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(yīng)用是公路交通領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)“碳達(dá)峰、碳中和”的關(guān)鍵路徑之一[1]。近年來，采用換電技術(shù)路線的純電動(dòng)重型載貨車憑借其諸多優(yōu)勢在行業(yè)內(nèi)受到廣泛關(guān)注[2-3]。換電技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)車電價(jià)值分離，在降低用戶購車門檻、提高補(bǔ)能效率的同時(shí)，為新能源汽車的推廣提供商業(yè)模式創(chuàng)新機(jī)會(huì)，推動(dòng)新能源商用車價(jià)值鏈逐漸由產(chǎn)業(yè)鏈前端業(yè)務(wù)（如整車制造、車輛銷售）向產(chǎn)業(yè)鏈后端業(yè)務(wù)（如補(bǔ)能服務(wù)、金融租賃）拓展[4]。自2021年10月《關(guān)于啟動(dòng)新能源汽車換電模式應(yīng)用試點(diǎn)工作的通知》實(shí)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(yīng)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(dá)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(yīng)用于封閉場景（如礦山、港口）以及區(qū)域短倒場景（如城建渣土）[9]。相比于傳統(tǒng)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(yùn)營成本上均存在一定優(yōu)勢，很多學(xué)者對此進(jìn)行了研究。齊濤等[10]對煤炭礦產(chǎn)場景、港口運(yùn)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(jìn)行了測算，對比了2種服務(wù)模式下?lián)Q電重型載貨車與傳統(tǒng)燃油重型載貨車的成本差異；姜運(yùn)哲等[11]建立了多個(gè)典型場景下的換電重型載貨車技術(shù)經(jīng)濟(jì)性測算模型，分析了影響換電重型載貨車使用階段經(jīng)濟(jì)性的主要因素，得出影響換電重型載貨車經(jīng)濟(jì)性的最大因素是電池綜合服務(wù)費(fèi)，但其在測算換電重型載貨車和柴油重型載貨車技術(shù)經(jīng)濟(jì)性時(shí)未考慮車輛期末殘值收益。在換電站運(yùn)營經(jīng)濟(jì)性測算方面，馮莉等[12]分析了換電站建設(shè)成本、運(yùn)營成本、流動(dòng)成本的構(gòu)成，研究了不同服務(wù)車輛數(shù)及單車日均行駛里程與換電站成本回收周期之間的關(guān)系；傅鵬等[13]根據(jù)分時(shí)電價(jià)構(gòu)建了充電和換電模式的場站運(yùn)營經(jīng)濟(jì)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(jīng)濟(jì)效益；殷曉雪[14]基于換電重型載貨車產(chǎn)業(yè)鏈條中發(fā)電、輸電、充換電等環(huán)節(jié)的成本及活動(dòng)價(jià)值的分析，建立了以產(chǎn)業(yè)鏈成本最小化為目標(biāo)的經(jīng)濟(jì)效益優(yōu)化模型，并對3種能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型情景下的換電站規(guī)模、總成本、低碳效益進(jìn)行了模擬；張梅梅等[15]以動(dòng)力電池為儲能介質(zhì)的單一或混合儲能模式，構(gòu)造了換電站的安全電池?cái)?shù)量及2種模式充電費(fèi)用最優(yōu)時(shí)的風(fēng)光消納率計(jì)算模型，并基于蒙特卡洛算法預(yù)測了換電需求，模擬并計(jì)算了“車—源—網(wǎng)”換電生態(tài)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性收益。

換電重型載貨車的推廣應(yīng)用除了需要滿足車輛使用端的經(jīng)濟(jì)性條件外，還應(yīng)使重型載貨車換電站在運(yùn)營端的經(jīng)濟(jì)性達(dá)到盈利條件，否則將有可能限制換電重型載貨車的規(guī)?；l(fā)展。因此，有必要開展重型載貨車換電站運(yùn)營經(jīng)濟(jì)性的研究，分析典型場景下重型載貨車換電站運(yùn)營的盈利能力，判斷重型載貨車換電站的盈利平衡點(diǎn)及盈利條件，從而幫助換電運(yùn)營企業(yè)更好地選擇目標(biāo)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(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)

目前，我國已形成了完備的全自主重型載貨車換電產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，并且由多方業(yè)務(wù)主體構(gòu)成，包括整車企業(yè)、換電運(yùn)營企業(yè)、換電技術(shù)及設(shè)備服務(wù)企業(yè)、電池資產(chǎn)管理企業(yè)、電池企業(yè)、電網(wǎng)企業(yè)[16]，如圖1所示。

整車企業(yè)：負(fù)責(zé)換電車輛的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)制造與銷售。

換電運(yùn)營企業(yè)：負(fù)責(zé)換電站及備用電池的充電與維護(hù)，為用戶車輛提供換電服務(wù)，并向用戶收取電費(fèi)以及服務(wù)費(fèi)。重型載貨車領(lǐng)域的典型換電運(yùn)營企業(yè)主要有國家電投啟源芯動(dòng)力、吉利陽光銘島、三一鋰能、金茂科易、協(xié)鑫電港。

換電技術(shù)及設(shè)備服務(wù)企業(yè)：負(fù)責(zé)車載換電系統(tǒng)總成的設(shè)計(jì)與制造，換電站站體與換電機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)、制造、施工以及維護(hù)[17]。重型載貨車領(lǐng)域的典型換電技術(shù)及設(shè)備服務(wù)企業(yè)主要有玖行科技、瀚川智能、科易動(dòng)力、三一鋰能。

電池資產(chǎn)管理企業(yè)：負(fù)責(zé)購買隨車電池，并向用戶提供電池租賃服務(wù)，屬于重資產(chǎn)運(yùn)營企業(yè)[18]。

電池企業(yè)：負(fù)責(zé)隨車動(dòng)力電池以及換電站備用電池的設(shè)計(jì)及制造，其中，隨車動(dòng)力電池向整車企業(yè)出售，待車輛售出后再由電池資產(chǎn)管理企業(yè)購買，換電站備用電池直接向電池資產(chǎn)管理企業(yè)出售[19]。

電網(wǎng)企業(yè)：負(fù)責(zé)換電站建設(shè)時(shí)的電力增容，向換電站提供運(yùn)營所需電力，并向換電運(yùn)營企業(yè)收取電費(fèi)。

2 重型載貨車換電站運(yùn)營經(jīng)濟(jì)性測算模型

目前我國諸多換電運(yùn)營企業(yè)在為用戶提供換電服務(wù)的同時(shí)，還為用戶提供電池租賃服務(wù)，即也充當(dāng)電池資產(chǎn)管理企業(yè)的角色[20]。因此，本文在測算重型載貨車換電站運(yùn)營經(jīng)濟(jì)性時(shí)，將換電運(yùn)營企業(yè)和電池資產(chǎn)管理企業(yè)視為一家業(yè)務(wù)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(fèi)收入；Es為換電服務(wù)費(fèi)收入；Er為電池租金收入。各項(xiàng)收入計(jì)算方式如下：

式中，Pe為基礎(chǔ)平均電價(jià)；Ps為平均換電服務(wù)費(fèi)價(jià)格；Pr為單塊動(dòng)力電池月租賃價(jià)格；nv為隨車電池?cái)?shù)量；Qs為換電站年換電量，其計(jì)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(fèi)用；Cb為電池年折舊費(fèi)用；Ce為換電電費(fèi)支出；Csite為換電站土地租賃費(fèi)用；Cm為換電站運(yùn)營人工費(fèi)用；Cmain為換電站維修與維護(hù)費(fèi)用。

換電站按照平均年限法計(jì)算年折舊費(fèi)用：

式中，Ps為換電站建設(shè)成本（不含站內(nèi)備用電池）；rs為換電站期末殘值，本文按照10%計(jì)算；Ts為換電站折舊年限，經(jīng)調(diào)研，重型載貨車換電站采用高強(qiáng)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(shí)際應(yīng)用情況，本文中重型載貨車換電站折舊年限按照10年計(jì)算。

換電站備用電池及隨車電池同樣按照平均年限法計(jì)算折舊費(fèi)用：

式中，pb為單塊動(dòng)力電池價(jià)格；nv和ns分別為隨車電池和換電站備用電池?cái)?shù)量；rb為動(dòng)力電池期末殘值，本文按照10%計(jì)算；Tb為動(dòng)力電池折舊年限。

經(jīng)調(diào)研，動(dòng)力電池壽命以首先達(dá)到3 000 次充放電循環(huán)或5年使用期限為準(zhǔn)，因此，動(dòng)力電池折舊年限為：

式中，q為單塊動(dòng)力電池電量，本文按照q=282 kW·h計(jì)算。

重型載貨車換電站為保證運(yùn)營效率，暫時(shí)不考慮利用峰谷電價(jià)價(jià)差盈利，即虧電狀態(tài)的動(dòng)力電池?fù)Q下后立即進(jìn)行充電，換電電費(fèi)實(shí)行“平進(jìn)平出”，因此換電電費(fèi)支出：

3 典型場景下重型載貨車換電站運(yùn)營經(jīng)濟(jì)性分析

換電站建設(shè)成本硬件成本（如站體設(shè)備、箱變、電纜）以及施工成本(如電力擴(kuò)容、地面硬化)[21-22]。換電站運(yùn)營成本（如土地年租金、人力成本、設(shè)備維修與維護(hù)）和固定資產(chǎn)成本（如動(dòng)力電池）。換電站固定資產(chǎn)投入與運(yùn)營成本明細(xì)如表1所示。

為了更好地推廣換電重型載貨車，換電運(yùn)營企業(yè)往往會(huì)通過合理定價(jià)來保證：（1）換電車輛的全生命周期經(jīng)濟(jì)性優(yōu)于傳統(tǒng)燃油車輛；（2）換電車輛的單公里能源綜合費(fèi)用（包含電費(fèi)、服務(wù)費(fèi)、動(dòng)力電池租金公里折算費(fèi)用）優(yōu)于傳統(tǒng)燃油車輛。因此，本文重點(diǎn)分析不同場景下重型載貨車換電站的運(yùn)營經(jīng)濟(jì)性。

本文選取電廠短倒運(yùn)輸、鋼廠短倒運(yùn)輸、港口內(nèi)運(yùn)輸、城市混凝土運(yùn)輸、城建渣土運(yùn)輸這5個(gè)典型換電重型載貨車應(yīng)用場景，通過實(shí)地調(diào)研的方式獲取車輛及換電站運(yùn)營特征，如表2所示。

表2 典型場景下車輛及換電站運(yùn)營特征

利用上一節(jié)中的重型載貨車換電站運(yùn)營經(jīng)濟(jì)性測算模型分別計(jì)算各典型場景下重型載貨車換電站的年利潤，計(jì)算結(jié)果如圖2所示。城市混凝土運(yùn)輸和港口內(nèi)運(yùn)輸場景下的重型載貨車換電站年處于負(fù)盈利狀態(tài)，分別虧損89萬元和16萬元。從這2個(gè)場景的運(yùn)營情況看出，其服務(wù)的換電重型載貨車數(shù)量均較少。此外，城市混凝土運(yùn)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(dǎo)致城市混凝土運(yùn)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(yùn)輸、電廠短倒運(yùn)輸和鋼廠短倒運(yùn)輸場景下的重型載貨車換電站年換電量均超過6 GW·h，實(shí)現(xiàn)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(diǎn)分析

為對比分析不同場景下重型載貨車換電站運(yùn)營經(jīng)濟(jì)性差異，找到重型載貨車換電站盈利平衡點(diǎn)，對換電站運(yùn)營、車隊(duì)規(guī)模等條件進(jìn)行統(tǒng)一假設(shè)：（1）換電站均按照10年期折舊；（2）換電站建設(shè)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(duì)運(yùn)營規(guī)模為50輛，均采用無動(dòng)力底盤購買，動(dòng)力電池租賃支付月租金的方式；（4）車隊(duì)每月出勤天數(shù)均為28 d；（5）動(dòng)力電池電量為282 kW·h，壽命均按照達(dá)到85 萬kW·h 放電量或使用5 年的標(biāo)準(zhǔn)判定（先到為準(zhǔn)）；（6）換電站采用的基礎(chǔ)平均電價(jià)Pe（按照0.6元/kW·h計(jì)算）、換電服務(wù)費(fèi)Ps（按照0.4元/kW·h計(jì)算）和單塊動(dòng)力電池月租金Pr（按照6 000元/月計(jì)算）均相同。在以上假設(shè)條件下，不同應(yīng)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(guān)系

可以發(fā)現(xiàn)，除城市混凝土運(yùn)輸場景外，城建渣土運(yùn)輸、港口內(nèi)運(yùn)輸、電廠及鋼廠短倒運(yùn)輸場景均能在一定條件下實(shí)現(xiàn)盈利。其中，電廠及鋼廠短倒運(yùn)輸場景下單車平均月行駛里程較高，換電站盈利能力較強(qiáng)。同時(shí)可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)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(shí)，換電站年利潤與年換電量成線性正相關(guān)；當(dāng)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(shí)，換電站年利潤與年換電量成線性負(fù)相關(guān)；當(dāng)換電站年換電量Qs＞3.85 GW·h時(shí)，換電站可以實(shí)現(xiàn)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(guān)系為：

導(dǎo)致后半段換電站年利潤與年換電量成線性負(fù)相關(guān)的原因是：當(dāng)單車年換電量大于17 萬kW·h 時(shí)，動(dòng)力電池先達(dá)到0.85 GW·h 放電量，使用壽命少于5年，因此換電運(yùn)營企業(yè)需為車輛提供新的動(dòng)力電池，從而導(dǎo)致動(dòng)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(jié)論

本文將換電運(yùn)營企業(yè)和電池資產(chǎn)管理企業(yè)視為一家商業(yè)主體，建立了重型載貨車換電站運(yùn)營經(jīng)濟(jì)性測算模型，測算了換電重型載貨車典型應(yīng)用場景下?lián)Q電站的運(yùn)營經(jīng)濟(jì)性。研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)：（1）重型載貨車換電站運(yùn)營經(jīng)濟(jì)性與換電站年換電量密切相關(guān)，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(dāng)單車年換電量達(dá)到17 萬kW·h 后，動(dòng)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(shí)換電站年收益也會(huì)隨之減少；（2）換電運(yùn)營企業(yè)為保證運(yùn)營收益，應(yīng)選擇具備高頻、重載、大運(yùn)營強(qiáng)度等特征的區(qū)域短倒場景，例如電廠及鋼廠短倒運(yùn)輸，重點(diǎn)考察目標(biāo)應(yīng)用場景下?lián)Q電重型載貨車車隊(duì)規(guī)模以及月行駛里程，保證換電站年換電量達(dá)到盈利平衡點(diǎn)。

未來，隨著換電重型載貨車互換性標(biāo)準(zhǔn)的統(tǒng)一，各換電站有望兼容不同重型載貨車生產(chǎn)廠家的車型，換電站的運(yùn)營經(jīng)濟(jì)性將會(huì)與其選址的合理性相關(guān)。此外，換電運(yùn)營企業(yè)還可以通過以下方式提高運(yùn)營經(jīng)濟(jì)性：（1）合理設(shè)定換電服務(wù)費(fèi)以及電池租賃費(fèi)；（2）與整車生產(chǎn)企業(yè)、電池生產(chǎn)企業(yè)簽訂框架協(xié)議，以集采的方式采購電池，降低電池購置成本；（3）布局動(dòng)力電池梯次利用以及回收業(yè)務(wù)，拓寬產(chǎn)業(yè)生態(tài)，從而為其帶來新的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。