典型場景下重型載貨車換電站運營經濟性研究

顧洪建 高越 戴淼

（中汽信息科技（天津）有限公司，天津300300）

0 引言

新能源重型載貨車的推廣和應用是公路交通領域實現“碳達峰、碳中和”的關鍵路徑之一[1]。近年來，采用換電技術路線的純電動重型載貨車憑借其諸多優勢在行業內受到廣泛關注[2-3]。換電技術可以實現車電價值分離，在降低用戶購車門檻、提高補能效率的同時，為新能源汽車的推廣提供商業模式創新機會，推動新能源商用車價值鏈逐漸由產業鏈前端業務（如整車制造、車輛銷售）向產業鏈后端業務（如補能服務、金融租賃）拓展[4]。自2021年10月《關于啟動新能源汽車換電模式應用試點工作的通知》實施以來，以唐山、包頭、宜賓為代表的城市在換電重型載貨車的推廣應用上取得了初步成效[5-6]。2022年，換電重型載貨車比例快速提升，銷量達到1.24 萬輛，已超過充電重型載貨車銷量[7]。其中，牽引車銷量約占換電重型載貨車銷量的70%，占主體地位[8]。

目前，換電重型載貨車主要推廣應用于封閉場景（如礦山、港口）以及區域短倒場景（如城建渣土）[9]。相比于傳統燃油重型載貨車，換電重型載貨車在購置成本、全生命周期運營成本上均存在一定優勢，很多學者對此進行了研究。齊濤等[10]對煤炭礦產場景、港口運輸場景、混凝土攪拌場景、鋼廠場景下的換電重型載貨車全生命周期總擁有成本進行了測算，對比了2種服務模式下換電重型載貨車與傳統燃油重型載貨車的成本差異；姜運哲等[11]建立了多個典型場景下的換電重型載貨車技術經濟性測算模型，分析了影響換電重型載貨車使用階段經濟性的主要因素，得出影響換電重型載貨車經濟性的最大因素是電池綜合服務費，但其在測算換電重型載貨車和柴油重型載貨車技術經濟性時未考慮車輛期末殘值收益。在換電站運營經濟性測算方面，馮莉等[12]分析了換電站建設成本、運營成本、流動成本的構成，研究了不同服務車輛數及單車日均行駛里程與換電站成本回收周期之間的關系；傅鵬等[13]根據分時電價構建了充電和換電模式的場站運營經濟性測算模型，并在相同售電量的情形下，對比分析了2種模式下場站的經濟效益；殷曉雪[14]基于換電重型載貨車產業鏈條中發電、輸電、充換電等環節的成本及活動價值的分析，建立了以產業鏈成本最小化為目標的經濟效益優化模型，并對3種能源結構轉型情景下的換電站規模、總成本、低碳效益進行了模擬；張梅梅等[15]以動力電池為儲能介質的單一或混合儲能模式，構造了換電站的安全電池數量及2種模式充電費用最優時的風光消納率計算模型，并基于蒙特卡洛算法預測了換電需求，模擬并計算了“車—源—網”換電生態系統的經濟性收益。

換電重型載貨車的推廣應用除了需要滿足車輛使用端的經濟性條件外，還應使重型載貨車換電站在運營端的經濟性達到盈利條件，否則將有可能限制換電重型載貨車的規模化發展。因此，有必要開展重型載貨車換電站運營經濟性的研究，分析典型場景下重型載貨車換電站運營的盈利能力，判斷重型載貨車換電站的盈利平衡點及盈利條件，從而幫助換電運營企業更好地選擇目標場景并布局換電站，或改善換電站的盈利水平。

1 重型載貨車換電產業結構

目前，我國已形成了完備的全自主重型載貨車換電產業結構，并且由多方業務主體構成，包括整車企業、換電運營企業、換電技術及設備服務企業、電池資產管理企業、電池企業、電網企業[16]，如圖1所示。

整車企業：負責換電車輛的設計、生產制造與銷售。

換電運營企業：負責換電站及備用電池的充電與維護，為用戶車輛提供換電服務，并向用戶收取電費以及服務費。重型載貨車領域的典型換電運營企業主要有國家電投啟源芯動力、吉利陽光銘島、三一鋰能、金茂科易、協鑫電港。

換電技術及設備服務企業：負責車載換電系統總成的設計與制造，換電站站體與換電機構的設計、制造、施工以及維護[17]。重型載貨車領域的典型換電技術及設備服務企業主要有玖行科技、瀚川智能、科易動力、三一鋰能。

電池資產管理企業：負責購買隨車電池，并向用戶提供電池租賃服務，屬于重資產運營企業[18]。

電池企業：負責隨車動力電池以及換電站備用電池的設計及制造，其中，隨車動力電池向整車企業出售，待車輛售出后再由電池資產管理企業購買，換電站備用電池直接向電池資產管理企業出售[19]。

電網企業：負責換電站建設時的電力增容，向換電站提供運營所需電力，并向換電運營企業收取電費。

2 重型載貨車換電站運營經濟性測算模型

目前我國諸多換電運營企業在為用戶提供換電服務的同時，還為用戶提供電池租賃服務，即也充當電池資產管理企業的角色[20]。因此，本文在測算重型載貨車換電站運營經濟性時，將換電運營企業和電池資產管理企業視為一家業務主體。

重型載貨車換電站的年利潤模型R為：

式中，E為重型載貨車換電站年收入，C為重型載貨車換電站年支出。重型載貨車換電站年收入E為：

式中，Ee為換電電費收入；Es為換電服務費收入；Er為電池租金收入。各項收入計算方式如下：

式中，Pe為基礎平均電價；Ps為平均換電服務費價格；Pr為單塊動力電池月租賃價格；nv為隨車電池數量；Qs為換電站年換電量，其計算公式為：

式中，ev為車輛單公里能耗；dm為車輛月行駛里程。

重型載貨車換電站年支出C為：

式中，Cs為換電站年折舊費用；Cb為電池年折舊費用；Ce為換電電費支出；Csite為換電站土地租賃費用；Cm為換電站運營人工費用；Cmain為換電站維修與維護費用。

換電站按照平均年限法計算年折舊費用：

式中，Ps為換電站建設成本（不含站內備用電池）；rs為換電站期末殘值，本文按照10%計算；Ts為換電站折舊年限，經調研，重型載貨車換電站采用高強度鋁合金外殼，耐腐蝕耐鹽霧，有效使用壽命超過20年[23]。考慮到實際應用情況，本文中重型載貨車換電站折舊年限按照10年計算。

換電站備用電池及隨車電池同樣按照平均年限法計算折舊費用：

式中，pb為單塊動力電池價格；nv和ns分別為隨車電池和換電站備用電池數量；rb為動力電池期末殘值，本文按照10%計算；Tb為動力電池折舊年限。

經調研，動力電池壽命以首先達到3 000 次充放電循環或5年使用期限為準，因此，動力電池折舊年限為：

式中，q為單塊動力電池電量，本文按照q=282 kW·h計算。

重型載貨車換電站為保證運營效率，暫時不考慮利用峰谷電價價差盈利，即虧電狀態的動力電池換下后立即進行充電，換電電費實行“平進平出”，因此換電電費支出：

3 典型場景下重型載貨車換電站運營經濟性分析

換電站建設成本硬件成本（如站體設備、箱變、電纜）以及施工成本(如電力擴容、地面硬化)[21-22]。換電站運營成本（如土地年租金、人力成本、設備維修與維護）和固定資產成本（如動力電池）。換電站固定資產投入與運營成本明細如表1所示。

為了更好地推廣換電重型載貨車，換電運營企業往往會通過合理定價來保證：（1）換電車輛的全生命周期經濟性優于傳統燃油車輛；（2）換電車輛的單公里能源綜合費用（包含電費、服務費、動力電池租金公里折算費用）優于傳統燃油車輛。因此，本文重點分析不同場景下重型載貨車換電站的運營經濟性。

本文選取電廠短倒運輸、鋼廠短倒運輸、港口內運輸、城市混凝土運輸、城建渣土運輸這5個典型換電重型載貨車應用場景，通過實地調研的方式獲取車輛及換電站運營特征，如表2所示。

表2 典型場景下車輛及換電站運營特征

利用上一節中的重型載貨車換電站運營經濟性測算模型分別計算各典型場景下重型載貨車換電站的年利潤，計算結果如圖2所示。城市混凝土運輸和港口內運輸場景下的重型載貨車換電站年處于負盈利狀態，分別虧損89萬元和16萬元。從這2個場景的運營情況看出，其服務的換電重型載貨車數量均較少。此外，城市混凝土運輸場景下的車輛平均月行駛里程為3 500 km，為所選場景中最低，最終導致城市混凝土運輸場景下的重型載貨車換電站年換電量較少，盈利水平較差。城建渣土運輸、電廠短倒運輸和鋼廠短倒運輸場景下的重型載貨車換電站年換電量均超過6 GW·h，實現了不同程度上的盈利。

圖2 各場景下重型載貨車換電站年利潤

4 重型載貨車換電站盈利平衡點分析

為對比分析不同場景下重型載貨車換電站運營經濟性差異，找到重型載貨車換電站盈利平衡點，對換電站運營、車隊規模等條件進行統一假設：（1）換電站均按照10年期折舊；（2）換電站建設以及車輛采購成本均相同，換電站均配置7塊備用電池；（3）車隊運營規模為50輛，均采用無動力底盤購買，動力電池租賃支付月租金的方式；（4）車隊每月出勤天數均為28 d；（5）動力電池電量為282 kW·h，壽命均按照達到85 萬kW·h 放電量或使用5 年的標準判定（先到為準）；（6）換電站采用的基礎平均電價Pe（按照0.6元/kW·h計算）、換電服務費Ps（按照0.4元/kW·h計算）和單塊動力電池月租金Pr（按照6 000元/月計算）均相同。在以上假設條件下，不同應用場景下重型載貨車換電站年換電量與年利潤如圖3所示。

圖3 重型載貨車換電站年換電量與年利潤關系

可以發現，除城市混凝土運輸場景外，城建渣土運輸、港口內運輸、電廠及鋼廠短倒運輸場景均能在一定條件下實現盈利。其中，電廠及鋼廠短倒運輸場景下單車平均月行駛里程較高，換電站盈利能力較強。同時可以發現，當重型載貨車換電站年換電量Qs≤8.45 GW·h（即單車年換電量小于等于17萬kW·h時，換電站年利潤與年換電量成線性正相關；當換電站年換電量Qs＞8.45 GW·h（即單車年換電量大于17萬kW·h）時，換電站年利潤與年換電量成線性負相關；當換電站年換電量Qs＞3.85 GW·h時，換電站可以實現盈利。不同場景下重型載貨車換電站年利潤R與換電站年換電量Qs擬合后的關系為：

導致后半段換電站年利潤與年換電量成線性負相關的原因是：當單車年換電量大于17 萬kW·h 時，動力電池先達到0.85 GW·h 放電量，使用壽命少于5年，因此換電運營企業需為車輛提供新的動力電池，從而導致動力電池年折舊率和折舊成本升高，最終使換電站年收益減少。

5 結論

本文將換電運營企業和電池資產管理企業視為一家商業主體，建立了重型載貨車換電站運營經濟性測算模型，測算了換電重型載貨車典型應用場景下換電站的運營經濟性。研究結果發現：（1）重型載貨車換電站運營經濟性與換電站年換電量密切相關，隨著換電站年換電量的升高，換電站年利潤也隨之增加；但當單車年換電量達到17 萬kW·h 后，動力電池將先于5年使用期限退役，折舊率和折舊成本隨之升高，同時換電站年收益也會隨之減少；（2）換電運營企業為保證運營收益，應選擇具備高頻、重載、大運營強度等特征的區域短倒場景，例如電廠及鋼廠短倒運輸，重點考察目標應用場景下換電重型載貨車車隊規模以及月行駛里程，保證換電站年換電量達到盈利平衡點。

未來，隨著換電重型載貨車互換性標準的統一，各換電站有望兼容不同重型載貨車生產廠家的車型，換電站的運營經濟性將會與其選址的合理性相關。此外，換電運營企業還可以通過以下方式提高運營經濟性：（1）合理設定換電服務費以及電池租賃費；（2）與整車生產企業、電池生產企業簽訂框架協議，以集采的方式采購電池，降低電池購置成本；（3）布局動力電池梯次利用以及回收業務，拓寬產業生態，從而為其帶來新的經濟價值。