電動汽車公共充電設施運營模式研究

游 陽，荊朝霞

(華南理工大學電力學院，廣東 廣州 510640)

0 引言

隨著可再生能源發電比例的增加，電動汽車相對傳統汽車的優勢越來越突出。2015年8月至今，已有英國、德國、法國、荷蘭、挪威、印度及美國加州等多個國家和地區發布了燃油車禁令。影響、制約電動汽車發展的一個重要因素是充電設施的合理布局和優化運營。目前已有很多相關的研究，其差別主要在兩個方面：模型及算法，而模型方面的差別又體現在目標和約束兩個維度。

電動汽車充電設施規劃、運行優化中，常常需要考慮多個方面的目標，包括充電設施經濟性[1]、交通流量[2-3]、用戶排隊充電時間[4-5]、對電網的影響等[6-8]、充電需求的空間分布等[9]，一般選取其中的一個或多個目標進行優化。實際中，優化的目標主要取決于充電站的運營模式。但在當前的一些文獻中，較多注重數學模型的描述，較少對相關的運營模式進行分析，從而影響了研究成果的實用性和可推廣性。需要對電動汽車充電設施運營相關的主體之間的關系進行系統梳理，分析不同運營模式下主體之間的價值流向關系。

很多行業需要進行運營模式的研究，一般有三個關鍵點：確定關鍵的主體(如顧客、供應商、利益相關者等)、確定主體的價值活動、確定主體間的價值交換。電動汽車充電設施運營中，包含了多種關鍵主體、主體價值活動以及價值交換對象，多種關鍵主體、主體價值活動以及價值交換對象進行搭配組合形成了多種運營模式。目前在電動汽車充電設施的運營模式方面有一些研究，一方面一般限于一種或少數幾種運營模式，覆蓋不全，另一方面大多數為定性分析，缺乏科學的方法[10-15]。服務行業有一些標準的運營模式研究方法：e3-value方法、Freeband商業藍圖法、商業模式原型法和組件商業模式法[16-21]。其中，e3-value方法在2001年由荷蘭學者 Gordijn提出，在電子商務等很多領域得到應用，有很強的實用性。本文將e3-value方法引入電動汽車充電設施運營模式研究中，對多種充電設施運營模式進行標準化的建模和量化分析，以更加全面、清晰地對不同的電動汽車充電設施運營模式進行描述，以及能夠用更加統一、量化的指標來比較和分析不同的運營模式。

電動汽車充電設施按照位置、使用場景和使用人群的不同可以分為公共充電設施、半公共充電設施、家庭充電設施等，本文的充電站運營模式研究只針對公共充電設施。

1 公共充電設施運營模式價值活動分析

研究電動汽車公共充電設施運營模式的第一步是從關鍵價值主體、價值活動以及主體間的價值交換三個方面將問題理清。一個運營模式中可以有多種進行交換的價值，而一系列價值交換組成了價值活動，即市場參與主體的行為。市場中不同主體，根據各自不同的目標，確定其價值活動從而實現目標。下面將對電動汽車公共充電設施運營模式中的主體、交換的價值價值活動分別進行闡述。

1.1 公共充電設施運營中的價值交換主體

下面對公共充電設施運營中的主要價值交換主體進行定義。

1) 政府

電動汽車產業的推進需要政府進行引導和整體調控，因此政府在公共充電設施運營中是一個關鍵主體。具體來說政府通常負責行業整體規劃、行業標準制定，通過立法、補貼、財政撥款、舉債投資等手段來實現規劃目標，引導、優化電動汽車產業。

2) 電網企業

電網企業主要進行輸配電網的管理、維護，在公共充電設施運營中，電網企業起到為電動汽車提供能源的作用，使電動汽車能夠安全、穩定地充電。

3) 電力零售企業

電力零售企業根據電力市場的模式從電網公司(或獨立發電公司)買電，通過其設計的電能套餐賣給電動汽車。

4) 融資租賃企業

融資租賃企業又稱設備租賃企業、現代租賃企業，其主要業務是購置、投資和管理租賃資產，具體租賃業務可以分為出售回租、經營性租賃、直接融資租賃等，在公共充電設施運營中，融資租賃企業主要作用是向有使用電動汽車或電池需求的用戶提供整車或電池的租賃。電動汽車產業的發展催生了相關的融資租賃企業，相反電動汽車相關融資租賃企業的出現對電動汽車的普及有一定的推動作用。

5) 研制生產型企業

研制生產型企業指進行電動汽車整車的生產及相關技術(如電池技術、充電控制等)研發的企業，在公共充電設施運營中，通常呈現出一種多家研制生產型企業競爭的局面。研制生產型企業的目標是擴大銷售市場和銷售量，獲得更多的利潤，主要通過提高生產技術、產品質量、銷售推廣、服務質量等實現。

6) 充電設施用戶

充電設施用戶就是電動汽車，可以直接參與相關價值交換活動，也可以通過獨立的代理或集聚商來進行充電的管理。

1.2 公共充電設施運營中的價值活動

1) 電動汽車相關產業政策制定

目前，電動汽車本身仍存在成本高，性能無法與傳統燃油汽車相媲美等缺點，電動汽車相關的設施和服務仍不夠完善，因此在電動汽車產業仍處于發展的初期的情況下，政府需要在宏觀上對電動汽車產業的發展進行引導，相關部門必須在科技、財稅、產業等各方面進行扶持。

電動汽車產業發展中的一個關鍵問題是電動汽車仍然不具備經濟性，因此政府進行行業支持的主要手段是補貼支持。近年來，各國政府扶持電動汽車大規模推廣的補貼手段主要有三種：直接補貼、間接補貼、積分制。電動汽車相關政策的制定能夠有效地促進電動汽車的大規模推廣。

2) 電能供應

電動汽車所需的電能供應、電能購買，隨著我國電力市場改革的情況會有所不同。在市場改革初期，公共充電設施運營商向電網公司購買電，再按照一定的標準對電動汽車用戶收取充電費和服務費，賺取差額。在市場改革深入、零售側完全開放后，公共充電設施運營商可以根據具體市場情況決策自己如何參與市場購電，選擇適合的電力零售商，而未來電力零售商也會針對電動汽車這一特殊用戶制定相應的電力套餐，公共充電設施運營商的盈利空間能夠得到進一步擴展。

3) 充電服務的提供

電動汽車公共充電設施運營商為電動汽車用戶提供充電設施和電能同時，還需要為用戶提供一系列相關的充電服務，如電池保養、充電控制等，未來電動汽車雙向充電技術發展成熟、電力市場完全開放后，電動汽車公共充電設施運營商能夠幫助電動汽車參與電力能量、輔助服務市場等，這些都屬于充電服務的范疇。

2 e3-value分析法

e3-value分析方法能夠將運營模式中的主體關鍵性質用標準方法表達出來，清晰表述運營主體與其他利益相關者的商業關系、交易結構、交易對象等內容。運營主體可通過對相關價值活動的分析尋找、確定一個合適的商業模式，提高企業經濟效率。

基于e3-value的運營模式描述方法，包含了一系列的概念、關系和約束，關鍵要素描述見表1。

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

將表中概念用于圖示模型中，就可用來描述各參與者之間的商務活動，但不能給出為了滿足特殊的終端消費者需求的所有的價值交換。為此，e3-value 采用了一種被稱為用例映射圖的情景技術，它表示由于一個終端消費者需求(起始刺激)或其他價值交換所引發的價值交換情況。

3 公共充電設施運營主體結構化建模與分析

電動汽車的運營涉及到多個產業，包括電網公司、電力零售企業、融資租賃型企業、研制生產型企業和充電設施用戶等,此外，還有政府、公共機構、科研院校等相關的政策制定及研究機構，是一個龐大的產業鏈。電動汽車相關產業的運營有很多種類型，可按車體的運營模式劃分，按電池的運營模式劃分等。本文中，主要根據充電設施的運營模式劃分為四類：政府主導型、電網企業主導型、研制企業主導型、融資企業主導型，并對各種類型下各類主體的活動特性與價值目標等進行分析和結構化建模。

3.1 政府主導型

在電動汽車產業發展初期，需要政府的推動和支持，以政府作為電動汽車公共充電設施的運營主體，可以對其他主體主導的充電設施運營商起到示范作用，也可為政府進行相關政策的制定提供實際的參考。具體實施采用 “直接投資，政府所有”的方式，支持電動汽車示范運營項目的建設、實施和發展。具有代表性的政府主導型電動汽車運營模式是瑞士政府，聯邦能源部則代表瑞士政府制訂電動汽車的發展規劃、支持政策和負責示范運營的組織實施。

以政府作為電動汽車公共充電設施運營主體的優勢有：1) 有利于提升公眾對電動汽車產業的信心，從而推動電動汽車產業發展。一方面政府規范、誠信地經營，能提升廣大民眾對電動汽車充電保障的信心；另一方面，由于投資建設初期，需要大量的資本，而由政府組織運營，由財政負擔可能出現的虧損，提升將要進入這一產業的投資者的投資信心，即從消費和投資兩方面進行鼓勵和示范。2) 提升社會總體效益。在電動汽車產業發展初期，由于市場和技術等的不穩定，可能出現市場大幅波動、經濟風險的情況，此時企業的趨利行為會過于重視經濟效益而忽視社會效益。而政府作為主導會以全社會效益為先，在市場波動情況發生時，最大程度避免全社會損失。

以政府作為電動汽車公共充電設施運營主體的弊端在于：1) 隨著電動汽車商業化運行規模和區域的擴大，投資需求增加，使得政府財政能力難以支撐，政府的融資壓力無法得到緩減，將會加重政府的經濟負擔；2) 市場競爭的缺失將導致運營效率低下，不利于電動汽車商業的長期發展；3) 由于是政府進行投資與獲益，不利于商業化運行成果的快速市場化。

政府作為推廣電動汽車的主導方，其目標是引導電動汽車相關產業的健康發展，推動電動汽車的大規模應用，使全社會經濟和環境效益最大化，從而應對能源危機與環境問題，樹立環境友好型的社會形象。政府主導型運營模式的目標函數表達式如式(1)所示，其結構化模型如圖1所示。

圖1 政府主導型運營模式Fig.1 Operating model under the leadership of government

式中：RSE代表全社會經濟；REB代表環境效益；LCS是充電設施用戶支付的充電服務費；LVR是用戶支付的電動汽車租賃費；CVR&VP是政府租賃和購買電動汽車的成本；CFO是公共充電設施建設運營的成本；S是政府向電動汽車用戶提供的補貼。

3.2 電網企業主導型

在電動汽車公共充電設施運營中，電動汽車的能源供應是關鍵，因此需要電網企業的參與，保證電動汽車能源需求的滿足。另外，由于電網企業有足夠的資金能力以及人才和相關技術的資源，有利于推進充電設備的研發和推廣。具有代表性的電網企業主導型電動汽車運營模式有：我國的北京市、青島市、北美波特蘭通用電氣公司以及法國EDF電力公司，其中波特蘭通用電氣公司參與了美國大規?；A充電設施完善項目，并建造了北美地區第一座公共電動汽車快速充電站。

以電網企業作為公共充電設施運營主體的優勢在于：1) 輸配電網、充電設施一體優化。電網企業可以進行包括輸配電網和充電設施在內的系統整體優化，避免各自規劃造成的不協調。2) 保證充電電能的優質、穩定供應。電網企業本身擁有電網建設運營情況的第一手資料，作為公共充電設施運營商利用這些重要資源能夠在投建初期對充電設施進行有效地規劃，在運營過程中，對電動汽車進行優化控制，既有利于電網的安全和穩定，又能為電動汽車用戶提供穩定有保證的電能。3) 拓展延伸電力零售業務。

其缺點在于：1) 缺少電動汽車終端銷售網絡，在充電站運營方面也缺少實際經驗；2) 需要另外購置土地建設充電站，土地方面投入成本較高。

在電網企業作為公共充電設施的運營主體時，它的目標主要有：1) 開拓業務范圍，增加售電量，從而增加電網公司的收益；2) 利用充電設施布局、電價機制等手段，對電動汽車充電行為進行調控，起到削峰填谷等作用，有效提升電網效益；3) 利用電動汽車的充電可控性，合理安排機組組合，提高發電效率，節約運行成本。電網企業主導型運營模式的目標函數如式(2)所示，結構化模型如圖2所示。式中：GR是對電動汽車充電行為進行調控從而得到的電網效益；EL是售電收益；ECΔ是利用電動汽車充電可控性，合理安排機組組合所節約的運行成本。

圖2 電網企業主導型運營模式Fig.2 Operating model under the leadership of the grid company

3.3 融資租賃企業主導型

上文提到，在電動汽車大規模推廣的初期，由于高投資、高風險，需要政府進行示范經營或資源支持，但由于較長的資金回收周期，將會給政府造成較大的財政負擔，融資企業的參與能夠在前期為政府減輕負擔，成為電動汽車大規模推廣的助力。融資企業能夠集中資金購買整車、設施與電池，并對相關業務進行投資、建設、維護、管理，在產業盈利方面具有更強的信心與實力。具體地，融資租賃企業主導型電動汽車運營模式可以分為公私合作伙伴關系模式(PPP, Public-Private-Partnership)、移交-經營-移交模式(TOT, Transfer-Operate-Transfer)和建設-經營-轉讓模式(BOT, Build-Operate-Transfer)三類。具有代表性的融資租賃企業主導型電動汽車運營模式有：美國賽伯樂投資公司、中國的普天力能公司。美國賽伯樂投資公司與喬治亞電力公司合作，重點致力公共場所充電樁的建設和家庭智能充電；中國的普天力能公司負責充電站建設、電池采購或租賃、維護、充電、管理與補給、車輛動力系統的維修、保養等。

以融資租賃企業作為電動汽車公共充電設施運營主體的優勢在于：1) 擴展了金融機構的業務范圍與經濟效益。金融界積極性較高，他們的投資風險較低，盈利機會大。2) 金融界的加入，既減輕了政府投入的財政壓力，又有利于實現規模化生產和推廣。其缺點是缺少電動汽車相關領域的技術積累，缺乏充電設施實際運營經驗。

融資租賃企業的目標是在融資采購電動汽車后，賺取租賃費用。當它資金等配置足夠獨自經營充電設施時，就與各行業合作進入市場并處于主導地位。融資租賃企業主導型運營模式的目標函數如式(3)所示，其結構化模型如圖3所示。

3.4 研制生產型企業主導型

圖3 融資租賃企業主導型運營模式Fig.3 Operating model under the leadership of finance leasing enterprises

電動汽車、充電設施以及電池等相關產業制造商作為電動汽車公共充電設施運營主體的運營模式稱為研制企業主導型運營模式。在該種模式下，研制企業可以針對電動汽車的行駛特性，負責對電動汽車及其充電設施與電池進行銷售、管理和后期的維護，能夠較大程度地提高用戶的體驗滿意度。在日本關西由豐田、本田、三菱和中部電力等9家公司共同出資成立了CHAdeMO Network公司，并實行相應的充電服務收費制度；美國的加州科浪技術公司在美國能源部門3700萬美元支持下，投資參與了“全美充電站”計劃，建立了超過5000個充電設施；深圳市比亞迪公司為電動汽車提供 4年或 10萬公里的質量保證，而關鍵零部件(動力電池包、托盤總成、動力電機、驅動電機控制器總成、動力電池管理器總成)可享受5年或10萬公里的質保期限，極大地減輕了出租車公司和司機對電動汽車使用上的顧慮。

電動汽車、充電設施制造商在整車、設施和電池技術方面具備優勢，可以為電動汽車、電池及其充電設備提供專業的保養和維護，并提供電動汽車相關產業最新的科研技術。但是目前電動汽車、充電設施和電池的制造商眾多，相關技術標準難以統一，也面臨缺乏電能資源與輸電網絡的支持，缺少終端銷售網絡，缺乏充電站實際運營經驗等挑戰。

研制生產型企業作為運營主體的目標：1) 增加產品的銷售量，提升營業額；2) 更好地為研制產品進行維護與回收。研制企業主導型運營模式目標函數如式(4)所示，其結構化模型如圖4所示。

式中：LVS是研制生產型企業銷售電動汽車的收入；CDP是研發和生產電動汽車的成本。

圖4 研制生產型企業主導型運營模式Fig.4 Operating model under the leadership of develop production enterprises

4 總結與展望

本文從運營模式的定義出發，詳細分析了電動汽車及其公共充電設施市場運營過程中的價值活動，根據現有電動汽車公共充電設施的運營情況對主要運營主體進行歸類與分析，闡述各主體主導型運營模式的優缺點，并采用e3-value分析法構建了清晰、明確的運營模式結構化模型，為電動汽車公共充電設施運營模式的研究建立了一個統一的規范和框架。

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