电动汽车两类换电模式的经济性分析

王宇宁，安兆杰，李晓亮，曾惠明

(武汉理工大学 汽车工程学院，湖北 武汉430070)

目前，围绕电动汽车是“换电”还是“充电”的争论仍没有定论。相比“充电”模式，“换电”模式具有提高用户方便性和快捷性、提高电动汽车使用效率、延长电池使用寿命等突出优势，因而得到广泛的推广和应用。“换电”模式下换电服务网络建设主要分为两类：一类是“集中充电、分散换电”型服务网络;另一类是“分散充换电”型服务网络。前者由一个或几个集中充电站和多个换电站构成，集中充电站仅负责对电池进行充电而不负责换电，换电站仅负责换电而不负责对电池进行充电;后者由多个充换电站构成，每个充电站既负责对电池进行充电又负责对电动汽车进行换电。虽然两类换电网络的核心业务都是对电动汽车提供换电服务，但两者在固定成本和运营成本等方面存在较大差异。目前在换电网络建设领域的研究中，有关比较两种换电网络经济性的研究成果很少。而对这方面的研究很有必要，根据经济性较好的模式建立换电网络可以有效地减少成本、提高收益，这对于电动汽车的推广与普及有着极其重要的意义。笔者根据两类换电服务网络的特点，提出两类换电服务网络年收入、固定成本和年运营成本的计算公式，并根据实例比较两者的经济性。

1 “集中充电、分散换电”型服务网络收入及成本分析

1.1 收入分析

“集中充电、分散换电”型换电服务网络的年收入由用户的用电量和运营商制定的售出电价决定，即：

式中：S1为换电网络年收入;DP1为每度电售出的价格，由换电网络运营商根据自身盈利需求、汽油和燃气价格等因素的影响确定;DL1为用户年均用电总量，由换电网络服务的电动汽车数量、百公里耗电量和每辆电动汽车日均行驶里程决定，即：

式中：N1为电动汽车数量;L1为每辆车日均行驶里程;WH1为百公里平均耗电量;TN为一年的天数。因此，该换电服务网络的年均总收入为：

1.2 成本分析

“集中充电、分散换电”型服务网络的成本分为固定成本和运营成本。其中固定成本主要包括设备成本、土地成本、电池成本和线路建设成本等;运营成本主要包括电池充电成本、劳动力成本、设备维护成本、线路维护成本和物流成本等。假设换电服务网络包括a1座集中充电站和b1座换电站，并且a1座集中充电站(或b1座换电站)彼此间没有差别，则固定成本为：

式中：G1为换电网络固定成本;GJ为每座集中充电站固定成本;GH为每座换电站固定成本。其中每座集中充电站的固定成本可表示为：

式中：GJ1为设备成本;GJ2为土地成本;GJ3为线路建设成本;GJ4为电池成本。其中设备成本GJ1与充电设备套数成正比关系。一套充电设备的固定成本是变压器、充电机、配电和充电监控等设备成本的总和［1］，假设有充电设备MT1套，每套设备的价格为DPJS1，则设备成本可表示为：

其中，充电设备套数可表示为：

式中：NC1为充电机总需求量;nc1为每套充电设备可配置充电机的数量。充电机总需求量与充电机的功率、日均电量总需求，以及日均充电时间等因素有关［2］。相对于充换电站，集中充电站的优势之一是可以在电价处于低谷时对电池进行充电，从而减小用电成本。基于该特点，假设集中充电站每日均在电价处于低谷时进行充电，则每座集中充电站充电机总需求量可表示为：

式中：r1为充电机裕度系数(r1＞1);PC1为充电机最大输出功率;TD为电价处于低谷的时间。变压器的电容不同，其可配置充电机的数量也不同，设集中充电站使用的变压器容量为WB1，则其可配套的充电器数量为：

式中：η11为变压器功率因数;η12为变压器负荷率;η13为变压器效率;η14为充电机效率。由此可得设备成本的表达式：

土地成本GJ2与集中充电站的选址及面积大小有紧密联系;线路建设成本GJ3与集中充电站的容量和所在位置有关，当充电站所在节点容量超过最大值时，需要新建线路，否则不需要［3］，对这两方面成本暂不做深入分析。基于被换下电池均在电价处于低谷时充电的假设，设电池单位容量造价为DPD1，每辆电动汽车电池容量为WD1，则电池成本可表示为：

由上述分析即可得到每座集中充电站的固定成本。换电站的固定成本主要包括两部分：换电设备和土地成本(暂不考虑)，可表示为：

式中：GH1为设备成本;GH2为土地成本。换电站主要的设备即为换电机器人［4］，配置换电机器人的数量应保证在换电高峰时段用户的需求，假设换电高峰持续时间为TG1。基于该假设，所需换电机器人的数量NH1为：

式中：α1为高峰时段内换电车辆占车辆总数的百分比;TH1为换电机器人换电池所用的时间。设换电机器人的单价为DPH1，则：

由以上分析可得换电服务网络(a1座集中充电站和b1座换电站)的固定成本：

类似于固定成本的表示方式，该网络的运营成本可表示为：

式中：Y1为换电网络运营成本;YJ为每座集中充电站运营成本;YH为每座换电站运营成本。其中每座集中充电站的年运营成本可表示为：

式中：YJ1为设备维护成本;YJ2为劳动力成本;YJ3为线路维护成本;YJ4为用电成本;YJ5为物流成本;YJ6为电池更换及维护成本。其中，暂不对劳动力成本、线路维护成本、物流成本做深入分析。设备维护成本与设备自身的成本和设计寿命等因素有关，一般表示为：

式中，βJ1为设备年维修成本占设备购置成本的比例。换电站对电池进行及时的维修与养护，有助于延长电池寿命，但电池使用到一定年限需要进行更换。将换电服务网络运营过程中更换电池的费用平均到每年电池的维护费用中，则电池更换及维护成本可表示为：

需要指出的是，βJ4的取值与电池使用频次有关，电池使用频次越高，电池使用年限越短，维护成本更高，则βJ4值越小。设低谷电价为DPDG，则用电成本可表示为：

每座换电站的运营成本可表示为：

式中：YH1为设备维护成本;YH2为劳动力成本。其中设备维护成本可表示为：

由以上分析可得换电网络的运营成本为：

2 “分散充换电”型服务网络收入及成本分析

“分散充换电”型服务网络与“集中充电、分散换电”型服务网络获取收入的方式相同，因此两者的年收入表达式相同，即：

式中：S2为换电网络年收入;N2为电动汽车数量;L2为每辆车日均行驶里程;WH2为百公里平均耗电量;DP2为每度电的售出价格。

“分散充换电”型服务网络的成本同样分为固定成本和运营成本，假设“分散充换电”型服务网络设有c2座充换电站，则该网络固定成本为：

式中：G2为换电网络固定成本;GCH为每座充换电站固定成本;GCH1为设备成本;GCH2为土地成本;GCH3为线路建设成本;GCH4为电池成本。其中设备成本主要由充电设备成本和换电设备成本两方面构成，充电设备成本与充电设备的套数成正比关系，而换电设备成本与换电机器人的数量成正比关系，因此设备成本可表示为：

式中：MT2为充电设备套数;DPCS2为充电设备价格;NH2为换电机器人个数;DPH2为每个换电机器人的单价。其中换电机器人的数量同样应满足换电高峰时刻用户的换电需求，则其算法与NH1的算法相同，即：

式中：α2为高峰时段换电车辆占车辆总数的平均百分比;TH2为换电机器人换电池所用的时间;TG2为换电高峰持续时间。与“集中充电、分散换电”型服务网络使用低谷电价对电池进行集中充电的方式不同，“分散充换电”型服务网络中每个充换电站电池储备量有限，不利于其利用低谷电价对电池进行集中充电，因而通常采用即换即充的方式［5］，即被换下的电池立刻进行充电。因此，换电高峰之后便是充电高峰，则充换电站内的充电设备应满足换电高峰时段被换下的电池同时进行充电的要求。假设被换下的电池充电所需时间为TC，且TC＞TG2，则每座充换电站所需的充电设备的套数为：

式中：r2为充电机裕度系数(r2＞1);WD2为每辆电动汽车电池容量;WB2为充换电站中变压器容量;PC2为充电机的最大输出功率;η21为变压器功率因数;η22为变压器负荷率;η23为变压器效率;η24为充电机效率。由以上分析可知：

电池成本与换电站购置电池数量、电池单位容量的造价相关。购置电池的数量与电动汽车数量成正比关系，且不同用途的车两者比例也不同［6］。设两者的比例为k2，电池单位造价为DPD2，则电池成本为：

土地成本和线路建设成本暂不做分析，则充换电站固定成本为：

充换电站运营成本主要包括设备维护成本、劳动力成本、线路维护成本、用电成本和电池维护成本。则“分散充换电”型服务网络年运营成本Y2为：

由于充换电站采用即换即充的电池充电方式，以致大部分被换下的电池不能在电价处于低谷时进行充电。因此，假设充换电站中被换下的电池均按非低谷电价进行充电，则用电成本为：

式中，DPFDG为非用电低谷时段的电价。线路维护成本和劳动力成本暂不做分析，设备及维护、电池更换及维护成本分别为：

由上述分析可得充换电站年运营成本为：

3 两类换电服务网络经济性对比分析

根据两类换电服务网络各自的特点，根据电池进行充电时间和方式的不同，分别得出了计算其固定成本、年运营成本和年收入的公式。在具体建设换电服务网络时，需要根据具体情况和公式对比两者的经济性。由公式可知，在售出电价和服务对象相同时，两类换电服务网络的年收入是相同的。因而在对比经济性时，主要对比两者运营成本和固定成本的差异。实例分析中，假设两类换电服务网络在土地成本、线路建设及维修成本、劳动力成本和物流成本的投入相同。即在实例分析中着重分析两者在设备成本、电池成本、设备维护成本和用电成本的经济性差异。

现假设某地区建设服务出租车的换电服务网络，为简化计算，假设两类换电网络服务的对象及设备选择完全相同，且两类换电网络中换电站的布局一致。根据网络和相关论文中的数据，两类换电服务网络的参数取值如下：

电动汽车数量N1=N2=n(n＞0);电池容量WD1=WD2=25 kWh;日均行驶里程L1=L2=500 km;百公里耗电量WH1=WH2=15 kWh;充电机最大输出功率PC1=PC2=10 kW;低谷电价时段TD=7 h;电池充电时间TC=3 h;电池单位容量造价DPD1=DPD2=0.3 万元/kWh;变压器容量WB1=WB2=315 kVA;变压器功率因数η11=η21=0.85;变压器负荷率η12=η22=75%;变压器效率η13=η23=95%;充电机效率η14=η24=90%;一套充电设备价格DPJS1=DPCS2=90 万元;充电设备充裕系数r1=r2=1.1;换电高峰时段需换电车辆占总量的比例α1=α2=50%;低谷电价DPDG=0.31 元/度;非低谷电价DPFDG=0.90 元/度;一年的天数TN=365;设备年维修费占设备购置费比例βJ1=βCH1=10%;电池年维修费占电池购置费比例βJ4=30%，βCH4=40%;“分散充换电”型服务网络购置电池总量与电动汽车数量比k2=2。

将上述参数代入两类换电服务网络固定成本式(2)、式(5)和运营成本式(3)、式(6)中，可得：

其中两类换电网络电池购置成本、电池维护及更换成本和用电成本的差异分别为：

根据给定参数的计算结果可得，现阶段“集中充电、分散换电”型服务网络的固定成本和年运营成本都要比“分散充换电型”服务网络高，且高出值与电动汽车数量成正比。主要原因是前者若利用低谷电价对电池进行集中充电，则不能对被换下的电池及时进行充电，因而电池储备量要远大于后者。进而前者需要投入更多的资金用于购置、更换及维护电池，并且低谷电价带来的相对经济效益并不能弥补其在电池方面的投入，最终导致“集中充电、分散换电”型服务网络经济性较差。因此，对“集中充电、分散换电”型换电网络的研究需要在安排电池集中充电时间的选择、电池的物流配送等方面进行更多的研究，或将购买、更换电池改为租赁电池［7-8］，以降低其在电池方面的投入，进而提高经济效益。

4 结论

(1)“分散充换电”型服务网络的固定成本和年运营成本较低，即“分散充换电”型服务网络经济性较好。

(2)“分散充换电”经济性较好的主要原因是其在电池的购置、更换及维护方面的投入明显少于“集中充电、分散换电”型服务网络。

基于所得出的结论，建议现阶段建立换电服务网络时选择“分散充换电”型服务网络，这样可以有效地控制换电服务网络的建设成本，提高经济效益。

［1］ 高赐威，张亮，薛飞，等.考虑集中型充电站定址分容的电网规划研究［J］. 中国电机工程学报，2012(7)：40 -46.

［2］ 高赐威，张亮，薛飞，等.集中型充电站容量规划模型研究［J］.中国电机工程学报，2012(31)：27 -34.

［3］ 李国，张智晟.换电模式下电动汽车充换电网络的规划［J］.电力系统保护与控制，2013，41(20)：93-98.

［4］ 刘群峰. 电动汽车充换电服务网络规划研究［D］.北京：华北电力大学，2013.

［5］ 权会霞.城市电动汽车充换电设施优化布局研究［D］.北京：华北电力大学，2013.

［6］ 赵福旺，李伟. 电动汽车换电站设计模型的建立与优化［J］.电力学报，2014，29(1)：25 -27.

［7］ 孙丙香，何婷婷. 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［J］，2014，29(4)：317 -322.

［8］ 高赐威，吴茜.电动汽车换电模式研究综述［J］. 电网技术，2013，37(4)：892 -898.