基于充電需求和經(jīng)濟(jì)性的充電樁數(shù)量規(guī)劃研究

馮乾隆 王易 康凱 吳松

（中國(guó)汽車技術(shù)研究中心有限公司，天津 300300）

主題詞：充電樁全生命周期運(yùn)營(yíng)經(jīng)濟(jì)性充電需求規(guī)劃策略

1 前言

在政策和市場(chǎng)雙驅(qū)動(dòng)下，我國(guó)新能源汽車保有量實(shí)現(xiàn)較快增長(zhǎng)，對(duì)充電樁建設(shè)數(shù)量和功率配套也提出了更高的要求。而充電樁建設(shè)數(shù)量、功率在一定程度上影響著用戶的充電體驗(yàn)和運(yùn)營(yíng)商的運(yùn)營(yíng)效益。因此，摒棄傳統(tǒng)僅考慮車樁比的粗放式充電樁規(guī)劃方法，進(jìn)一步充分考慮用戶充電需求和運(yùn)營(yíng)商經(jīng)營(yíng)效益，合理規(guī)劃與新能源汽車發(fā)展高度契合的充電樁數(shù)量和功率，可有效提升用戶充電體驗(yàn)，同時(shí)提高充電樁使用效率、節(jié)約充電樁建設(shè)和運(yùn)營(yíng)成本，利于充電市場(chǎng)和新能源汽車產(chǎn)業(yè)常態(tài)化發(fā)展。

李鵬飛等結(jié)合新能源汽車保有量，采取車樁比的方式規(guī)劃充電樁數(shù)量。劉洪等通過(guò)構(gòu)建用戶出行需求的電量消耗模型，引入充裕性的電量補(bǔ)充因素，預(yù)測(cè)充電樁建設(shè)規(guī)模。張娟等分析無(wú)序充電對(duì)電網(wǎng)的影響，構(gòu)造汽車充電負(fù)荷曲線，進(jìn)而從電網(wǎng)供應(yīng)端規(guī)劃充電樁數(shù)量。桂強(qiáng)等以充電樁建設(shè)成本最低為目標(biāo)，以光儲(chǔ)容量?jī)?yōu)化配置方法測(cè)算充電樁建設(shè)規(guī)模。目前已有文獻(xiàn)大多忽略不同領(lǐng)域新能源汽車對(duì)充電樁功率的需求，未同時(shí)兼顧用戶充電需求和運(yùn)營(yíng)商經(jīng)營(yíng)經(jīng)濟(jì)性因素對(duì)充電市場(chǎng)的影響，不利于充電市場(chǎng)常態(tài)化發(fā)展。

因此，本文在充分分析各領(lǐng)域新能源汽車保有量基礎(chǔ)上，基于大量調(diào)研獲取的不同領(lǐng)域新能源汽車日均行駛里程、單位里程電耗基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，測(cè)算不同領(lǐng)域新能源汽車充電需求。進(jìn)一步從充電樁全生命周期經(jīng)濟(jì)性著手，分析各功率充電樁實(shí)現(xiàn)盈利的日均服務(wù)量。從而以用戶充電需求和充電經(jīng)濟(jì)性2方面著手，提出充電樁數(shù)量規(guī)劃模型，對(duì)2025年我國(guó)充電樁建設(shè)數(shù)量進(jìn)行合理規(guī)劃，推動(dòng)充電樁配建與新能源汽車市場(chǎng)發(fā)展高度契合。

2 新能源汽車充電需求分析

2.1 新能源汽車保有量分析

根據(jù)用途，將規(guī)模化銷售的新能源汽車分為私人領(lǐng)域車輛、市政環(huán)衛(wèi)車輛、公路營(yíng)運(yùn)客車、公交車、巡游出租車、網(wǎng)約車及公路營(yíng)運(yùn)貨車。根據(jù)公安部數(shù)據(jù)，截至2020年，我國(guó)新能源汽車保有量492萬(wàn)輛，2021年新能源汽車實(shí)現(xiàn)躍遷式增長(zhǎng)，保有量提升至784萬(wàn)輛。隨著新能源汽車技術(shù)的成熟和使用環(huán)境的優(yōu)化，預(yù)計(jì)2025年我國(guó)新能源汽車保有量將提升至3 565萬(wàn)輛。

根據(jù)國(guó)家統(tǒng)計(jì)局、交通運(yùn)輸部和工信部數(shù)據(jù)，對(duì)各細(xì)分領(lǐng)域新能源汽車保有量進(jìn)行分析。巡游出租車領(lǐng)域，受牌照總量管控限制，2015～2021年我國(guó)巡游出租車保有量維持在140萬(wàn)輛左右，新能源汽車占比約24%，預(yù)計(jì)未來(lái)巡游出租車總量不會(huì)出現(xiàn)大幅增長(zhǎng)，2025年保有量為145～160萬(wàn)輛，新能源汽車占比將達(dá)到53%，約77.4萬(wàn)輛。網(wǎng)約車領(lǐng)域，截至2021年底，我國(guó)共發(fā)放網(wǎng)約車駕駛員證394.8萬(wàn)本，車輛運(yùn)營(yíng)證155.8萬(wàn)本，預(yù)計(jì)隨著出行需求的增加，2025年網(wǎng)約車保有量將達(dá)到500～550萬(wàn)輛，新能源汽車占比將達(dá)到80%，約192萬(wàn)輛。公路營(yíng)運(yùn)客車領(lǐng)域，受“公轉(zhuǎn)鐵”、私家車分流和出租車市場(chǎng)影響，近年來(lái)我國(guó)公路客運(yùn)量持續(xù)萎縮，據(jù)國(guó)家統(tǒng)計(jì)局?jǐn)?shù)據(jù)，2021年我國(guó)公路營(yíng)運(yùn)客車保有量下降至63萬(wàn)輛，新能源汽車占比約6.9%，預(yù)計(jì)2025年公路營(yíng)運(yùn)客車保有量將進(jìn)一步下降至55～60萬(wàn)輛，新能源汽車占比將提升至30%，約17.4萬(wàn)輛。城市公交車領(lǐng)域，2021年我國(guó)城市公交車保有量約為73萬(wàn)輛，新能源汽車占比約86%，隨著公共需求的增加和城市基礎(chǔ)設(shè)施的完善，預(yù)計(jì)2025年城市公交車保有量將有望提升至82～86萬(wàn)輛，隨著公共領(lǐng)域車輛全面電動(dòng)化發(fā)展，新能源公交車占比有望提升至93%，約78.1萬(wàn)輛。市政環(huán)衛(wèi)車領(lǐng)域，截至2021年，我國(guó)環(huán)衛(wèi)車保有量約40.1萬(wàn)輛，新能源汽車占比約5%，隨著城鎮(zhèn)化進(jìn)程的提速和政府環(huán)衛(wèi)投入力度的加大，預(yù)計(jì)2025年我國(guó)市政環(huán)衛(wèi)車保有量將達(dá)到63萬(wàn)輛，新能源汽車占比將提升至25%，約15.8萬(wàn)輛。公路營(yíng)運(yùn)貨車領(lǐng)域，截至2021年，我國(guó)公路營(yíng)運(yùn)貨車保有量約1 100萬(wàn)輛，新能源汽車占比僅為1%，在“公轉(zhuǎn)鐵”和“雙碳”目標(biāo)驅(qū)動(dòng)下，預(yù)計(jì)2025年公路營(yíng)運(yùn)貨車保有量將下降至1 050萬(wàn)輛，新能源占比提升至1.4%，約14.7萬(wàn)輛。私人領(lǐng)域，截至2021年，私人領(lǐng)域新能源汽車保有量約612.1萬(wàn)輛，隨著新能源汽車進(jìn)入全面市場(chǎng)化發(fā)展，預(yù)計(jì)2025年私人領(lǐng)域新能源汽車保有量將提升至2 004.7萬(wàn)輛。如圖1所示為根據(jù)各領(lǐng)域汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢(shì)，預(yù)測(cè)得到的各細(xì)分領(lǐng)域新能源汽車保有量情況。

圖1 細(xì)分領(lǐng)域新能源汽車保有量和預(yù)測(cè)

2.2 領(lǐng)域新能源汽車充電需求量分析

新能源汽車充電需求量由各細(xì)分領(lǐng)域車輛行駛里程和電耗決定，如式1所示。因此，測(cè)算日均充電需求量前，需確定各細(xì)分領(lǐng)域新能源汽車電耗和日均行駛里程。

式中，()為領(lǐng)域新能源汽車使用公共充電樁日均充電需求量；()為領(lǐng)域新能源汽車年均行駛里程；()為領(lǐng)域新能源汽車每公里平均電耗；()為領(lǐng)域新能源汽車平均使用公共充電樁充電的占比；為充電效率。

因巡游出租車和網(wǎng)約出租車使用場(chǎng)景較為類似，公路營(yíng)運(yùn)客車和城市公交客車使用場(chǎng)景較為類似，為簡(jiǎn)化計(jì)算，分別將使用場(chǎng)景類似的新能源汽車合并測(cè)算。此外，受各領(lǐng)域汽車尺寸和載荷不同的影響，同領(lǐng)域新能源汽車電耗差別較大，因此車輛平均電耗選取區(qū)間值表示。通過(guò)調(diào)研和測(cè)算，得到各領(lǐng)域新能源汽車基礎(chǔ)信息如表1所示。

表1 各領(lǐng)域新能源汽車基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

為充分分析各領(lǐng)域車輛采用公共充電樁充電的情況，選取各領(lǐng)域車輛電耗區(qū)間的最小值，根據(jù)式（1）測(cè)算保守場(chǎng)景各領(lǐng)域車輛日均充電需求量；選取電耗企業(yè)最大值，測(cè)算加速場(chǎng)景各領(lǐng)域車輛日均充電需求量。進(jìn)一步根據(jù)各領(lǐng)域車輛使用公共充電樁充電的比例，得到采用公共充電樁充電的日均充電需求數(shù)據(jù)，如表2所示。

表2 各領(lǐng)域車輛采用公共樁日均充電需求預(yù)測(cè)

3 充電樁全生命周期經(jīng)濟(jì)性分析

充電樁數(shù)量規(guī)劃除需考慮用戶充電量需求外，還應(yīng)充分分析充電樁建設(shè)和運(yùn)營(yíng)經(jīng)濟(jì)性，在確保用戶充電需求前提下，盡可能優(yōu)化充電樁功率，并減少充電樁建設(shè)數(shù)量，降低建設(shè)和運(yùn)營(yíng)成本，有效提升運(yùn)營(yíng)商和用戶的參與度，確保充電市場(chǎng)常態(tài)化發(fā)展。

從全生命周期角度考慮充電樁建設(shè)和運(yùn)營(yíng)經(jīng)濟(jì)性，充電設(shè)施全生命周期總投資為：

式中，C為充電設(shè)施全生命周期總投資；C為充電設(shè)施建設(shè)成本；C為日常運(yùn)營(yíng)投資總成本。

充電設(shè)施建設(shè)成本C包括充電設(shè)施及設(shè)備購(gòu)置費(fèi)用C、設(shè)備安裝費(fèi)用C和其它費(fèi)用C，均為一次性投入費(fèi)用。日常運(yùn)營(yíng)投資成本包括充電樁土地租金、管理成本、設(shè)備維護(hù)成本，均為持續(xù)性投入。由于充電樁運(yùn)營(yíng)周期較長(zhǎng)，一般在6年以上，因此在測(cè)算充電樁日常運(yùn)營(yíng)投資成本時(shí)，仍需考慮通貨膨脹對(duì)成本的影響，因此在全生命周期計(jì)算過(guò)程中，需引入折現(xiàn)率。綜合考慮影響充電樁全生命周期經(jīng)濟(jì)性的因素和式（2），得到充電樁全生命周期投資目標(biāo)函數(shù)：

式中，為充電樁建設(shè)數(shù)量；C為土地租金；C為管理費(fèi)；C為設(shè)備維護(hù)費(fèi)；C為電損成本；C為納稅；C為其它日常運(yùn)營(yíng)費(fèi)；為折現(xiàn)率，這里取8%。

目前，充電樁收益仍主要以服務(wù)費(fèi)收益和政府補(bǔ)貼為主。同時(shí)，仍需考慮設(shè)備報(bào)廢后的殘值收益，得到充電樁全生命周期收益：

式中，P為運(yùn)營(yíng)收益凈現(xiàn)值；P為第年用戶充電的總服務(wù)費(fèi)收益；P為第年政府財(cái)政補(bǔ)貼；P為設(shè)備使用年之后報(bào)廢回收的凈現(xiàn)值，取設(shè)備及其配套購(gòu)置成本的5%。

以投資回報(bào)期評(píng)價(jià)充電樁全生命周期經(jīng)濟(jì)性，投資回報(bào)期是投入成本與盈利實(shí)現(xiàn)收支平衡的時(shí)間點(diǎn)，其計(jì)算公式為：

根據(jù)實(shí)地調(diào)研數(shù)據(jù)和測(cè)算，為確保3年內(nèi)實(shí)現(xiàn)盈利，各功率充電樁最低日均供電量見(jiàn)表3。

表3 3年盈利周期內(nèi)各功率充電樁最低日均供電量

4 公共領(lǐng)域充電樁數(shù)量規(guī)劃方法分析

4.1 公共領(lǐng)域充電樁規(guī)劃原則分析

為滿足各領(lǐng)域新能源汽充電要求，需構(gòu)建符合車輛充電需求、資源合理利用，且促進(jìn)充電市場(chǎng)良性發(fā)展的新能源汽車充電環(huán)境，同時(shí)需兼顧汽車使用需求、充電樁功率需要，從而合理規(guī)劃充電樁數(shù)量。

為科學(xué)分析公共領(lǐng)域充電樁建設(shè)數(shù)量，30 kW及以下充電樁數(shù)量以車樁比數(shù)據(jù)進(jìn)行規(guī)劃，30 kW以上充電樁數(shù)量則結(jié)合各領(lǐng)域車輛充電場(chǎng)景、充電量需求和充電樁全生命周期經(jīng)濟(jì)性要素進(jìn)行規(guī)劃。基于當(dāng)前市場(chǎng)上主流充電樁功率，測(cè)算出各區(qū)間充電樁主流充電功率，見(jiàn)表4。

表4 各區(qū)間充電樁主流充電功率 kW

私人領(lǐng)域，主要以用戶自建和單位配建的充電樁充電，按照“慢充為主、應(yīng)急快充為輔”的原則追求1:1隨車配建充電樁。考慮到停車位不足、供電限制和充電樁進(jìn)小區(qū)難的多重因素影響，自建充電樁并不能滿足所有私人領(lǐng)域車輛充電，因此，公共領(lǐng)域仍需建設(shè)快慢充互補(bǔ)的充電基礎(chǔ)設(shè)施，以滿足至少25%的私人領(lǐng)域車輛充電。充電樁功率方面，根據(jù)調(diào)研，私人領(lǐng)域車輛以7 kW公共充電樁充電為主，滿足60%私家車輛公共場(chǎng)地充電需求，主要在公共停車場(chǎng)等地建設(shè)，選取車樁比為2:1進(jìn)行充電樁數(shù)量規(guī)劃；剩余40%私人領(lǐng)域車輛和公共領(lǐng)域車輛充電需求則通過(guò)31～60 kW直流充電樁提供，滿足應(yīng)急充電需求，充電樁建設(shè)數(shù)量需兼顧車輛充電和運(yùn)營(yíng)商盈利2個(gè)因素，以60 kW充電樁日均輸出176 kW·h電量為目標(biāo)，確保3年盈利為標(biāo)準(zhǔn)測(cè)算。

巡游出租車和網(wǎng)約出租車對(duì)時(shí)間較為敏感，以大功率充電樁充電為主。根據(jù)調(diào)研分析，規(guī)劃的0～30 kW、31～60 kW和61～150 kW充電樁需分別滿足20%、40%和40%的車輛充電需求。0～30 kW充電樁以車樁比為2:1進(jìn)行配置；31～60 kW和61～150 kW充電樁在滿足平均3年收支平衡條件下進(jìn)行規(guī)劃。網(wǎng)約出租車領(lǐng)域，建設(shè)0～30 kW、31～60 kW和61～150 kW充電樁分別滿足20%、40%和40%車輛充電需求。0～30 kW充電樁以車樁比為2:1進(jìn)行配置；31～60 kW和61～150 kW充電樁需滿足平均3年收支平衡條件下進(jìn)行規(guī)劃。

環(huán)衛(wèi)車擁有固定的工作時(shí)間和工作場(chǎng)景，可實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一調(diào)配充電，因此，公共充電以0～30 kW小功率充電樁為主，滿足50%的環(huán)衛(wèi)車充電需求，以車樁比2:1進(jìn)行配置；31～60 kW、61～150 kW充電樁分別滿足其余40%和10%環(huán)衛(wèi)車充電需求，采取充電樁3年內(nèi)實(shí)現(xiàn)收支平衡進(jìn)行規(guī)劃。

公交車和客車主要采用大功率直流快充樁集中充電，且擁有專業(yè)運(yùn)營(yíng)部門負(fù)責(zé)充電。公交車領(lǐng)域，31～60 kW、61～150 kW和151～240 kW充電樁分別滿足20%、70%和10%的公交車和客車充電量需求，且需滿足平均3年實(shí)現(xiàn)收支平衡的要求。

公路營(yíng)運(yùn)貨車依據(jù)載質(zhì)量和使用場(chǎng)景的不同，分為輕型貨車、中型貨車和重型貨車，因缺乏明確的新能源化技術(shù)路線，因此電動(dòng)化程度較低。為便于測(cè)算，假設(shè)貨車使用31～60 kW、61～150 kW和151～240 kW充電樁分別滿足40%、50%和10%的充電量需求。各領(lǐng)域配置不同功率公共充電樁與滿足領(lǐng)域車輛比例見(jiàn)表5。

表5 各領(lǐng)域配置公共充電樁與領(lǐng)域車輛比例

4.2 公共領(lǐng)域充電樁規(guī)劃數(shù)量測(cè)算

根據(jù)公共領(lǐng)域充電樁數(shù)量和功率規(guī)劃原則，結(jié)合表1、表2各領(lǐng)域新能源汽車在保守和加速2種場(chǎng)景下的充電需求量，對(duì)2025年2種場(chǎng)景下公共領(lǐng)域充電樁需求數(shù)量進(jìn)行測(cè)算，測(cè)算結(jié)果如表6、表7所示。

表6 保守場(chǎng)景2025年國(guó)內(nèi)充電樁建設(shè)數(shù)量

保守場(chǎng)景下，共需建設(shè)公共充電樁284.90萬(wàn)個(gè)（表6），其中，30 kW及以下公共充電樁179.10萬(wàn)個(gè)，31～60 kW公共充電樁42.51萬(wàn)個(gè)，61～150 kW公共充電樁58.99萬(wàn)個(gè)，151 kW以上公共充電樁4.30萬(wàn)個(gè)。

加速場(chǎng)景下，共需建設(shè)公共充電樁310.71萬(wàn)個(gè)（表7），其中，30 kW及以下公共充電樁179.1萬(wàn)個(gè)，31～60 kW公共充電樁54.00萬(wàn)個(gè)，61～150 kW公共充電樁72.35萬(wàn)個(gè)，151 kW以上公共充電樁5.26萬(wàn)個(gè)。

表7 加速場(chǎng)景2025年國(guó)內(nèi)充電樁建設(shè)數(shù)量

5 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)當(dāng)前車樁比規(guī)劃充電樁數(shù)量方法的局限性，從各領(lǐng)域車輛日均充電需求量、偏好使用充電樁功率、各功率充電樁全生命周期經(jīng)濟(jì)性著手，以科學(xué)的手段對(duì)2025年我國(guó)充電樁數(shù)量和功率進(jìn)行測(cè)算。

本文充分考慮2025年各領(lǐng)域車輛保有量、單位里程電耗、日均行駛里程因素，對(duì)車輛充電需求量進(jìn)行測(cè)算，并基于大量調(diào)研數(shù)據(jù)，分析各領(lǐng)域車輛偏好的充電樁功率，進(jìn)一步基于全生命周期經(jīng)濟(jì)性理論，對(duì)各功率充電樁在3年內(nèi)實(shí)現(xiàn)盈利的日均供電量進(jìn)行分析。在保守場(chǎng)景和加速場(chǎng)景2種情況下，測(cè)算出我國(guó)不同功率充電樁數(shù)量，以支撐我國(guó)新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展，并確保充電市場(chǎng)在兼顧用戶充電需求和運(yùn)營(yíng)商經(jīng)濟(jì)性條件下，推進(jìn)充電市場(chǎng)可持續(xù)、高質(zhì)量發(fā)展。