，無法完全體現兩種模式經濟性的優(yōu)劣。因此，本文基于分時電價機制，構建了兩種模式的成本-收益模型，在售電量相同的條件下對兩者的經濟性進行比較，并在此基礎上考慮了租賃動力電池的方式，進一步提高換電站項目的經濟性。

1 充、換電模式經濟性分析

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

1.1 成本分析

1.1.1 前期投資成本

前期投資成本指項目建設初期投入的一次性成本，包括土地成本、設備購置成本、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為充電設備的購置成本；Cco為施工成本；Cot為其他成本。

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

設備的購置成本指購買直流充電機、換電機等相關裝置的支出，設每種設備的單位成本為ci，數量為mi，所需購買設備種類數為n，則設備購置費Ceb為：

施工成本指充換電站內建筑建造、配電變電設施建造和消防設施建造的支出，包含充換電設備及相關配電與通信調度等裝置的安裝、調試過程中產生的支出，按照電站所在地行業(yè)標準計算。

其他成本指項目建設過程中用于項目設計、項目驗收和檢測等方面的支出，按照行業(yè)標準計算。

1.1.2 運營成本

運營成本Co主要指項目建成后投入使用的過程中產生的勞務費用Cse、設備的維護費用Cem和購電成本Cep，即：

勞務費用依據當地人員工資水平乘以員工數量來進行估算，即：

式中：w為當地人員工資水平；n為員工數量。

此外，由于換電站采用集中充電、統(tǒng)一配送的方式，還應考慮集中充電站和換電站之間的電池調配和物流配送成本[16]，本文對此暫不作分析，以雇傭物流人員的方式將物流成本計入勞務費用當中。

設備的維護費用主要指設備維修及保養(yǎng)過程中產生的材料費和修理費等相關費用，依據設備的購置成本乘以運行維護費率進行估算，即：

式中：λ為設備運行維護費率。

購電成本指項目在提供充電業(yè)務過程中所產生的電費支出，等于電站的售電量乘以購電電價，即：

式中：Q為充電站售電量；Pbuy為購電電價。

對于充電站而言，購電電價為用戶充電時電網的實時電價，對于換電站而言，可以發(fā)揮集中充電的優(yōu)勢，利用低谷時段電價進行充電，降低自己的購電成本。因此，換電站購電電價為夜間低谷電價。

1.1.3 總成本

對于充電站，項目的總成本C1計算公式為：

對于換電站，除了前期成本和運營成本以外，還應包含電池的購置費用，假如所有電池全部由換電站提供，則會產生高額的電池購置成本。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，實現電池租賃的方式[20]，節(jié)約項目的投資成本。電池租賃成本Cb可表示為：

式中：Pb為租賃電池組的單價；Nb為租賃電池組的數量。

則換電站的項目總成本C2為：

1.2 收益分析

1.2.1 售電收入

售電收入Ic指運營商為用戶提供充電服務所獲得的收入，等于售電電量乘以售電電價，即：

式中：Ps為售電電價。

1.2.2 服務費收入

為吸引企業(yè)主動進入充電設施行業(yè)，在收取充電費的基礎上，允許增收電動汽車充電服務費If，按照充電量收取，等于服務費單價乘以充電電量，即：

式中：if為服務費單價。

1.2.3 政府補貼收入

目前政府對充換電站的補貼有建設補貼和運營補貼。其中建設補貼有兩種方式，一種是按照主要充電設備投資總額的百分比進行補貼；另一種是按照充電設備的種類和功率進行補貼。本文按照充電設備的種類和功率進行建設補貼。運營補貼Ib則按照設備售電電量給予運營度電補貼，即：

式中：ib為度電補貼價格。

1.2.4 總收入

充、換電站項目的總收入計算公式為：

1.3 經濟性評價指標

1.3.1 凈現值

凈現值是將項目各年的凈現金流量（CI-CO）按基準折現率折現到期初時的現值之和。凈現值等于零時，表示項目達到預期的收益率水平；凈現值大于零時，則意味在達到預期收益率的基礎上，項目還能得到額外的收益；凈現值小于零時，表示項目不能實現預期的收益水平。

凈現值是一個總量價值指標，它不僅考慮了資金的時間價值，而且可以反映方案在整個壽命期周內的收益情況，因而能全面反映方案的經濟效果。

1.3.2 內部收益率

內部收益率是通過項目現金流量本身計算出來的項目實際所能達到的投資效率，不受現金流量以外條件的影響，計算過程中無需提前給定項目的利率。內部收益率就是項目的凈現值為0時的折現率。當內部收益率≥i0時，表示項目的經濟效果可以接受；當內部收益率＜i0時，表示項目的經濟效果不予接受。

2 應用案例

2.1 成本核算

2.1.1 前期成本

以大型純電動客車為例，在相同售電量下對兩種模式經濟性進行分析。采用額定功率100 kW的直流充電機為電池組充電，單價為20萬元，每組動力電池容量為200 kWh，購買價格為40萬元，租賃一年的價格為5萬元。假設換電站日售電量為1200 kWh，換電站需要配備動力電池60組，所有電池均在夜間低谷時段進行充電，則需要15臺充電機為電池進行充電；換電站包含換電設備1套，單價為40萬元，換電工位占地200 m2。在日售電量規(guī)模相同的情形下，假設充電站內每樁日服務時間為6 h，則充電站要配置20臺直流充電機，充電工位占地50 m2，所用充電設備需配備電量計量系統(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成本，土地價格按照1萬元/m2，政府建設補貼參照北京地區(qū)補貼政策0.5元/W。據此計算，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 萬元

由表1可知，土地成本和設備的購置成本是影響充、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445萬元，主要原因是換電模式的換電時間短、服務效率高，而充電站要達到相同的服務量，就需要建設更多的充電設備，占地面積也隨之增大。

2.1.2 運營成本

假設充電站日常運行需要5名工作人員，換電站日常運行需要4名工作人員和1名物流人員，平均工資每人每月6000元；設備運行維護費率為設備購置成本的3%。假設充、換電站一年平均運營350天，購電成本中充電站依據日售電量，按比例分配到峰、谷、平3個時段進行計算，充電站各時段耗電比例及電價見表2；換電站售電量全部算入谷時段中，電價參考北京地區(qū)一般工商業(yè)電價，兩種模式的年運營成本見表3。

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

表3 充、換電模式年運營成本Tab.3 Annual operating costs of charging and battery swapping modes 萬元

從表3可以看出，日售電量相同的情況下，換電模式的運營成本要高于充電模式的運營成本，主要原因是動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時段集中充電的方式，有效降低了自身的購電成本，如果不考慮動力電池的租賃成本，年運營成本相比充電模式減少134.7萬元。

2.2 收益分析

充、換電站的主要收入來源于售電收入、服務費收入和政府補貼收入，售電電價為0.986 4元/kWh，換電服務費為0.8元/kWh，補貼收入參照北京地區(qū)補貼政策，以充電設施充電量為基準，運營補貼0.1元/kWh，每年補貼上限為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 萬元

結合表3和表4，采用凈現值作為經濟評價指標，假設項目的生命周期為10年，折現率為8%，兩種模式的經濟性評價見表5。

從表5中可以看出，在折現率為8%的條件下，充電和換電模式都能取得較好的經濟效益。其中，充電模式的經濟效果要明顯好于換電模式，充電模式的凈現值比換電模式高714.49萬元，內部收益率比換電模式高6%。

表5 充、換電模式經濟性評價Tab.5 Economic evaluation of charging and battery swapping modes

為研究電池成本對換電模式的影響，計算了租賃全部電池、購買全部電池、購買和租賃比例相等的情況下?lián)Q電模式經濟效益，見表6。

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

從表6可以看出，電池成本對電動汽車換電站經濟效益影響很大。在不同的電池租賃和購買比例下，換電模式的經濟效益不同，在換電站電池全部購買的情形下，換電模式的項目凈現值比全部電池租賃情形下低387.01萬元，內部收益率降低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濟性。

在電池全部租賃的情形下，只有當電池的租賃價格為3.23萬元/年時，換電模式的凈現值才與充電模式相同，此時換電模式的內部收益率為30%，高于充電模式5%。而在電池全部購買的情形下，要使得換電模式的凈現值與充電模式相同，則每組電池的單價需為21.64萬元，此時換電模式的內部收益率為19%，低于充電模式6%。

3 結束語

本文在分時電價的基礎上，對電動汽車充、換電模式進行了成本收益分析，采用凈現值和內部收益率指標對兩種模式進行經濟性評價，并以某地區(qū)數據為例進行計算。結果表明，在相同售電量的情形下，電動汽車充電模式比換電模式具有更好的經濟性；動力電池成本在很大程度上影響了換電站的經濟效益，采用動力電池租賃的商業(yè)模式，可以有效降低換電站前期投資，提高項目經濟性；當動力電池租賃價格下降到3.23萬元/年時，換電模式相對于充電模式將擁有更好的經濟效果。

從電網的角度來看，換電模式可以有效避免用戶的隨機充電行為，降低電網負荷的波動性，相比于充電模式接入電網的友好性更強。此外，在清潔能源高比例上網后，換電模式可以通過改變自身的充放電行為，參與電力輔助服務市場賺取收益，獲得更好的經濟性，同時也為電網提供調節(jié)能力，消納清潔能源電量，具有極大的推廣價值。