电动汽车公共充电设施运营模式研究

游 阳，荆朝霞

(华南理工大学电力学院，广东 广州 510640)

0 引言

随着可再生能源发电比例的增加，电动汽车相对传统汽车的优势越来越突出。2015年8月至今，已有英国、德国、法国、荷兰、挪威、印度及美国加州等多个国家和地区发布了燃油车禁令。影响、制约电动汽车发展的一个重要因素是充电设施的合理布局和优化运营。目前已有很多相关的研究，其差别主要在两个方面：模型及算法，而模型方面的差别又体现在目标和约束两个维度。

电动汽车充电设施规划、运行优化中，常常需要考虑多个方面的目标，包括充电设施经济性[1]、交通流量[2-3]、用户排队充电时间[4-5]、对电网的影响等[6-8]、充电需求的空间分布等[9]，一般选取其中的一个或多个目标进行优化。实际中，优化的目标主要取决于充电站的运营模式。但在当前的一些文献中，较多注重数学模型的描述，较少对相关的运营模式进行分析，从而影响了研究成果的实用性和可推广性。需要对电动汽车充电设施运营相关的主体之间的关系进行系统梳理，分析不同运营模式下主体之间的价值流向关系。

很多行业需要进行运营模式的研究，一般有三个关键点：确定关键的主体(如顾客、供应商、利益相关者等)、确定主体的价值活动、确定主体间的价值交换。电动汽车充电设施运营中，包含了多种关键主体、主体价值活动以及价值交换对象，多种关键主体、主体价值活动以及价值交换对象进行搭配组合形成了多种运营模式。目前在电动汽车充电设施的运营模式方面有一些研究，一方面一般限于一种或少数几种运营模式，覆盖不全，另一方面大多数为定性分析，缺乏科学的方法[10-15]。服务行业有一些标准的运营模式研究方法：e3-value方法、Freeband商业蓝图法、商业模式原型法和组件商业模式法[16-21]。其中，e3-value方法在2001年由荷兰学者 Gordijn提出，在电子商务等很多领域得到应用，有很强的实用性。本文将e3-value方法引入电动汽车充电设施运营模式研究中，对多种充电设施运营模式进行标准化的建模和量化分析，以更加全面、清晰地对不同的电动汽车充电设施运营模式进行描述，以及能够用更加统一、量化的指标来比较和分析不同的运营模式。

电动汽车充电设施按照位置、使用场景和使用人群的不同可以分为公共充电设施、半公共充电设施、家庭充电设施等，本文的充电站运营模式研究只针对公共充电设施。

1 公共充电设施运营模式价值活动分析

研究电动汽车公共充电设施运营模式的第一步是从关键价值主体、价值活动以及主体间的价值交换三个方面将问题理清。一个运营模式中可以有多种进行交换的价值，而一系列价值交换组成了价值活动，即市场参与主体的行为。市场中不同主体，根据各自不同的目标，确定其价值活动从而实现目标。下面将对电动汽车公共充电设施运营模式中的主体、交换的价值价值活动分别进行阐述。

1.1 公共充电设施运营中的价值交换主体

下面对公共充电设施运营中的主要价值交换主体进行定义。

1) 政府

电动汽车产业的推进需要政府进行引导和整体调控，因此政府在公共充电设施运营中是一个关键主体。具体来说政府通常负责行业整体规划、行业标准制定，通过立法、补贴、财政拨款、举债投资等手段来实现规划目标，引导、优化电动汽车产业。

2) 电网企业

电网企业主要进行输配电网的管理、维护，在公共充电设施运营中，电网企业起到为电动汽车提供能源的作用，使电动汽车能够安全、稳定地充电。

3) 电力零售企业

电力零售企业根据电力市场的模式从电网公司(或独立发电公司)买电，通过其设计的电能套餐卖给电动汽车。

4) 融资租赁企业

融资租赁企业又称设备租赁企业、现代租赁企业，其主要业务是购置、投资和管理租赁资产，具体租赁业务可以分为出售回租、经营性租赁、直接融资租赁等，在公共充电设施运营中，融资租赁企业主要作用是向有使用电动汽车或电池需求的用户提供整车或电池的租赁。电动汽车产业的发展催生了相关的融资租赁企业，相反电动汽车相关融资租赁企业的出现对电动汽车的普及有一定的推动作用。

5) 研制生产型企业

研制生产型企业指进行电动汽车整车的生产及相关技术(如电池技术、充电控制等)研发的企业，在公共充电设施运营中，通常呈现出一种多家研制生产型企业竞争的局面。研制生产型企业的目标是扩大销售市场和销售量，获得更多的利润，主要通过提高生产技术、产品质量、销售推广、服务质量等实现。

6) 充电设施用户

充电设施用户就是电动汽车，可以直接参与相关价值交换活动，也可以通过独立的代理或集聚商来进行充电的管理。

1.2 公共充电设施运营中的价值活动

1) 电动汽车相关产业政策制定

目前，电动汽车本身仍存在成本高，性能无法与传统燃油汽车相媲美等缺点，电动汽车相关的设施和服务仍不够完善，因此在电动汽车产业仍处于发展的初期的情况下，政府需要在宏观上对电动汽车产业的发展进行引导，相关部门必须在科技、财税、产业等各方面进行扶持。

电动汽车产业发展中的一个关键问题是电动汽车仍然不具备经济性，因此政府进行行业支持的主要手段是补贴支持。近年来，各国政府扶持电动汽车大规模推广的补贴手段主要有三种：直接补贴、间接补贴、积分制。电动汽车相关政策的制定能够有效地促进电动汽车的大规模推广。

2) 电能供应

电动汽车所需的电能供应、电能购买，随着我国电力市场改革的情况会有所不同。在市场改革初期，公共充电设施运营商向电网公司购买电，再按照一定的标准对电动汽车用户收取充电费和服务费，赚取差额。在市场改革深入、零售侧完全开放后，公共充电设施运营商可以根据具体市场情况决策自己如何参与市场购电，选择适合的电力零售商，而未来电力零售商也会针对电动汽车这一特殊用户制定相应的电力套餐，公共充电设施运营商的盈利空间能够得到进一步扩展。

3) 充电服务的提供

电动汽车公共充电设施运营商为电动汽车用户提供充电设施和电能同时，还需要为用户提供一系列相关的充电服务，如电池保养、充电控制等，未来电动汽车双向充电技术发展成熟、电力市场完全开放后，电动汽车公共充电设施运营商能够帮助电动汽车参与电力能量、辅助服务市场等，这些都属于充电服务的范畴。

2 e3-value分析法

e3-value分析方法能够将运营模式中的主体关键性质用标准方法表达出来，清晰表述运营主体与其他利益相关者的商业关系、交易结构、交易对象等内容。运营主体可通过对相关价值活动的分析寻找、确定一个合适的商业模式，提高企业经济效率。

基于e3-value的运营模式描述方法，包含了一系列的概念、关系和约束，关键要素描述见表1。

表1 e3-value建模要素表Table1 e3-value modeling factor table

将表中概念用于图示模型中，就可用来描述各参与者之间的商务活动，但不能给出为了满足特殊的终端消费者需求的所有的价值交换。为此，e3-value 采用了一种被称为用例映射图的情景技术，它表示由于一个终端消费者需求(起始刺激)或其他价值交换所引发的价值交换情况。

3 公共充电设施运营主体结构化建模与分析

电动汽车的运营涉及到多个产业，包括电网公司、电力零售企业、融资租赁型企业、研制生产型企业和充电设施用户等,此外，还有政府、公共机构、科研院校等相关的政策制定及研究机构，是一个庞大的产业链。电动汽车相关产业的运营有很多种类型，可按车体的运营模式划分，按电池的运营模式划分等。本文中，主要根据充电设施的运营模式划分为四类：政府主导型、电网企业主导型、研制企业主导型、融资企业主导型，并对各种类型下各类主体的活动特性与价值目标等进行分析和结构化建模。

3.1 政府主导型

在电动汽车产业发展初期，需要政府的推动和支持，以政府作为电动汽车公共充电设施的运营主体，可以对其他主体主导的充电设施运营商起到示范作用，也可为政府进行相关政策的制定提供实际的参考。具体实施采用 “直接投资，政府所有”的方式，支持电动汽车示范运营项目的建设、实施和发展。具有代表性的政府主导型电动汽车运营模式是瑞士政府，联邦能源部则代表瑞士政府制订电动汽车的发展规划、支持政策和负责示范运营的组织实施。

以政府作为电动汽车公共充电设施运营主体的优势有：1) 有利于提升公众对电动汽车产业的信心，从而推动电动汽车产业发展。一方面政府规范、诚信地经营，能提升广大民众对电动汽车充电保障的信心；另一方面，由于投资建设初期，需要大量的资本，而由政府组织运营，由财政负担可能出现的亏损，提升将要进入这一产业的投资者的投资信心，即从消费和投资两方面进行鼓励和示范。2) 提升社会总体效益。在电动汽车产业发展初期，由于市场和技术等的不稳定，可能出现市场大幅波动、经济风险的情况，此时企业的趋利行为会过于重视经济效益而忽视社会效益。而政府作为主导会以全社会效益为先，在市场波动情况发生时，最大程度避免全社会损失。

以政府作为电动汽车公共充电设施运营主体的弊端在于：1) 随着电动汽车商业化运行规模和区域的扩大，投资需求增加，使得政府财政能力难以支撑，政府的融资压力无法得到缓减，将会加重政府的经济负担；2) 市场竞争的缺失将导致运营效率低下，不利于电动汽车商业的长期发展；3) 由于是政府进行投资与获益，不利于商业化运行成果的快速市场化。

政府作为推广电动汽车的主导方，其目标是引导电动汽车相关产业的健康发展，推动电动汽车的大规模应用，使全社会经济和环境效益最大化，从而应对能源危机与环境问题，树立环境友好型的社会形象。政府主导型运营模式的目标函数表达式如式(1)所示，其结构化模型如图1所示。

图1 政府主导型运营模式Fig.1 Operating model under the leadership of government

式中：RSE代表全社会经济；REB代表环境效益；LCS是充电设施用户支付的充电服务费；LVR是用户支付的电动汽车租赁费；CVR&VP是政府租赁和购买电动汽车的成本；CFO是公共充电设施建设运营的成本；S是政府向电动汽车用户提供的补贴。

3.2 电网企业主导型

在电动汽车公共充电设施运营中，电动汽车的能源供应是关键，因此需要电网企业的参与，保证电动汽车能源需求的满足。另外，由于电网企业有足够的资金能力以及人才和相关技术的资源，有利于推进充电设备的研发和推广。具有代表性的电网企业主导型电动汽车运营模式有：我国的北京市、青岛市、北美波特兰通用电气公司以及法国EDF电力公司，其中波特兰通用电气公司参与了美国大规模基础充电设施完善项目，并建造了北美地区第一座公共电动汽车快速充电站。

以电网企业作为公共充电设施运营主体的优势在于：1) 输配电网、充电设施一体优化。电网企业可以进行包括输配电网和充电设施在内的系统整体优化，避免各自规划造成的不协调。2) 保证充电电能的优质、稳定供应。电网企业本身拥有电网建设运营情况的第一手资料，作为公共充电设施运营商利用这些重要资源能够在投建初期对充电设施进行有效地规划，在运营过程中，对电动汽车进行优化控制，既有利于电网的安全和稳定，又能为电动汽车用户提供稳定有保证的电能。3) 拓展延伸电力零售业务。

其缺点在于：1) 缺少电动汽车终端销售网络，在充电站运营方面也缺少实际经验；2) 需要另外购置土地建设充电站，土地方面投入成本较高。

在电网企业作为公共充电设施的运营主体时，它的目标主要有：1) 开拓业务范围，增加售电量，从而增加电网公司的收益；2) 利用充电设施布局、电价机制等手段，对电动汽车充电行为进行调控，起到削峰填谷等作用，有效提升电网效益；3) 利用电动汽车的充电可控性，合理安排机组组合，提高发电效率，节约运行成本。电网企业主导型运营模式的目标函数如式(2)所示，结构化模型如图2所示。式中：GR是对电动汽车充电行为进行调控从而得到的电网效益；EL是售电收益；ECΔ是利用电动汽车充电可控性，合理安排机组组合所节约的运行成本。

图2 电网企业主导型运营模式Fig.2 Operating model under the leadership of the grid company

3.3 融资租赁企业主导型

上文提到，在电动汽车大规模推广的初期，由于高投资、高风险，需要政府进行示范经营或资源支持，但由于较长的资金回收周期，将会给政府造成较大的财政负担，融资企业的参与能够在前期为政府减轻负担，成为电动汽车大规模推广的助力。融资企业能够集中资金购买整车、设施与电池，并对相关业务进行投资、建设、维护、管理，在产业盈利方面具有更强的信心与实力。具体地，融资租赁企业主导型电动汽车运营模式可以分为公私合作伙伴关系模式(PPP, Public-Private-Partnership)、移交-经营-移交模式(TOT, Transfer-Operate-Transfer)和建设-经营-转让模式(BOT, Build-Operate-Transfer)三类。具有代表性的融资租赁企业主导型电动汽车运营模式有：美国赛伯乐投资公司、中国的普天力能公司。美国赛伯乐投资公司与乔治亚电力公司合作，重点致力公共场所充电桩的建设和家庭智能充电；中国的普天力能公司负责充电站建设、电池采购或租赁、维护、充电、管理与补给、车辆动力系统的维修、保养等。

以融资租赁企业作为电动汽车公共充电设施运营主体的优势在于：1) 扩展了金融机构的业务范围与经济效益。金融界积极性较高，他们的投资风险较低，盈利机会大。2) 金融界的加入，既减轻了政府投入的财政压力，又有利于实现规模化生产和推广。其缺点是缺少电动汽车相关领域的技术积累，缺乏充电设施实际运营经验。

融资租赁企业的目标是在融资采购电动汽车后，赚取租赁费用。当它资金等配置足够独自经营充电设施时，就与各行业合作进入市场并处于主导地位。融资租赁企业主导型运营模式的目标函数如式(3)所示，其结构化模型如图3所示。

3.4 研制生产型企业主导型

图3 融资租赁企业主导型运营模式Fig.3 Operating model under the leadership of finance leasing enterprises

电动汽车、充电设施以及电池等相关产业制造商作为电动汽车公共充电设施运营主体的运营模式称为研制企业主导型运营模式。在该种模式下，研制企业可以针对电动汽车的行驶特性，负责对电动汽车及其充电设施与电池进行销售、管理和后期的维护，能够较大程度地提高用户的体验满意度。在日本关西由丰田、本田、三菱和中部电力等9家公司共同出资成立了CHAdeMO Network公司，并实行相应的充电服务收费制度；美国的加州科浪技术公司在美国能源部门3700万美元支持下，投资参与了“全美充电站”计划，建立了超过5000个充电设施；深圳市比亚迪公司为电动汽车提供 4年或 10万公里的质量保证，而关键零部件(动力电池包、托盘总成、动力电机、驱动电机控制器总成、动力电池管理器总成)可享受5年或10万公里的质保期限，极大地减轻了出租车公司和司机对电动汽车使用上的顾虑。

电动汽车、充电设施制造商在整车、设施和电池技术方面具备优势，可以为电动汽车、电池及其充电设备提供专业的保养和维护，并提供电动汽车相关产业最新的科研技术。但是目前电动汽车、充电设施和电池的制造商众多，相关技术标准难以统一，也面临缺乏电能资源与输电网络的支持，缺少终端销售网络，缺乏充电站实际运营经验等挑战。

研制生产型企业作为运营主体的目标：1) 增加产品的销售量，提升营业额；2) 更好地为研制产品进行维护与回收。研制企业主导型运营模式目标函数如式(4)所示，其结构化模型如图4所示。

式中：LVS是研制生产型企业销售电动汽车的收入；CDP是研发和生产电动汽车的成本。

图4 研制生产型企业主导型运营模式Fig.4 Operating model under the leadership of develop production enterprises

4 总结与展望

本文从运营模式的定义出发，详细分析了电动汽车及其公共充电设施市场运营过程中的价值活动，根据现有电动汽车公共充电设施的运营情况对主要运营主体进行归类与分析，阐述各主体主导型运营模式的优缺点，并采用e3-value分析法构建了清晰、明确的运营模式结构化模型，为电动汽车公共充电设施运营模式的研究建立了一个统一的规范和框架。

[1] 刘自发, 张伟, 王泽黎. 基于量子粒子群优化算法的城市电动汽车充电站优化布局[J]. 中国电机工程学报,2012(22): 39-45 LIU Zifa, ZHANG Wei, WANG Zeli. Optimal planning of charging station for elctric vehicle based on quantum PSO algorithm[J]. Proceedings of the CSEE, 2012(22):39-45.

[2] 刘志鹏, 文福拴, 薛禹胜, 等. 电动汽车充电站的最优选址和定容[J]. 电力系统自动化, 2012, 36(3): 54-59.LIU Zhipeng, WEN Fushuan, XUE Yusheng, et al. Optimal siting and sizing of electric vehicle charing stations[J].Automation of Electric Power Systems, 2012, 36(3):54-59.

[3] 赵书强, 李志伟, 党磊. 基于城市交通网络信息的电动汽车充电站最优选址和定容[J]. 电力自动化设备,2016, 36(10): 8-15.ZHAO Shuqiang, LI Zhiwei, DANG Lei. Optimal EV charging station siting and sizing based on urban traffic network information[J]. Electric Power Automation Equipment, 2016, 36(10): 8-15.

[4] 陈静鹏, 艾芊, 肖斐. 基于用户出行需求的电动汽车充电站规划[J]. 电力自动化设备, 2016, 36(6): 34-39.CHEN Jingpeng, AI Qian, XIAO Fei. EV charging station planning based on travel demand[J]. Electric Power Automation Equipment, 2016, 36(6): 34-39.

[5] 徐青山, 蔡婷婷, 刘瑜俊, 等. 考虑驾驶人行为习惯及出行链的电动汽车充电站站址规划[J]. 电力系统自动化, 2016(4): 59-65.XU Qingshan, CAI Tingting, LIU Yujun, et al. Location planning of charging station for electric vehicles based on drivers’ behaviours and travel chain[J]. Automation of Electric Power Systems, 2016(4): 59-65.

[6] 任玉珑, 史乐峰, 张谦, 等. 电动汽车充电站最优分布和规模研究[J]. 电力系统自动化, 2011, 35(14): 53-57.REN Yulong, SHI Lefeng, ZHANG Qian, et al. Optimal distribution and scale of charging stations for electric vehicles[J]. Automation of Electric Power Systems, 2011,35(14): 53-57.

[7] 王娜, 吴鹏飞, 张博. 我国电动汽车充电基础设施商业模式典型案例研究[J]. 汽车工业研究, 2017(5):17-24.WANG Na, WU Pengfei, ZHANG Bo. A typical case study of the business model of electric vehicle charging infrastructure in China[J]. Auto Industry Research,2017(5): 17-24.

[8] 李智, 侯兴哲, 刘永相, 等. 基于深度学习的充电站容量规划方法[J]. 电力系统保护与控制, 2017, 45(21):67-73.LI Zhi, HOU Xingzhe, LIU Yongxiang, et al. A Capacity planning method of charging station based on depth learning[J]. Power System Protection and Control, 2017,45(21): 67-73.

[9] 段庆, 孙云莲, 张笑迪, 等. 电动汽车充电桩选址定容方法[J]. 电力系统保护与控制, 2017, 45(12): 88-93.DUAN Qing, SUN Yunlian, ZHANG Xiaodi, et al. Location and capacity planning of electric vehicles charging piles[J]. Power System Protection and Control, 2017,45(12): 88-93.

[10] 王澄, 徐延才, 魏庆来, 等. 智能小区商业模式及运营策略分析[J].电力系统保护与控制, 2015, 43(6):147-154.WANG Cheng, XU Yancai, WEI Qinglai, et al. Analysis of intelligent community business model and operationmode[J]. Power System Protection and Control, 2015,43(6): 147-154.

[11] 陈通, 李静. 电动汽车充电设施“互联网+”商业模式研究[J]. 华北电力大学学报(社会科学版), 2016, (4):37-40.CHEN Tong, LI Jing. The research of electric vehicle charging infrastructure’s business model based on“internet+”[J]. Journal of North China Electric Power University (social science edition), 2016, (4): 37-40.

[12] 贾晶晶, 郭敏嘉, 范春燕, 等. 新能源汽车充电服务发展瓶颈及商业模式探讨[J]. 陕西电力, 2016, 44(1):46-50.JIA Jingjing, GUO Minjia, FAN Chunyan, et al. Discussion on development of electrical vehicle charging service and business model[J]. Shaanxi Electric Power, 2016, 44(1):46-50.

[13] Román T G S, Momber I, Abbad M R, et al. Regulatory framework and business models for charging plug-in electric vehicles: Infrastructure, agents, and commercial relationships[J]. Energy Policy, 2011, 39(10): 6360-6375.

[14] Bohnsack R, Pinkse J, Kolk A. Business models for sustainable technologies: Exploring business model evolution in the case of electric vehicles[J]. Research Policy, 2014, 43(2): 284-300.

[15] Illing B, Warweg O. Business cases evaluation for electric vehicle market integration[C]// International Symposium on Smart Electric Distribution Systems and Technologies.IEEE, 2015: 499-504.

[16] Seuring S. A review of modeling approaches for sustainable supply chain management[J]. Decision Support Systems,2013, 54(4): 1513-1520.

[17] 杜芳华．电动汽车产业的商业模式创新研究[D]．武汉:武汉理工大学, 2012.DU Fanghua. Research on business model innovation of electric vehicle industry[D]. Wuhan: Wuhan University of Technology, 2012.

[18] 李东, 王翔, 张晓玲, 等. 基于规则的商业模式研究——功能、结构与构建方法[J]. 中国工业经济,2010, 9: 101-111.LI Dong, WANG Xiang, ZHANG Xiaoling, Zhou Chen.Study on the rule-based business model——structure，function and the construction method[J]. China Industrial Economics, 2010, 9: 101-111.

[19] Value-based Requirements Engineering: Exploring Innovative E-commerce Ideas[J]. Requirements Engineering,2003, 8(2): 114-134.

[20] Jaap Gordijn, Hans Akkermans. Designing and evaluating E-business models[J]. IEEE Intelligent Systems, 2001,16(4): 11-17.

[21] Dennis Kundisch，Thomas John．Business Model Representation Incorporating Real Options: an Extension of e3-value[C]. 2012 45th Hawaii International Conference on System Sciences.