運用成本效益分析的電動汽車充電電價制定

路 寬，劉 思，牛新生，薛萬磊，朱 毅，朱子劍

（1.山東省電力公司經濟技術研究院，濟南250000；2.電網智能化調度與控制教育部重點實驗室，山東大學電氣工程學院，濟南250061）

隨著電力工業的發展，節能減排問題日益突出。由于具有節能、低噪聲、零排放等一系列優點，電動汽車的規模化發展已漸成趨勢[1～2]。我國正積極推出各種舉措，鼓勵電動汽車的發展，并大力支持配套設施，如充電站的建設[3～4]。充電站運營商和消費者是電動汽車產業不可或缺的參與者[5]，而電動汽車充電電價直接影響運營商和消費者的經濟效益，進而影響電動汽車的產業化發展。因此，充電電價制定的合理性成為關鍵問題。

充電模式包括交流慢速充電和直流快速充電兩種，都是由消費者購買整車，充電站提供充電服務。文獻[6]提出應采用市場機制促進電動汽車發展，常規充電站的充電電價執行商業分時電價，應急充電站則按照高峰時段的商業電價收費，但未對電價制定方法進行具體分析討論；文獻[7]探討了充電電價涉及的各方利益，對運營商而言應考慮保證其收回充電站投資成本并有所盈利，對消費者而言則應考慮用車成本及充電方式的選擇；文獻[8]認為，由于充電電價事關各方，存在利益沖突，因此充電電價的制定應通過博弈分析確定，并在分別建立電力供應商、充電站運營商和消費者充電電價敏感性模型的基礎上，通過對政府、充電方（由電力供應商和充電站運營商組成）和消費者三方的靜態博弈分析，得出三方均可接受的充電電價浮動區間；文獻[9]在設定標準充電站和標準電動汽車的基礎上，分別建立了運營商和消費者的效益模型，對充電電價的影響進行了定量的敏感性分析，求得既滿足運營商盈利又能保證電動汽車消費者用車成本低于燃油汽車的充電電價范圍，并針對無法同時滿足兩者效益的情況，提出了多項解決措施。

本文假定充電站運營商以分時電價購入電能，再以充電電價為電動汽車提供充電服務，從考察充電運營商與消費者效益出發，計及資金的時間價值，以運營商和消費者均能實現相對盈利為原則，探討了充電電價的制定與政府補助水平。最后，結合山東省某充電站實例，對具體補助金額和相應的充電電價進行了測算，證明了本文方法的可行性。

1 效益模型建立

1.1 運營商效益模型

充電站運營商效益模型為

式中：Y1為運營商的效益；CI1、CO1分別為現金流入量和流出量；Rc、Cp、Sot分別為充電收入、購電費用和其他費用。其中：

式中：Qc為充電站年充電電量；πc為充電電價；πp為電網電價；η 為充電效率；Sb、Sr分別為建站成本和運營成本。

1.2 消費者效益模型

由于經濟性是影響消費者選擇汽車類型的重要因素[10]，一般而言，只有當電動汽車使用費用相比傳統燃油汽車低廉時，消費者才可能選擇電動汽車。因此，本文將消費者使用電動汽車看成一項投資，電動汽車的使用費用相當于現金流出，燃油汽車的使用費用相當于現金流入，電池壽命一般為8 a，考慮電池壽命期末的回收及更新，建立消費者的相對效益模型，即

式中：Y2為消費者的相對效益；ΔCv為燃油汽車與電動汽車裸車的購買差價；Cf為燃油費用；Cc、Bm分別為充電費用、電池維護費；Br，t為電池回收收入，t = 8，16，…時該項有效；Bs，t為電池成本，t =0，8，16，…時該項有效。進一步，有

式中：Dmil、T 分別為汽車年行駛公里數、使用年限；πf、Fpm分別為油價、每公里油耗；Eav為電池平均電量；Epm為每公里耗電量；Bpe、Bpr、Bpm分別為電池單位能量的購買成本、回收價格及維護成本。

2 充電電價制定

2.1 基于絕對經濟效益指標的充電電價

本文采用成本效益法[11～12]制定充電電價，以絕對經濟效益指標為考察依據。絕對經濟效益指標[13]分為靜態評價指標和動態評價指標。前者是直接按投資項目形成的現金流量進行計算的指標，包括靜態回收期、投資利潤率；后者是對投資項目的現金流量按貨幣時間價值進行計算的各項指標，包括動態回收期、凈現值NPV（net present value）、內部收益率IRR（intemal rate of return）等。各指標特征見表1。

根據式（1）和式（5）充電站運營商與消費者的現金流入量和流出量進行經濟效益指標測算，確定運營商與消費者可接受的充電電價。絕對效益指標如表1 所示，具體方法如下。

（1）充電站運營商可接受的充電電價計算。將式（1）代入表1 中各指標的計算式，當相應評判標準取等號時，可得運營商剛好收回成本時的充電電價，即其可接受的最低充電電價。其中的最高值即為滿足所有指標的運營商可接受的最低充電電價。

（2）消費者可接受的充電電價計算。將式（5）代入表1 中各指標的計算式，可得消費者實現相對盈利時的充電電價。其中的最低值即為滿足消費者可接受的最高充電電價。

表1 絕對經濟效益指標Tab.1 Absolute economic benefit indicators

（3）由（1）和（2）所得電價構成交集，即為雙方均可贏利的充電電價范圍，其中上限為消費者可接受的最高充電電價，下限為運營商可接受的最低充電電價。

2.2 政府補貼的分析方法

目前電動汽車充電市場供需雙方還不能實現共同贏利，因此需要政府進行財政補貼，以形成良性運轉的市場環境。財政補貼的計算方法如下。

首先，以消費者可接受的水平確定充電電價πc；

其次，以雙方可接受充電電價的差價作為政府補貼，使運營商實現盈利。每年的政府補貼記為營業外收入[14]CIgov，即

將其按照基準收益率折算到初始年，得項目周期內總的政府補貼CIg，即

最后，修正運營商現金流入量，再按照第2.1節的計算方法進行測算，即可得到考慮政府補貼情況下的充電電價，即

3 實證分析

3.1 基礎數據

本文以山東省某充電站的數據進行實證分析[15]。電網電價以山東省一般工商業峰谷分時電價為準，詳見表2，其時段的平均等效電網電價πp1為0.81 元/（kW·h）。不同車型充電行為不同[16]，詳見表3。若按照其充電時段的概率分布可得公交車與乘用轎車的等效電網電價πp2、πp3分別為0.34 元/（kW·h）、0.78 元/（kW·h）。

充電站服務車型有多種，為方便分析，本文以乘用轎車為例[10]。當車型不同時，只需對效益模型中購電費用部分進行修正，即

表2 山東省分時電價Tab.2 Time of use power price in Shandong province元（/kW·h）

表3 不同車型電動汽車的充電行為對應的概率Tab.3 Corresponding probability of different kinds of EV’s charging behaviors

乘用轎車選取比亞迪公司的電動汽車F3DM，傳統燃油汽車取與其性能接近的F0。

3.2 運營商可接受的充電電價測算

當電網等效電價為0.78 元/（kW·h）時，運營商在不同充電電價下的各指標值見表4。項目的各個經濟指標均達到可盈利水平時，充電電價為2.10元/（kW·h），即當πc≥2.10 元/（kW·h）時運營商投資充電站能實現盈利。且隨著充電電價的增加，運營商效益增大，回收成本需要的時間更短，效益更好。

對比靜態投資回收期和動態投資回收期可知，后者回收成本需要時間更長，考慮了資金時間價值后，計算結果更切合實際。

表4 充電站運營商動態經濟效益分析Tab.4 Analysis of dynamic economic benefits of charging station operators

3.3 消費者的充電電價測算

同理可測算得，當充電電價為0 時，即不收取消費者充電電費時，消費者使用電動汽車的項目凈現值為0.06 萬元，剛好實現相對盈利。所以，為推動電動汽車廣泛使用，需要政府提供補貼。現有政策為6 萬元/輛的購買補貼，此時的指標計算見表5。可見，消費者可接受的充電電價為1.03 元/（kW·h）。即πc≤1.03 元/（kW·h）時消費者使用電動汽車比燃油汽車經濟，且隨著充電電價的減小，內部收益率增大，相對效益增大。

表5 消費者動態經濟效益分析Tab.5 Analysisofdynamiceconomicbenefitsofconsumers

3.4 雙贏的充電電價

結合表4 和表5，可得圖1。由圖1 可知，考慮了現有電動汽車購買補貼政策后，充電站運營商和消費者仍沒有可以實現雙贏的充電電價區間。

圖1 運營商和消費者各充電電價下內部收益率比較Fig.1 Comparison of IRR between operator and consumer under different charging prices

3.5 電網電價對充電電價的影響

實際中，充電站有多種服務車型，對應的等效電網電價也不同。本節取介于0.34 元（/kW·h）和0.78 元（/kW·h）之間的值進行分析。在充電電價一定時，電網電價對消費者沒有影響，但對運營商的效益有明顯影響，見圖2。由圖可知，等效電網電價越低，運營商的盈利能力越強，可接受的充電電價越低，出現雙贏充電電價的可能性越大。

圖2 電網電價對充電電價的影響Fig.2 Effect of grid price on charging price

3.6 政府補貼對充電電價的影響

由前面分析知，政府補貼的作用為彌補電動汽車經營、使用的費用虧損，促進電動汽車產業的良性發展。為此可得出，此例中充電站運營商的政府補貼應大于1.07（即2.10～1.03）元/（kW·h），取為1.1 元/（kW·h）時，則CIg為3 035.7 萬元，此時存在實現雙贏的充電電價。政府補貼對雙贏充電電價的影響見圖3，其下限隨補貼水平的提高而降低。

圖3 政府補貼對雙贏充電電價的影響Fig.3 Effect of government subsidies on charging price

4 結論

本文在充分考慮資金時間價值、分時電價和政府補貼的條件下，對充電電價的制定進行了深入探討。

（1）當前條件下，由于電網電價、充電站建站成本較高，還無法找到令充電運營商與消費者都可接受的充電電價。

（2）考慮分時電價以及不同車型的充電行為后，充電站的等效電網電價變低，運營商的盈利能力將增強，可接受更低的充電電價。

（3）考慮資金時間價值的動態分析比靜態分析更科學，更具參考價值。

（4）政府補貼可有效提高充電運營商的盈利水平，其確定與充電電價的測算密切相關，本文針對具體實例的測算結果為每度電最少補貼1.07元。

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