王宇寧，安兆杰，李曉亮，曾惠明

(武漢理工大學 汽車工程學院，湖北 武漢430070)

目前，圍繞電動汽車是“換電”還是“充電”的爭論仍沒有定論。相比“充電”模式，“換電”模式具有提高用戶方便性和快捷性、提高電動汽車使用效率、延長電池使用壽命等突出優(yōu)勢，因而得到廣泛的推廣和應用?！皳Q電”模式下?lián)Q電服務網絡建設主要分為兩類：一類是“集中充電、分散換電”型服務網絡;另一類是“分散充換電”型服務網絡。前者由一個或幾個集中充電站和多個換電站構成，集中充電站僅負責對電池進行充電而不負責換電，換電站僅負責換電而不負責對電池進行充電;后者由多個充換電站構成，每個充電站既負責對電池進行充電又負責對電動汽車進行換電。雖然兩類換電網絡的核心業(yè)務都是對電動汽車提供換電服務，但兩者在固定成本和運營成本等方面存在較大差異。目前在換電網絡建設領域的研究中，有關比較兩種換電網絡經濟性的研究成果很少。而對這方面的研究很有必要，根據經濟性較好的模式建立換電網絡可以有效地減少成本、提高收益，這對于電動汽車的推廣與普及有著極其重要的意義。筆者根據兩類換電服務網絡的特點，提出兩類換電服務網絡年收入、固定成本和年運營成本的計算公式，并根據實例比較兩者的經濟性。

1 “集中充電、分散換電”型服務網絡收入及成本分析

1.1 收入分析

“集中充電、分散換電”型換電服務網絡的年收入由用戶的用電量和運營商制定的售出電價決定，即：

式中：S1為換電網絡年收入;DP1為每度電售出的價格，由換電網絡運營商根據自身盈利需求、汽油和燃氣價格等因素的影響確定;DL1為用戶年均用電總量，由換電網絡服務的電動汽車數量、百公里耗電量和每輛電動汽車日均行駛里程決定，即：

式中：N1為電動汽車數量;L1為每輛車日均行駛里程;WH1為百公里平均耗電量;TN為一年的天數。因此，該換電服務網絡的年均總收入為：

1.2 成本分析

“集中充電、分散換電”型服務網絡的成本分為固定成本和運營成本。其中固定成本主要包括設備成本、土地成本、電池成本和線路建設成本等;運營成本主要包括電池充電成本、勞動力成本、設備維護成本、線路維護成本和物流成本等。假設換電服務網絡包括a1座集中充電站和b1座換電站，并且a1座集中充電站(或b1座換電站)彼此間沒有差別，則固定成本為：

式中：G1為換電網絡固定成本;GJ為每座集中充電站固定成本;GH為每座換電站固定成本。其中每座集中充電站的固定成本可表示為：

式中：GJ1為設備成本;GJ2為土地成本;GJ3為線路建設成本;GJ4為電池成本。其中設備成本GJ1與充電設備套數成正比關系。一套充電設備的固定成本是變壓器、充電機、配電和充電監(jiān)控等設備成本的總和［1］，假設有充電設備MT1套，每套設備的價格為DPJS1，則設備成本可表示為：

其中，充電設備套數可表示為：

式中：NC1為充電機總需求量;nc1為每套充電設備可配置充電機的數量。充電機總需求量與充電機的功率、日均電量總需求，以及日均充電時間等因素有關［2］。相對于充換電站，集中充電站的優(yōu)勢之一是可以在電價處于低谷時對電池進行充電，從而減小用電成本?；谠撎攸c，假設集中充電站每日均在電價處于低谷時進行充電，則每座集中充電站充電機總需求量可表示為：

式中：r1為充電機裕度系數(r1＞1);PC1為充電機最大輸出功率;TD為電價處于低谷的時間。變壓器的電容不同，其可配置充電機的數量也不同，設集中充電站使用的變壓器容量為WB1，則其可配套的充電器數量為：

式中：η11為變壓器功率因數;η12為變壓器負荷率;η13為變壓器效率;η14為充電機效率。由此可得設備成本的表達式：

土地成本GJ2與集中充電站的選址及面積大小有緊密聯(lián)系;線路建設成本GJ3與集中充電站的容量和所在位置有關，當充電站所在節(jié)點容量超過最大值時，需要新建線路，否則不需要［3］，對這兩方面成本暫不做深入分析。基于被換下電池均在電價處于低谷時充電的假設，設電池單位容量造價為DPD1，每輛電動汽車電池容量為WD1，則電池成本可表示為：

由上述分析即可得到每座集中充電站的固定成本。換電站的固定成本主要包括兩部分：換電設備和土地成本(暫不考慮)，可表示為：

式中：GH1為設備成本;GH2為土地成本。換電站主要的設備即為換電機器人［4］，配置換電機器人的數量應保證在換電高峰時段用戶的需求，假設換電高峰持續(xù)時間為TG1?；谠摷僭O，所需換電機器人的數量NH1為：

式中：α1為高峰時段內換電車輛占車輛總數的百分比;TH1為換電機器人換電池所用的時間。設換電機器人的單價為DPH1，則：

由以上分析可得換電服務網絡(a1座集中充電站和b1座換電站)的固定成本：

類似于固定成本的表示方式，該網絡的運營成本可表示為：

式中：Y1為換電網絡運營成本;YJ為每座集中充電站運營成本;YH為每座換電站運營成本。其中每座集中充電站的年運營成本可表示為：

式中：YJ1為設備維護成本;YJ2為勞動力成本;YJ3為線路維護成本;YJ4為用電成本;YJ5為物流成本;YJ6為電池更換及維護成本。其中，暫不對勞動力成本、線路維護成本、物流成本做深入分析。設備維護成本與設備自身的成本和設計壽命等因素有關，一般表示為：

式中，βJ1為設備年維修成本占設備購置成本的比例。換電站對電池進行及時的維修與養(yǎng)護，有助于延長電池壽命，但電池使用到一定年限需要進行更換。將換電服務網絡運營過程中更換電池的費用平均到每年電池的維護費用中，則電池更換及維護成本可表示為：

需要指出的是，βJ4的取值與電池使用頻次有關，電池使用頻次越高，電池使用年限越短，維護成本更高，則βJ4值越小。設低谷電價為DPDG，則用電成本可表示為：

每座換電站的運營成本可表示為：

式中：YH1為設備維護成本;YH2為勞動力成本。其中設備維護成本可表示為：

由以上分析可得換電網絡的運營成本為：

2 “分散充換電”型服務網絡收入及成本分析

“分散充換電”型服務網絡與“集中充電、分散換電”型服務網絡獲取收入的方式相同，因此兩者的年收入表達式相同，即：

式中：S2為換電網絡年收入;N2為電動汽車數量;L2為每輛車日均行駛里程;WH2為百公里平均耗電量;DP2為每度電的售出價格。

“分散充換電”型服務網絡的成本同樣分為固定成本和運營成本，假設“分散充換電”型服務網絡設有c2座充換電站，則該網絡固定成本為：

式中：G2為換電網絡固定成本;GCH為每座充換電站固定成本;GCH1為設備成本;GCH2為土地成本;GCH3為線路建設成本;GCH4為電池成本。其中設備成本主要由充電設備成本和換電設備成本兩方面構成，充電設備成本與充電設備的套數成正比關系，而換電設備成本與換電機器人的數量成正比關系，因此設備成本可表示為：

式中：MT2為充電設備套數;DPCS2為充電設備價格;NH2為換電機器人個數;DPH2為每個換電機器人的單價。其中換電機器人的數量同樣應滿足換電高峰時刻用戶的換電需求，則其算法與NH1的算法相同，即：

式中：α2為高峰時段換電車輛占車輛總數的平均百分比;TH2為換電機器人換電池所用的時間;TG2為換電高峰持續(xù)時間。與“集中充電、分散換電”型服務網絡使用低谷電價對電池進行集中充電的方式不同，“分散充換電”型服務網絡中每個充換電站電池儲備量有限，不利于其利用低谷電價對電池進行集中充電，因而通常采用即換即充的方式［5］，即被換下的電池立刻進行充電。因此，換電高峰之后便是充電高峰，則充換電站內的充電設備應滿足換電高峰時段被換下的電池同時進行充電的要求。假設被換下的電池充電所需時間為TC，且TC＞TG2，則每座充換電站所需的充電設備的套數為：

式中：r2為充電機裕度系數(r2＞1);WD2為每輛電動汽車電池容量;WB2為充換電站中變壓器容量;PC2為充電機的最大輸出功率;η21為變壓器功率因數;η22為變壓器負荷率;η23為變壓器效率;η24為充電機效率。由以上分析可知：

電池成本與換電站購置電池數量、電池單位容量的造價相關。購置電池的數量與電動汽車數量成正比關系，且不同用途的車兩者比例也不同［6］。設兩者的比例為k2，電池單位造價為DPD2，則電池成本為：

土地成本和線路建設成本暫不做分析，則充換電站固定成本為：

充換電站運營成本主要包括設備維護成本、勞動力成本、線路維護成本、用電成本和電池維護成本。則“分散充換電”型服務網絡年運營成本Y2為：

由于充換電站采用即換即充的電池充電方式，以致大部分被換下的電池不能在電價處于低谷時進行充電。因此，假設充換電站中被換下的電池均按非低谷電價進行充電，則用電成本為：

式中，DPFDG為非用電低谷時段的電價。線路維護成本和勞動力成本暫不做分析，設備及維護、電池更換及維護成本分別為：

由上述分析可得充換電站年運營成本為：

3 兩類換電服務網絡經濟性對比分析

根據兩類換電服務網絡各自的特點，根據電池進行充電時間和方式的不同，分別得出了計算其固定成本、年運營成本和年收入的公式。在具體建設換電服務網絡時，需要根據具體情況和公式對比兩者的經濟性。由公式可知，在售出電價和服務對象相同時，兩類換電服務網絡的年收入是相同的。因而在對比經濟性時，主要對比兩者運營成本和固定成本的差異。實例分析中，假設兩類換電服務網絡在土地成本、線路建設及維修成本、勞動力成本和物流成本的投入相同。即在實例分析中著重分析兩者在設備成本、電池成本、設備維護成本和用電成本的經濟性差異。

現(xiàn)假設某地區(qū)建設服務出租車的換電服務網絡，為簡化計算，假設兩類換電網絡服務的對象及設備選擇完全相同，且兩類換電網絡中換電站的布局一致。根據網絡和相關論文中的數據，兩類換電服務網絡的參數取值如下：

電動汽車數量N1=N2=n(n＞0);電池容量WD1=WD2=25 kWh;日均行駛里程L1=L2=500 km;百公里耗電量WH1=WH2=15 kWh;充電機最大輸出功率PC1=PC2=10 kW;低谷電價時段TD=7 h;電池充電時間TC=3 h;電池單位容量造價DPD1=DPD2=0.3 萬元/kWh;變壓器容量WB1=WB2=315 kVA;變壓器功率因數η11=η21=0.85;變壓器負荷率η12=η22=75%;變壓器效率η13=η23=95%;充電機效率η14=η24=90%;一套充電設備價格DPJS1=DPCS2=90 萬元;充電設備充裕系數r1=r2=1.1;換電高峰時段需換電車輛占總量的比例α1=α2=50%;低谷電價DPDG=0.31 元/度;非低谷電價DPFDG=0.90 元/度;一年的天數TN=365;設備年維修費占設備購置費比例βJ1=βCH1=10%;電池年維修費占電池購置費比例βJ4=30%，βCH4=40%;“分散充換電”型服務網絡購置電池總量與電動汽車數量比k2=2。

將上述參數代入兩類換電服務網絡固定成本式(2)、式(5)和運營成本式(3)、式(6)中，可得：

其中兩類換電網絡電池購置成本、電池維護及更換成本和用電成本的差異分別為：

根據給定參數的計算結果可得，現(xiàn)階段“集中充電、分散換電”型服務網絡的固定成本和年運營成本都要比“分散充換電型”服務網絡高，且高出值與電動汽車數量成正比。主要原因是前者若利用低谷電價對電池進行集中充電，則不能對被換下的電池及時進行充電，因而電池儲備量要遠大于后者。進而前者需要投入更多的資金用于購置、更換及維護電池，并且低谷電價帶來的相對經濟效益并不能彌補其在電池方面的投入，最終導致“集中充電、分散換電”型服務網絡經濟性較差。因此，對“集中充電、分散換電”型換電網絡的研究需要在安排電池集中充電時間的選擇、電池的物流配送等方面進行更多的研究，或將購買、更換電池改為租賃電池［7-8］，以降低其在電池方面的投入，進而提高經濟效益。

4 結論

(1)“分散充換電”型服務網絡的固定成本和年運營成本較低，即“分散充換電”型服務網絡經濟性較好。

(2)“分散充換電”經濟性較好的主要原因是其在電池的購置、更換及維護方面的投入明顯少于“集中充電、分散換電”型服務網絡。

基于所得出的結論，建議現(xiàn)階段建立換電服務網絡時選擇“分散充換電”型服務網絡，這樣可以有效地控制換電服務網絡的建設成本，提高經濟效益。

［1］ 高賜威，張亮，薛飛，等.考慮集中型充電站定址分容的電網規(guī)劃研究［J］. 中國電機工程學報，2012(7)：40 -46.

［2］ 高賜威，張亮，薛飛，等.集中型充電站容量規(guī)劃模型研究［J］.中國電機工程學報，2012(31)：27 -34.

［3］ 李國，張智晟.換電模式下電動汽車充換電網絡的規(guī)劃［J］.電力系統(tǒng)保護與控制，2013，41(20)：93-98.

［4］ 劉群峰. 電動汽車充換電服務網絡規(guī)劃研究［D］.北京：華北電力大學，2013.

［5］ 權會霞.城市電動汽車充換電設施優(yōu)化布局研究［D］.北京：華北電力大學，2013.

［6］ 趙福旺，李偉. 電動汽車換電站設計模型的建立與優(yōu)化［J］.電力學報，2014，29(1)：25 -27.

［7］ 孫丙香，何婷婷. 基于換電和電池租賃模式的純電動汽車運營成本評估及預測研究［J］，2014，29(4)：317 -322.

［8］ 高賜威，吳茜.電動汽車換電模式研究綜述［J］. 電網技術，2013，37(4)：892 -898.