基于全生命周期分析的電動汽車充換電站成本收益評估

陳廣開，曲大鵬，胡曉靜，張洪財，胡澤春，王科

(1.廣州供電局有限公司，廣州市 510620；2.清華大學電機系，北京市 100084； 3. 南方電網科學研究院有限責任公司，廣州市 510080)

基于全生命周期分析的電動汽車充換電站成本收益評估

陳廣開1，曲大鵬1，胡曉靜2，張洪財2，胡澤春2，王科3

(1.廣州供電局有限公司，廣州市 510620；2.清華大學電機系，北京市 100084； 3. 南方電網科學研究院有限責任公司，廣州市 510080)

針對電動汽車充換電站的運營，考慮充換電設施建設、充電站運營、換電站運營、監控與智能調度運營等多個環節，對充換電站的成本收益結構進行系統建模，提出了基于全生命周期分析的電動汽車充換電站成本收益評估方法。以廣州市充換電設施規劃數據為例，對電動汽車充電站、換電站進行了成本效益對比分析，并進一步分析了充換電服務費、政府補貼和充電機造價等因素對于電動汽車充換電站盈虧水平的影響。

電動汽車；充換電站；全生命周期；運營模式

0 引 言

隨著能源短缺日益嚴重以及環保呼聲的高漲，電動汽車作為一種低碳、節能、清潔的交通工具，受到世界各國政府的高度關注和大力推廣[1-3]。為滿足電動汽車用戶的需求，進一步推動電動汽車產業的發展，大規模建設充換電站勢在必行[4-7]。2009年，我國政府啟動了節能與新能源汽車示范推廣試點工作(簡稱“十城千輛”工程)，對推廣使用節能與新能源汽車給予補助。另外，中國政府在《“十三五”新能源汽車戰略規劃》中提出，到2020年建立完善的電動汽車動力系統科技體系及產業鏈技術系統，實現各類電動汽車的產業化，促進新能源汽車戰略新興產業進入快速成長期。文獻[8]針對市區電動汽車充電設施，提出了一種基于分區充電需求系數的選址定容方法。但是，由于電動汽車發展整體規模尚小，沒有形成便捷齊全的充電網絡，已投資的充電設施出現了一定程度的閑置棄用和虧損的情況，對電動汽車的大規模推廣帶來不利影響。充換電站的投資和運營對電動汽車的普及具有至關重要的作用，因此研究電動汽車充電設施成本收益評估的方法，對引導電動汽車充電設施投資具有重要意義。

目前，已有一些對電動汽車充換電站的成本收益評估的研究成果發表。文獻[9]中分析了電動汽車充電站整車充電、更換電池2種運營模式，并從具體運營過程、盈利方式及對電網運行的影響等方面對2種運營模式進了比較。文獻[10]研究了換電站的成本效益模型，但未考慮充電站的相應模型。文獻[11]建立了基于微電網的電動汽車換電站的運營模式和充換電模型，分析了市場容量、換電價格、新能源滲透率對微電網運行成本的影響。文獻[12]以全壽命周期成本理論為基礎，從消費者角度建立了電動汽車的全壽命周期成本模型。在成本收益評估方面，現有研究主要針對獨立的運營案例進行分析，包括對換電站運營狀況的分析和對充電站運行過程的經濟核算，但缺少對充換電站經濟效益的統一建模和分析，不能系統性地比較充換電站的盈利水平[13-14]，也沒有全面考慮影響電動汽車充電設施的整個壽命周期要素[15-16]。

本文考慮充換電設施建設、充電站運營、換電站運營、監控與智能調度運營等多個環節，對充換電站的成本收益結構進行建模，并提出基于全生命周期理論的成本效益分析方法。以電動公交車為例，對電動公交車充換電站進行了全生命周期經濟性分析和對比。結合當前廣州市電動汽車及充換電站的市場運營情況，有針對性地研究分析充電服務費收取、政府補貼和充電機造價對電動公交車充換電站運營的影響，得出充換電站運營與收取服務費的盈虧平衡關系。

1 電動汽車充換電站成本收益分析方法

1.1 電動汽車充換電站運營分析

電動汽車的能源供給方式可分為充電模式和換電模式。充電模式指電動汽車整車直插充電，其按充電功率的大小可以分為慢速充電、常規充電、快速充電。換電模式則是將電動汽車和電池分開，電池能量不足時直接更換一組電池。由專門的公司或部門負責更換電池，對電池充電、維護保養和回收廢舊電池[17]。

電動汽車充換電站主要為電動汽車提供充換電服務，其業務主要表現為向電網購電，再轉向電動汽車用戶出售。由于充換電服務需要專業設備和人力資源的支持，充換電站的運營成本評估需要考慮用地與建筑成本、設備成本和人力資源成本。

系統地分析充換電站成本與收益的來源，并將其與運營模式結合，對現有充換電站運營狀況進行分析，并以此來評估充換電站的經濟性，是本文的出發點。

1.2 研究路線圖

本文的研究路線圖如圖1所示。首先根據服務電動汽車的規模，得到電動汽車充換電站充換電負荷量，假設每輛電動公交日充電需求量相同，則依據充換電站每站日服務車輛數，進而可以確定充換電站的耗電成本(用電成本)；根據充換電站設施配建規模，可以確定充換電設備和電池購置成本、充換電站維修維護成本、以及換電站電池租賃成本；根據充換電人員配置，可以確定充換電站人力資源成本。設備和電池購置成本結合充換電站建筑建設成本、土地費用和前期的軟硬件投資成本則構成充換電站初期投資成本；耗電成本、充換電站維修、維護成本、換電站電池租賃成本和充換電站人力資源成本則構成充換電站的運營成本，由初期投資成本和運營成本可得充換電站總成本。充換電站的總收入則由收取的服務費和政府補貼構成。

圖1 研究路線示意圖

在以上成本和收益分析的基礎上，考慮時間因素對充換電站成本收益的影響，建立全生命周期成本收益模型。以電動公交為例，分析服務費的收取、政府對充電設施補貼比例和充電機造價對電動公交充換電站服務費盈虧平衡點的影響。

2 電動汽車充換電站成本收益模型

本節將具體給出電動汽車充換電站的成本收益模型。

2.1 充換電站成本模型

2.1.1 充換電站初期投資成本模型

充電設施初期投資成本主要由充電設施場所建設工程費、充換電設施購置費、土地費用、其他費用和前期的軟硬件投資成本構成。

充電設施場所建設工程費主要指充換電站建筑建設產生的費用，建設工程費Cc為

CC=CY+CF+CT+CS

(1)

式中：CY為工作用房、車輛停放區域等營業用房建設成本；CF為配電室、變電室等輔助用房建設成本；CT為土石及路面廣場工程的成本；CS為場地綠圍墻等服務性工程項目建設成本。

設備購置費按照所需的各類充電設備進行累加。充電設備包括交流充電樁、直流快速充電機、換電機械設備以及各類輔助設備。對于換電站而言，設備購置費應包含電池組的購置費用。設各類充電設備單價為Pi，數量為Ni，所需購買充電設備種類數為n，則設備購置費CD為

(2)

土地費用CL是充換電站建設的重要組成部分，可由式(3)計算：

CL=LPLS

(3)

式中：LP為單位面積地價；LS為充換電站占用的土地面積。

其他費用CO指建設過程中產生的建設管理費和勘察設計費，可按行業標準估算。

在運營電動汽車監控與智能調度系統業務時，需要對前期相應的軟硬件進行購買和投資，設為CM。

因此，充換電站前期建設成本模型為

CI=CC+CD+CL+CO+CM

(4)

2.1.2 充換電站各運營業務成本模型

對于充電站，主要有充電站的運營業務和電動汽車監控與智能調度系統運營業務；對于換電站，主要有換電站運營業務和電動汽車監控與智能調度系統運營業務。

充電站的運營業務成本CCO可表達為

CCO=CCP+CCM+CCH

(5)

式中：CCP為耗電成本，取決于充電站的購電電量及電價；CCM為建筑和充電設施維護成本，建筑設施平均每年的維護費用按建筑工程造價的1%估算，充電設備平均每年的維護費用按設備價格的2%估算；CCH為運營人員費用，與當地工資水平及人數相關。

換電站的運營業務成本CSO可表達為

CSO=CSP+CSM+CSH

(6)

與充電站運營業務成本類似，CSP為換電站耗電成本；CSM為建筑和充電設施維護成本；CSH為運營人員費用。

對于換電站，假如換電所需電池全部由換電站提供，則會產生高昂的前期投資成本，故部分電池采用電池租賃形式。設電池租賃成本CBL可表示為

CBL=NBLPBL

(7)

式中：PBL為租賃電池組的單價；NBL為租賃電池組的數量。

電動汽車監控與智能調度系統運營業務成本CMO可表達為

CMO=CMP+CMM+CMH

(8)

式中：CMP為耗電成本；CMM為維護成本；CMH為人力資源成本。

則充電站的年運營總成本CCA為

CCA=CCO+CMO

(9)

換電站的年運營總成本CSA為

CSA=CSO+CBL+CMO

(10)

2.1.3 充換電站收入模型

充換電站的運營收入來自于提供充換電服務的收入，表現為收取的充換電費和合理的服務費。在本文中，以收取的服務費單價與充電價格之和P與充換電站全年總充換電量N的乘積作為充換電站的年收入，則運營年收入IO為

IO=PN

(11)

通過收集車輛的運行特性、充電需求量與時間分布信息，計算得到電動汽車全年在峰、谷、平電價時段的充電量。對于給定的充換電服務費標準，則可以得到電動汽車充換電站的運營收入。

為推動電動汽車的發展，目前政府對充電設施給予一定的補貼，設為IG，則電動汽車充換電站的年總收入為

IA=IO+IG

(12)

2.2 全生命周期成本效益模型

20世紀70年代末至80年代初，英美一些學者提出了全生命周期成本(lifecyclecost，LCC)理論，全生命周期管理從整個項目生命周期出發進行探索，側重于對項目決策、設計、施工、運行維護各階段全部造價的確定與控制[18]。應用全生命周期理論對電動汽車充換電站投資進行管理的目標是引導合理的投資決策和指導充換電服務費的設定。

根據電動汽車充電站的實際情況，將其全生命周期分為以下幾個階段：前期投資建設階段、運營維護階段和結束回收階段[19]。

前期投資建設階段所產生的成本是指充電設施從決策立項到建成投入使用期間所發生的全部成本。該成本主要包括充換電站的建設成本、占地成本、充電機、換電機械裝置、電池等直接充電設備或相關輔助設備的購置成本等。前期投資建設階段沒有效益來源。

對于初期投資成本中的各項，將其加和形成總初期投資成本IC，即前文公式(4)中的CI。運營維護階段所產生的成本是指充電設施在為電動汽車提供充電或換電服務的運行過程中所產生的全部成本。該成本主要包括耗電成本、充電設施維護成本、建筑設施維護成本和人員成本等。運營階段所產生的效益則是電動汽車充電或換電收取的服務費和政府補貼。

假設充換電站使用壽命為T年，充換電站1年的運營成本為AC，即前文中的充電站的年運營總成本CCA和換電站的年運營總成本CSA。對于全生命周期T年，視在運營總成本NOC為

NOC=TAC

(13)

根據經濟學理論，對于長周期的經濟計算，要考慮機會成本的影響，通過貼現率來體現，設為i%，則全生命周期內貼現運營總成本LCOC為

(14)

結束回收階段，可能會出現相轉讓或出賣產生的資產清理費等相關成本，設在充電設施全生命周期T結束時，結束回收視在成本為NDC，則考慮機會成本影響后，貼現到現在的實際結束回收成本LCDC為

(15)

因此，全生命周期成本LCC為

LCC=IC+LCOC+LCDC

(16)

對于全生命周期收入，主要由運營收入和回收過程中設施殘值產生。

年運營收入AI即與前文公式(12)中IA相對應。對于全生命周期T年，視在運營總收入NOI為

NOI=T×AI

(17)

同理，需要對年運營收入做貼現處理。則全生命周期內貼現運營總收入LCOI為

(18)

在回收過程中，設施殘值設為NDI，則考慮機會成本影響后，貼現到現在的實際結束回收成本LCDI為

(19)

因此，全生命周期收入LCI為

LCI=LCOI+LCDI

(20)

故可以得到全生命周期的凈收益LCP為

LCP=LCI-LCC

(21)

3 算例分析

3.1 參數說明

應用所提出的電動汽車成本收益核算及全生命周期計算方法，以純電動公交車為例，對充電站和換電站進行成本效益分析。對于一個純電動公交車的充電站，其占地面積在800m2左右，配備20個充電車位和20個額定功率為100kW的直流充電機，為20輛純電動公交車服務。對于一個純電動公交車的換電站，其占地面積在1 000m2左右，具有4個換電車位，配備80個額定功率為100kW的直流充電機為電池充電，日服務80輛純電動公交車[20]。假設公交車電池使用壽命為4年，其他設施使用年限為10年。

3.2 電動公交車充換電站成本收益核算

3.2.1 電動公交車充換電站建設成本核算

房屋建筑工程費和其他費用參考某加油站的建設[21]；直流充電機的單價為30萬元，換電設備4套，其單價為50萬元[20]；換電站需配備0.5倍服務車輛的換電電池，在這里假定換電站購買與租賃電池的比例為 4∶1，每組電池的購買單價為60萬元，租賃電池組的年單價為15.72萬元；充換電站地價按照廣州商業用地地價10 000 元/m2計算。電動汽車監控與智能調度系統每站建設需10.5萬元[22]。根據計算，單個電動公交充電站和換電站的初期投資總成本分別如表1和表2所示。

表1 電動公交車充電站初期投資成本 萬元

Table 1 Primeval investment costs of electric vehicle charging station

由表1和表2可知，土地費用和設備購置費占據充換電站前期投資成本的絕大部分，雖然換電站需要配備電池及所需充電機的數量較多，但土地費用并沒隨服務車輛成比例增加，因此換電站服務單輛車的初期投資成本略低于充電站。

表2 電動公交車換電站初期投資成本 萬元

Table 2 Primeval investment costs of electric vehicle swapping station

3.2.2 電動公交車充換電站年運營成本核算

根據電動公交車的年耗電量，結合其在峰、谷、平電價時段充電量及對應價格，可以計算得到每個充換電站的耗電成本。假設電動公交車日耗電量為247.5 kW·h，電動公交車日峰、谷、平電價時段耗電比例和電價如表3所示；運營人員工資參考廣東地區薪酬狀況確定，假設充電站運營業務需要5人，換電站運營需要7人，1人可負責2個電動汽車監控與智能調度系統，電動汽車監控與智能調度業務運營各項成本根據文獻[22]確定。則單個電動公交車充電站和換電站的平均年運營成本如表4和表5所示。

表3 峰、平、谷時耗電比例及電價

Table 3 Time-of-power ratio and time-of-use

從表4和表5可以看出，換電站年運營成本遠高于充電站，但換電站服務單輛車的年運營成本略低于充電站，這是由于換電站服務車輛數目多于充電站服務車輛產生的結果。

3.2.3 電動公交車充換電站全生命周期收益核算

由前面分析可知，電動公交車充換電站的收益高低取決于收取的服務費水平，假設收取的服務費價格為1.0元/(kW·h)時，貼現率取6%，則單個電動公交車充換電站全生命周期收益情況如表6所示(結果四舍五入取整)。

表4 充電站年運營成本

Table 4 Annual operating cost of charging station 萬元

表5 換電站年運營成本

表6 電動公交車充換電站全生命周期收益 萬元

表6顯示在收取的服務費價格為1.0元/(kW·h)時充電站全生命周期凈效益為-63萬元，而換電站全生命周期凈效益為-2 849萬元，在此服務費水平下，換電站虧損程度高于充電站。

3.3 靈敏度分析

本文研究數據基于文獻調研和假設得到，考慮未來政策變化、技術升級等的影響，充電換電站收取的服務費水平、政府補貼比例和充電設施造價等可能發生變化，故需要對其進行靈敏度分析[23]。

3.3.1 服務費水平對充換電站盈虧水平的影響

電動公交車充換電站的收益來自收取的充換電服務費，而單位電量服務費的高低決定了充換電站是否盈利。假設政府不提供補貼，充電設施價格如3.2.1節所述，則單個公交車充電站和換電站在不同服務費下全生命周期收益如圖2和圖3所示。

圖2 服務費水平對公交車充電站生命周期收益的影響

圖3 服務費水平對公交車換電站生命周期收益的影響

從圖2和圖3可以看出，在無政府補貼的情況下，當服務費價格約為1.05元/(kW·h)時，電動公交車充電站盈虧平衡，而電動公交車換電站的服務費價格則需達到1.25元/(kW·h)時才可以實現盈虧平衡。在本算例情景下，電動公交車換電站服務費盈虧平衡點高于充電站。燃油公交車(車長12 m)每百km耗油40 L，純電動公交車的電耗約為1(kW·h)/km。目前柴油的價格約在5.7元/L，每km燃油費成本約為2.296元，電價按表3電價加權平均，則充電站充電平均電價為0.610元/(kW·h)，換電站換電平均電價為0.467元/(kW·h)。充換電站收取的服務費與電價之和低于燃油成本，電動公交車具有較明顯的使用成本優勢。

3.3.2 政府補貼對充換電站盈虧水平的影響

為推動電動汽車的發展，目前政府對充換電設施給予了一定的補貼。不同的補貼力度則會影響充換電站的成本收益。假設政府對充換電設施提供補貼，補貼比例為0～100%，則單個電動公交車充電站和換電站在不同政府補貼下全生命周期收益的服務費盈虧平衡點如圖4和圖5所示。

圖4 公交車充電站服務費盈虧平衡點與政府補貼的關系

圖5 公交車換電站服務費盈虧平衡點與政府補貼的關系

從圖4和圖5可以看出，隨著政府補貼比例的提高，電動公交車充換電站收取服務費盈虧平衡點降低。在本算例情景下，換電站服務費的盈虧平衡點始終高于充電站服務費的盈虧平衡點。由于電動公交車的使用成本低于燃油公交車，因此此處政府的補貼實際應考慮對購買電動公交車成本的平衡。

3.3.3 充電機造價對充換電站盈虧水平的影響

對于本算例，充電機購置成本占據充換電站初期投資成本的大部分，隨著電動汽車產業規模不斷擴大，受規模效益影響，充電機造價會逐年下降。假設政府不對充電設施提供補貼，充電機造價以現在為基準，降低0～60%時，單個電動公交車充電站和換電站在不同充電機造價下全生命周期收益的服務費盈虧平衡點如圖6和圖7所示。

圖6 電動公交車充電站服務費盈虧平衡點與充電機造價的關系

圖7 電動公交車換電站服務費盈虧平衡點與充電機造價的關系

從圖6和圖7可以看出，隨著充電機造價的降低，電動公交車充換電站收取服務費盈虧平衡點將進一步降低。在本算例情景下，換電站服務費的盈虧平衡點始終高于充電站服務費的盈虧平衡點。對比3.3.2節與3.3.3節知，政府補貼對充換電站盈虧水平的影響程度高于充電機造價對充換電站盈虧水平的影響。

4 結 論

(1)電動公交車換電站初期投資和年運營成本高于電動公交車充電站，因而電動公交車換電站服務費盈虧平衡點高于充電站。

(2)在充換電站滿負荷運行情景下，若充換電站服務費按其盈虧平衡點收取，則電動公交車的使用成本明顯低于燃油公交車。

(3)隨著政府補貼比例的提高和充電機造價的降低，電動公交車充換電站服務費的盈虧平衡點線性降低。其中，政府補貼對充換電站盈虧水平的影響程度高于充電機造價的影響。

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(編輯 張媛媛)

Cost Benefit Evaluation of Electric Vehicle Charging/Swapping Station Based on Life Cycle Analysis

CHEN Guangkai1, QU Dapeng1, HU Xiaojing2, ZHANG Hongcai2, HU Zechun2, WANG Ke3

(1.Guangzhou Power Supply Company, Guangzhou 510620, China; 2. Department of Electrical Engineering, Tsinghua University, Beijing 100084, China; 3. Electric Power Research Institute of China Southern Power Grid, Guangzhou 510080, China)

According to the operation of electric vehicle charging/swapping station, we construct a systematic model for the cost benefit structure of charging/swapping station, and propose the cost benefit evaluation method of electric vehicle charging/swapping station based on life cycle analysis, with considering the charging/swapping infrastructure construction, the operations of charging station and swapping station, and the operation of monitoring and intelligent scheduling etc. Taking the planning data of charging/swapping infrastructure in Guangdong Province as example, we compare and analyze the cost benefits of electric vehicle charging/swapping station, and further analyze the influences of charging/swapping tariff, government subsidy, charging spot’s unit price and other factors on the profit and loss level of electric vehicle charging/swapping station.

electric vehicle; charging/swapping station; life cycle; operation pattern

國家重點基礎研究發展計劃項目(973項目)(2013CB228202)

TM 743

A

1000-7229(2016)01-0030-08

10.3969/j.issn.1000-7229.2016.01.005

2015-09-09

陳廣開(1974)，男，工程師，主要研究方向為電力市場營銷，新能源應用；

曲大鵬(1983)，男，碩士，工程師，主要研究方向為電力市場營銷，新能源應用；

胡曉靜(1991)，女，碩士研究生，主要研究方向為電力系統分析和優化技術；

張洪財(1990)，男，博士研究生，主要研究方向為電動汽車與智能電網；

胡澤春(1979)，男，博士，副教授，本文通信作者，主要研究方向為智能電網、電力系統運行與規劃；

王科(1983)，男，博士，工程師，主要研究方向為大容量儲能及微電網技術。

Project supported by the National Basic Research Program of China (973 Program)(2013CB228202)