典型场景下换电重卡的技术经济性分析

姜运哲 宋承斌 周怡博 周 玮

（中国汽车技术研究中心有限公司中国汽车战略与政策研究中心，天津 300300）

引 言

近年来，我国新能源汽车产业迎来快速发展。截至2021年6月底，全国新能源汽车保有量突破600万辆，占汽车总量的2.06%，但纯电动汽车续驶里程短、补能时间长、冬季续航衰减等问题仍未得到解决。

新能源汽车换电模式是一种电池快速更换技术，能够极大缓解里程焦虑、减少补能时间，具有良好的应用前景。因此，国家电网等企业从我国新能源汽车发展初期就开始探索换电模式，但受限于技术、成本、市场等因素，该模式未能大规模推广 （王佳和阮艺亮，2019）［1］。许多学者也针对新能源汽车换电模式开展了研究：阳岳希等 （2012）［2］研究了公交车的换电需求，提出了合理配置电池并安排电池更换顺序的方法；王抒祥等（2013）［3］建立了换电商业模式评价体系，对充换电服务的3种模式进行了研究；雷珽等 （2013）［4］分析了电动汽车及充换电站关键技术，提出了以公共领域推广、以租代售、从高端乘用车试点等方法发展换电模式的建议；孙丙香等 （2014）［5］针对换电模式下公交车动力电池的价格进行了测算和预测，提出降低电池成本、提高换电站利用率、优化换电站配置和发车规律等发展建议。大多研究重点放在换电站布局策略、换电站电池容量优化、换电运营商业模式研究等，少数研究针对公交车换电模式的经济性进行了分析，而对换电重卡的技术经济性分析仍处于空白。

对换电重卡的技术经济性分析具有非常重要的意义。（1）重卡具有使用频次高、运输负荷大、运输距离长等特点，换电重卡能够在部分场景下更好地满足使用需求，弥补传统新能源重卡的不足；（2）2019年我国重卡一氧化碳、碳氢化合物、氮氧化物、颗粒物排放量分别为80.6万吨、26.5万吨、460.7万吨、3.6万吨，分别占全部汽车污染物排放量的11.6%、15.5%、74%、52.4% （中华人民共和国生态环境部，2020）［6］，是我国道路交通大气污染的主要源头之一。因此，有必要针对换电重卡开展有关研究，推动换电重卡的推广应用，助力我国大气污染防治和 “碳达峰、碳中和”目标早日实现。

1 换电重卡的典型应用场景

换电重卡具有较高的能源补给效率，能够在一定程度上弥补充电重卡使用效率低下的缺陷。但由于动力电池技术水平限制，换电重卡的续驶里程大多为200公里左右，无法达到同等水平柴油重卡的性能。因此，需要研究换电重卡的适用场景，因地制宜开展换电重卡的推广应用。

1.1 封闭场景

封闭场景主要包括港口、钢厂、煤矿等，具有作业区域固定、作业路线不固定的特征。该场景下，重卡常处于24小时连续作业状态，日均行驶里程约80公里／天，具有高频次、高负荷、对运输效率要求高等作业特征。使用换电重卡可实现能源的快速补给，能够满足对运输效率和作业强度的需求，且建设一座换电站即可覆盖整个封闭区域的服务需求。此外，在货物装载与卸载环节，燃油车处于怠速状态；而货物运输环节，车辆常处于低速状态。在此工况下发动机热效率低、燃油经济性差、污染水平高 （韩志玉等，2019）［7］，而使用换电重卡可以解决以上问题，降低车辆造成的大气污染。

1.2 短倒运输场景

短倒运输场景具有路线固定、单程距离短的特征，常见场景包括城市渣土运输、铁路转公路接驳运输、煤矿到电厂短途运输等。该场景下，根据运输距离不同，重卡每天能够往返运输4～6次，日均行驶里程约750公里／天，使用换电重卡可每单程或往返1次更换1块电池，几乎不影响运行效率，可实现对柴油重卡的替代，具备较好的应用潜力。

1.3 干线中长途运输场景

据统计，高速公路货物周转量占货车货物周转总量的比例高达40%以上，重卡是高速公路运输的主力 （李彬等，2020）［8］。因此，高速公路等干线中长途运输是重卡的主要应用场景之一。干线中长途运输场景下，重卡日均行驶里程可达800公里以上，对运输效率要求较高。使用换电重卡能够满足对运输效率的要求，且换电站可以与加油站同样布局于高速公路服务区内，几乎无需新增土地规划，容易实现推广应用。

2 重卡运营成本收益模型

根据GA 802-2019《道路交通管理 机动车类型》，重型载货汽车定义为：总质量大于或等于12000kg的载货汽车。根据 《新能源汽车推广应用推荐目录》相关车型数据分析，本文研究所指的换电重卡特指总质量31吨、整备质量18吨、储能装置总储电量282千瓦时的换电式纯电动自卸汽车，或总质量25吨、整备质量10吨、准托挂车总质量38吨、储能装置总储电量282千瓦时的换电式纯电动牵引车。为简化模型计算过程，假设重卡最大续驶里程为200公里。

2.1 封闭场景与短倒运输场景

封闭场景与短倒运输场景下，重卡多用于满足企业内部生产需求，因此不考虑收入，采用最小费用法构建模型。最小费用法是净现值法的一个特例，用于参选项目的收益无法估算或难用货币衡量的情况。该情况下假设使用换电重卡与柴油重卡收益相同，只比较二者购置与使用成本，并计算换电重卡与柴油重卡的成本现值，成本最小的方案最优。重卡的运营成本模型如下：

当t＝0时，C0为购买阶段产品价格，当t＞0时，Ct为重卡运营阶段的使用成本。

当t＞0时，柴油重卡的运营成本：

当t＞0时，换电重卡的运营成本：

式中，PC为重卡总成本；r为折现率；t为重卡使用年限；Cf为柴油重卡的加油费用；Cc为碳交易费用；L为行驶里程；Ff为柴油重卡的油耗；Pf为油价；β为柴油的碳排放因子；Pc为碳交易市场中的交易价格；Ce为换电重卡的电费，由电力公司收取；Cser为换电重卡的换电服务费（包含电池服务费与租赁费），由换电服务运营商收取；Fe为换电重卡的百公里电耗；Pe为电价；α为电力碳排放因子。

2.2 干线中长途运输场景

干线中长途运输场景下，重卡多用于商业运营，需要考虑重卡的收入，采用增量分析法构建模型。该模型对参与项目的收益和成本方面的差额部分进行比较，并计算换电重卡与燃油重卡的增量现值，现值较大的方案最优。为聚焦主要研究指标，忽略车辆保养费用的差异，假设二者行驶路线相同，高速通行费用相同。重卡的增量分析模型如下：

式中，ΔNPV为重卡的差值净现值；r为折现率；t为重卡使用时长；NA为换电重卡第t年的现金流；NB为柴油重卡第t年的现金流；Y为重卡运营收益；CAt为换电重卡总成本；CBt为柴油重卡总成本；W为货物重量；P为货物运输单价（元／吨公里）。

当t＝0时，CAt为换电重卡购置成本；CBt为柴油重卡购置成本；当t＞0时，CAt为换电重卡运营阶段的使用成本；CBt为换电重卡运营阶段的使用成本。

当t＞0时，柴油重卡的运营成本：

当t＞0时，换电重卡的运营成本：

3 换电重卡技术经济性分析

3.1 封闭场景

封闭场景以钢厂内货物运输为例，换电重卡为总质量31吨的换电式纯电动自卸汽车。假设该场景下车辆行驶80公里／天，每年运行330天。

基准情景下，假设换电重卡的购置成本为50万元，能耗为140千瓦时／百公里，电费与换电服务费（包含电池服务费与租赁费）均为0.7元／千瓦时；假设柴油重卡的购置成本为40万元，油耗为45升／百公里，油价为5.5元／升。取折现率为7%，由表1和图1可以看出，换电重卡的购置成本高，但单位行驶里程的使用成本低于柴油重卡，因此随着车辆的使用，换电重卡与柴油重卡的费用差值逐步减少。封闭场景下，重卡日均行驶里程较短，导致换电重卡的经济性短期内难以体现，第11年时换电重卡的总成本才低于柴油重卡。

表1 封闭场景下换电重卡与柴油重卡的经济性对比

图1 封闭场景下换电重卡与柴油重卡的总成本差值

3.2 短倒运输场景

短倒运输场景下，假设车辆单程行驶75公里，每天可往返5次，即750公里／天，电费与换电服务费（包含电池服务费与租赁费）均为0.7元／千瓦时，其他条件与封闭场景均相同。由表2和图2可以看出，换电重卡的购置成本高，但单位行驶里程的使用成本低于柴油重卡。短倒运输场景下，车辆行驶里程较长，导致换电重卡的使用成本优势明显，第2年时换电重卡总成本已经低于柴油重卡，经济性较短倒运输场景大幅提升。

图2 短倒运输场景下换电重卡与柴油重卡的总成本差值

表2 短倒运输场景下换电重卡与柴油重卡的经济性对比

3.3 干线中长途运输场景

干线中长途运输场景以高速公路货物运输为例，换电重卡为准托挂车总质量38吨、整备质量10吨的换电式纯电动牵引车，单次运输货物最大质量为28吨；柴油重卡为准托挂车总质量40吨、整备质量9吨的换电式纯电动牵引车，单次运输货物最大质量为31吨，重卡每年运行300天。

基准情景下，假设换电重卡的购置成本为50万元，能耗为140千瓦时／百公里，电费与换电服务费（包含电池服务费与租赁费）均为0.7元／千瓦时；假设柴油重卡的购置成本为40万元，油耗为45升／百公里，油价为5.5元／升。该场景下需考虑重卡的盈利能力，假设货物运输价格为0.162元／吨公里 （刘学之等， 2021）［9］。

换电重卡续驶里程200公里，假设每日行驶800公里，则中途需更换4次电池，约耗费30分钟。柴油重卡行驶途中无需加油，因此能够比换电重卡多行驶30分钟。以高速公路限速100公里／小时计算，则柴油重卡每日行驶850公里。

取折现率为7%，根据以上假设进行计算。由表3和图3可以看出，基准场景下，换电重卡每年现金流较柴油重卡少3万元左右。即干线中长途运输场景下，使用换电重卡的收益小于柴油重卡，因此当前并不具备经济性。

表3 干线中长途运输场景下换电重卡与柴油重卡的经济性对比

图3 中长途运输场景下换电重卡与柴油重卡的现金流差值

4 灵敏度分析

为了探究不同场景下换电重卡经济性的主要影响因素，本节重点研究电池综合服务费（包括电费、换电服务费、电池租赁费等）、碳交易费用以及电池重量等因素对换电重卡的经济性影响。

4.1 电池综合服务费

基准情景下，随着电池综合服务费逐渐下降，换电重卡运营经济性逐渐增加，换电重卡与柴油重卡的总成本差现值逐年减小，经济性得到提升。

由图4和图5可知，封闭场景下，当电池综合服务费达到1.0元／千瓦时，换电重卡的总成本在第6年小于柴油重卡，具备应用经济性；短倒运输场景下，当电池综合服务费达到1.6元／千瓦时，换电重卡的总成本在第3年小于柴油重卡，具备应用经济性。可以发现：两种场景下，由于重卡行驶里程的不同，导致换电重卡实现经济性的时间不同；对于封闭场景，尽可能降低电池综合服务费，有助于换电重卡更早实现经济性。

图4 封闭场景下换电重卡电池综合服务费灵敏度分析

图5 短倒运输场景下换电重卡电池综合服务费灵敏度分析

由图6可知，中长途运输场景下，当电池综合服务费达到1.2元／千瓦时，换电重卡的运营收益大于柴油重卡，并在第3年实现总收益大于柴油重卡，具备应用经济性。

图6 中长途运输场景下换电重卡电池综合服务费灵敏度分析

由图7可知，长途运输场景下换电重卡经济性对电池综合服务费的敏感性最高，其次是短倒运输场景，最后是封闭场景。电池综合服务费每下降0.2元，封闭场景下换电重卡运营成本下降6908元／年，短倒运输场景下换电重卡运营成本下降47103元／年，长途运输场景下换电重卡运营成本下降62804元／年。由此可知：随着车辆行驶里程的增加，电池综合服务费对经济性的影响愈发显著。

图7 不同场景下换电重卡电池综合服务费灵敏度分析

4.2 碳交易费用

“双碳”目标下，碳交易制度或将成为促进道路交通低碳化的重要手段之一，本节重点研究基准情景下碳交易费用对换电重卡的经济性影响。

随着碳交易费用上升，换电重卡及柴油重卡的运营成本上升；由于电力碳排放因子比柴油碳排放因子低，碳交易费用对柴油重卡的影响更大。

由图8、9可知，封闭场景和短倒运输场景下，碳交易费用从50元／吨变化到250元／吨，对换电重卡和柴油重卡的经济性影响并不明显。

图8 封闭场景下换电重卡碳交易费用灵敏度

图9 短倒运输场景下换电重卡碳交易费用灵敏度

由图10可知，中长途运输场景下，无论碳交易费用如何变化，均无法使换电重卡具有经济性优势。

图10 中长途运输场景下换电重卡碳交易费用灵敏度

由图11可知，长途运输场景下换电重卡经济性对碳交易费用敏感性最高，其次是短倒运输场景，最后是封闭场景。碳交易费用每上涨50元，封闭场景下换电重卡相对于燃油重卡运营成本节省347元／年，短倒运输场景下换电重卡相对于燃油重卡运营成本节省2364元／年，长途运输场景下换电重卡相对于燃油重卡运营成本节省3971元／年。由此可知：随着车龄行驶里程的增加，碳交易费用对经济性有一定影响，但影响较为有限，不足以使换电重卡具备经济优势。

图11 不同场景下换电重卡碳交易费用灵敏度

4.3 电池轻量化

中长途运输场景下，需要考虑车辆的盈利性，因此必须考虑换电重卡与柴油重卡的载重差异。根据前述假设，换电重卡的载货量比柴油重卡少3吨。假设随着电池技术的发展，电池质量降低，换电重卡载货量提高，增加单次运输盈利，经济性上升。

根据 《节能与新能源汽车技术路线图2.0》（2020）［10］，当前量产的动力电池系统质量能量密度可达到160W·h／kg，到2035年质量能量密度将达到300W·h／kg，即282kWh动力电池重量将由当前的1.76吨降至0.94吨。由图12可知，中长途运输场景下，随着动力电池重量的降低，换电重卡的经济性有所提升。当动力电池重量降至0.9吨，换电重卡在使用过程中经济性明显提升，但总成本仍无法在15年内与柴油重卡持平。

图12 中长途运输场景下换电重卡电池重量灵敏度

为进一步分析换电重卡载货量对经济性的影响，假设换电重卡与柴油重卡载货量均为31吨。由图13可知，基准场景下，换电重卡具有明显的经济性优势。因此，载货量对中长途运输场景下换电重卡的经济性具有较为明显的影响。

图13 中长途运输场景下换电重卡与柴油重卡的现金流差值

5 结论与政策建议

新能源重卡初始购置成本远高于柴油重卡，换电模式的出现能够大幅降低新能源重卡初始购置成本，缓解车辆补能焦虑。

通过本文分析可知：基准情景下，在封闭场景、短倒运输场景使用换电重卡，其运营成本低于柴油重卡，因此随着行驶里程的增加，换电重卡使用总成本低于柴油重卡，具有较好的推广应用潜力；此外，由于短倒运输场景下车辆行驶里程较长，该场景下换电重卡实现经济性所需时间更少。而基准情景下，中长途运输场景使用换电重卡则难以实现较好的经济性，这与几方面因素有关：（1）换电重卡初始购置成本高；（2）换电重卡载货量小于柴油重卡，单次运输盈利低。因此，在没有政策支持的情况下，换电重卡很难在中长途运输场景开展市场化应用。

为加快换电重卡的推广应用，建议针对以上场景给予换电重卡更多的政策支持：（1）对不同场景给予不同运营补贴。电池综合服务费是对换电重卡经济性影响最大的因素，应根据不同场景下换电重卡实现经济性优势的时间不同，给予不同的运营补贴，最大程度发挥财政资金的作用；（2）加大对动力电池技术研发的支持力度。受制于动力电池性能、成本等方面，换电重卡无论在续驶里程还是价格方面，都无法与柴油重卡相媲美，应加大技术研发政策支持力度，推动整车成本不断降低和性能提高，增强换电重卡的经济性。

此外，为分析 “双碳”战略对道路运输行业的影响，本文测算了碳交易费用对换电重卡经济性的影响。可以发现，碳交易制度对换电重卡经济性的影响较小，单独使用该政策难以推动换电重卡的市场化发展。因此，应从政策层面加大创新，给予换电重卡放宽路权、减免税费等优惠，同时限制柴油重卡的使用，多措并举推动换电重卡的发展。