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

孫丙香 何婷婷 牛軍龍 張維戈 姜久春 Tony Yip

（北京交通大學國家能源主動配電網技術研發中心 北京 100044）

1 引言

隨著能源和環境危機的日益加劇，電動汽車以節能環保的優勢，成為我國七大戰略新興產業之一。

2012 年6 月，國務院印發了“關于節能與新能源汽車產業發展規劃（2012～2020 年）”。提出純電動汽車和插電式混合動力汽車累計產銷量力爭到2015 年達到50 萬輛，到2020 年達到500 萬輛。

十年來，在中國接近20 000 輛各類電動汽車包括電動轎車、電動環衛車等得到了示范應用。但是，電動汽車的發展還存在很多瓶頸。

目前，針對純電動汽車，電能補給模式主要有交流慢充、直流快充和電池快速更換三種[1]；車輛推廣模式有整車銷售，整車租賃和裸車銷售、電池租賃三種模式。針對大型純電動汽車，電池快速更換既能滿足車輛運行需求，又能避免整組電池充電對壽命產生影響；另外，由于電動汽車電池成本較高、不確定性風險較大，在應用初期，電池租賃是一種值得探索的模式，它能夠有效地降低用戶的使用風險和初期購置成本[2]，而且，電池租賃企業負責電池采購、性能維護、二次利用和回收，有助于電池的統一管理和有效利用。

目前，基于充電站負荷調度的經濟運行方面，文獻[3]做了相關研究；針對電動汽車和風電、光伏的容量優化配置方面，文獻[4]和[5]開展了相關研究，但并未對充電設施成本分攤、充電定價等做深入分析。

在電池租賃模式下，電池運營價格測算也是整個產業中的重要一環。動力電池運營價格含充電價格和電池租賃價格，相當于電動汽車的運營價格。由于電動汽車還處于示范階段，電池租賃模式還處于探索期，加之涉及多學科、多領域的知識，與商業模式對應的電池運營價格測算也無成熟方法借鑒。

文獻[6-8]對純電動乘用車的租賃價格進行了分析，并對比了上海和北京兩地車輛所有權和使用上的政策差異，但是對純電動公交車和換電站沒有提及。

目前，文獻[9,10]提到了電池租賃模式及相關研究，由本人完成的文獻[9]，采用內部收益率法對電池運營價格總體進行了測算，文獻[10]采用總投資收益率法對電池運營價格進行了測算。

以上兩種測算方法適用于充電站運營商同時為電池租賃商的一體化模式。在充電站建設、運營和電池租賃由兩個主體承擔的條件下，如何分開測算充電價格和電池租賃價格尚無成熟方法。而且，哪些因素是影響電池租賃模式下運營價格高低的主要因素，動力電池的運營價格何時有轉折，何時能與傳統汽車持平，尚無定量分析。本文針對這些問題開展了深入研究。

電池租賃模式如圖1 所示，其中箭頭表示資金流向。充電站運營商只運營電動汽車充電業務，電池企業將電池管理系統公司和電池箱公司的電池集成出售，租賃公司從電池企業購買電池租賃給用戶；充電站運營商從電廠買電，用戶從車企購買裸車，在用戶使用電動汽車與傳統車成本相當，充電站運營商和電池租賃公司盈虧平衡兩個前提下，去除國家補貼和地方補貼，測算電池租賃價格和充電價格。

圖1 電池租賃模式框圖Fig.1 Diagram of battery leasing mode

本文所指的電池租賃產品是指整套電池系統，包括動力電池、電池箱、電池管理系統及相關附件；電池租賃項目期選取4 年，即一個電池車用周期。本文中的運營成本是指在盈虧平衡條件下，維持電動汽車正常運營所需要的費用，主要包括充電費用和電池租賃費用，文中用到的主要有一年運營成本和四年運營成本。運營價格為運營成本平均到每kW 電中的單價。

2 方法原理

2.1 成本加成定價法

成本加成定價法是按產品單位成本加上一定比例的利潤制定產品價格的方法，即

式中，Pi為單位產品價格；Ci為單位產品成本；a為利潤率。

2.2 年金法

年金是每隔相等的期限按相同的金額收入或付出的款項。年金按照其收付的次數和收付的時間進行劃分，可以分為普通年金、預付年金、遞延年金和永續年金。普通年金又稱后付年金，是指各期期末收入或付出相同金額的款項[11]，本文年金法中的年金是普通年金。

年金法計算公式的推導：

式中，A 為年金金額；PV 為年金現值；i 為利率；m 為期數。

3 動力電池運營價格及運營成本測算方法

3.1 動力電池充電價格測算

充電價格包括充電電費、人工費、維護費、充電基礎設施折舊費。

初始投資不包含充電基礎設施建設費用，充電價格測算如下：

初始投資包含充電基礎設施建設費用，充電價格測算如下：

首先，將充電基礎設施的建設費用均攤到每一年，采用公式（3）計算得

式中，n 為項目期（/年）；DDJ1為不含充電基礎設施建設費用的動力電池充電價格；DDJ2為含充電基礎設施建設費用的動力電池充電價格；S1為整個運營周期內充電站的折舊費用折算到每一年的費用；r為貼現率；r1為營業稅率；CDZ為充電站n 年總折舊成本；NCD為充電站年充電量；CCD為每年充電費用；CRG為每年人工成本；CWH為每年充配電設施維護成本。

3.2 基于年金法的動力電池租賃價格測算

電池租賃價格包括電池折舊、貸款利息、營業稅。采用式（3）計算，即

式中，S2為全部車輛所用電池每年分期付款金額；P 為所有電池前n 年折舊成本。則每輛車每年電池租賃費用為

式中，DZ為每輛車每年電池租賃費；N 為整個項目車輛數量。

3.3 電動汽車四年運營成本測算

每輛車4 年運營成本為

式中，DDJ為動力電池充電價格。

當前電動汽車推廣處于產業化初期階段，為了便于示范推廣，充電站運營商前期可考慮降低用戶充電成本，在不含充電基礎設施建設費用的情況下制定價格；待整個產業發展較為成熟后，再考慮充電基礎設施建設費用的折舊和分攤。因此，本文分以下兩種情況進行了測算。

含充電基礎設施建設的4 年運營成本

式中，CCT-4為整個項目所有電池前的4 年折舊成本；CBG為國家補貼。

不含充電基礎設施建設的4 年運營成本

式中，CY21為含充電基礎設施建設費用4 年運營成本；CY22為不含充電基礎設施建設費用的4 年運營成本。

4 動力電池運營價格及運營成本測算

4.1 基礎數據及依據

4.1.1 基礎數據依據

（1）項目期和電池系統壽命為4 年；針對純電動公交車，國家補貼為50 萬元/輛，補貼方式為第一年全部補貼給用戶。

（2）傳統汽車油價全部按2011 年10 月6 日0號柴油單價7.53 元/升計算；不計通貨膨脹率；營業稅率為5.54%。

（3）北京市電力公司供給運營公司的基礎電價為0.781 元/(kW·h)。

（4）電量采用交流計量方式。

（5）車輛數與電池數配比按1:1.4 測算；項目期結束后，電池系統殘值按5%計算。

（6）人工成本計算。

充電站有三種工種：站長，工人，保安。

人工成本計算公式為

充電站按服務50 輛車計算，站長人數Nzz=11，工人人數Ngr=17，保安人數Nba=2。參照北京市相關指導文件站長工資參照生產主管工資，選取Pzz為70 791 元/年[12]；工人工資參照供電人員綜合價位的平均數，選Pgr取37 216 元/年[13]；保安員工資Pba選取中位數為Pba=17 205 元/年。

（7）電氣設備折舊按10 年計算，土建折舊按20 年計算[14]。

4.1.2 基礎數據

北京奧運純電動巴士充電站建于2008 年，在奧運會期間為奧運服務，奧運會后為北京市91 路、155路等線路的公交服務。充電站如圖2 所示。基礎數據見表1。

圖2 奧運純電動公交車充換電站Fig.2 The Beijing Olympic Games pure electric bus charging station

表1 基礎數據Tab.1 Basic data

電池價格選取北京市招標指導價格，具體如表2 所示，由于鋰電池報廢后還能用作大規模儲能[16]，但分攤成本尚不清楚，所以殘值暫取5%，則選取電池系統價格為4 年折舊價格64.38 萬元。

表2 電池系統價格組成（電池快換）Tab.2 The constitution of battery system price(battery quickly changing mode)（單位：萬元）

4.2 測算結果

電池運營價格測算結果見表3，電動汽車與傳統汽車的經濟性比較見表4。由表3 數據可以看出，含充電基礎設施折舊的電池運營價格比不含充電基礎設施折舊的運營價格高出16.29%；含充電基礎設施折舊的電池運營價格中電池充電價格占33.80%；不含充電基礎設施折舊的電池運營價格中電池充電價格占23.01%。

表3 年金法測算的電池運營價格及其組成Tab.3 Battery operation price measured by annuity method

由表4 數據可以看出，初期購車時電動汽車比傳統汽車高30 萬元；含充電基礎設施折舊的電動汽車4 年運營成本約是傳統汽車4 年運營成本的3 倍；不含充電基礎設施折舊的電動汽車4 年運營成本約是傳統汽車4 年運營成本的2 倍。

表4 電動汽車與傳統汽車的經濟性比較Tab.4 Economical comparison of electric bus and traditional bus

5 動力電池運營價格敏感性分析

[17]，在計算充電基礎設施折舊的前提下，選取電池系統價格、貼現率、年人工成本、年充電量和充電基礎設施初期投資五個因素為敏感性因素，將這些因素在±60%之間變化，計算電池運營價格的變化情況，結果如圖3 所示。

圖3 運營價格對電池系統價格、貼現率、年人工成本、年充電量和充電基礎設施初期投資的敏感性分析Fig.3 Sensitivity analysis of operation price to the battery system price,the discount rate,the annual labor cost,the annual charging quantity and initial investment of charging infrastructure

從圖3 中可以看出，年充電量和電池系統價格對充電價格影響較大。年充電量減少60%，電池運營價格上升到了11.39 元/(kW·h)，上升了99.47%，電池系統價格增加60%，充電價格上升到了8.03 元/(kW·h)，上升了40.62%，因此充電價格對年充電量和電池系統價格比較敏感。

6 動力電池運營價格預測

在電動汽車年充電量基本不變的條件下，未來，影響電動汽車和傳統汽車運營成本差異的主要因素是電池價格和燃油價格。本文針對4 個電池周期，后續16 年進行電池運營價格預測。為了保證預測的相對準確，參考相關歷史數據。表5 為1997～2000全球小型二次電池市場鋰電池價格數據[18]，1997～2000 年4 年時間電池價格下降了約24%。表6 為2007～2010 年0 號柴油價格數據，4 年時間油價平均每年上升8%。依據小型二次鋰電池首次商業應用為20 世紀80 年代末[19]，電動汽車動力鋰電池初期應用是在21 世紀初，則車用動力鋰電池當前階段與小型二次鋰電池1997～2000 年所處階段相當。

表5 1997～2000 全球小型二次電池市場鋰電池價格統計Tab.5 The price statistic of 1997～2000 world small secondary lithium battery market

表6 2007～2010 號柴油零售價格統計Tab.6 Statistic of 2007～2010 diesel retail price

參照歷史數據，未來鋰電池價格每4 年下降比例選取24%，0 號柴油價格選取每年上升8%，假設每個4 年的車輛運營里程相同，則預測未來連續4個4 年的電動汽車運營成本與傳統汽車的運營成本見表7 和圖4 所示。在第一個4 年，由于電動汽車有國家補貼，所以運營成本相對于后面一個4 年少；在第三個4 年，不含基礎設施費用的電動汽車4 年運營成本基本與傳統汽車運營成本接近；在第四個4 年傳統汽車的運營成本將分別超出含充電基礎設施費用的運營成本26.40 萬元，超出不含充電基礎設施費用的運營成本50.47 萬元。

表7 未來四個4 年電動汽車運營成本Tab.7 The next four four-year of the electric bus operation cost

圖4 未來四個四年電動汽車與傳統汽車的運營成本比較Fig.4 The operation cost comparison of electric bus and traditional bus in the next 16 years

根據測算，第二個4 年電動汽車運營成本仍約為傳統汽車的兩倍，因此后一階段可以通過加大鋰電池研發投入，使鋰電池價格盡可能降低，同時可以根據需要合理優化車輛調度策略，提高車輛利用率，增加年行駛里程，從而降低電池運營價格。

7 結論

本文是在充電站建設、運營單位和電池租賃企業盈虧平衡的條件下測算的，如考慮可持續發展，運營公司要有適當的盈利，相應測算價格會提高。

隨著燃油價格的上漲和電池價格的下降，電動汽車的優勢逐漸凸顯，但是目前，相對于傳統汽車的燃油成本，電動汽車電池運營價格仍然較高，產業化初期，采用裸車銷售、電池租賃的推廣模式有助于提高電動汽車的吸引力。

由電池運營價格的敏感性分析，可以看到，影響電池運營價格的主要因素是電池系統價格和年充電量。因此，只有降低電池成本，提高充電設施利用率，同時優化充電站的配置和改進發車規律來減少初期投資，才能進一步降低動力電池的運營價格。

借鑒歷史數據，未來鋰電池價格按每四年下降24%，0 號柴油油價每年上升8%計算，通過對未來四個4 年的運營成本的預測，發現由于第二個4 年沒有國家補貼，電池運營價格會高于第一個4 年；在計算含充電基礎設施折舊的條件下，第四個4 年電動汽車的運營成本將大大低于傳統汽車，優勢顯現。另外，考慮電池梯次利用技術，會有進一步降低電池運營價格的可能。

參考文獻

[1]周逢權.電動汽車充電站運營模式探析[J].電力系統保護與控制,2010,38(21):63-67.Zhou Fengquan.Discussion on operation mode to the electric vehicle charging station [J].Power System Protection and Control,2010,38(21):63-67.

[2]Sui Zhonghai,Wang Zhenpo.Technical and economic analysis of pure-electric vehicles based on the lifecycle cost theory[C].2011 International Conference on Business Management and Electronic Information,2011,1,125-129.

[3]葛文捷.電動汽車充電站經濟運行分析[J].電工技術學報,2013,28(2):15-21.Ge Wenjie.Economic operation analysis of the electric vehicle charging station[J].Transactions of China Electrotechnical Society,2013,28(2):15-21.

[4]張穎達.含電動汽車充電站的風光互補系統容量優化配置[J].電力系統保護與控制,2013,41(15):126-134.Zhang Yingda.Optimum sizing of a stand-alone hybrid PV/wind generation system integrated with electric vehicle charging stations [J].Power System Protection and Control,2013,41(15):126-134.

[5]陳征.含光伏發電系統的電動汽車充電站多目標容量優化配置方法[J].電工技術學報,2013,28(6):238-248.Chen Zheng.Multi-objective optimization for capacity configuration of PV-based electric vehicle charging stations[J].Transactions of China Electrotechnical Society,2013,28(6):238-248.

[6]Li Zhe,Ouyang Minggao.The pricing of charging for electric vehicles in China-Dilemma and solution[J].Energy,2011,36(9):5765–5778.

[7]Li Zhe,Ouyang Minggao.A win–win marginal rent analysis for operator and consumer under battery leasing mode in China electric vehicle market[J].Energy Policy,2011,39(6):3222–3237.

[8]Hao Han,Wang Hewu,Ouyang Minggao.Comparison of policies on vehicle ownership and use between Beijing and Shanghai and their impacts on fuel consumption by passenger vehicles[J].Energy Policy,2011,39(2):1016–1021.

[9]孫丙香,姜久春,張維戈.基于內部收益率法的動力電池租賃價格測算[J].電力系統自動化,2011,35(13):27-30.Sun Bingxiang,Jiang Jiuchun,Zhang Weige.The measurement of lease price for power battery based on the internal rate of return method[J].Automation of Electric Power Systems,2011,35(13):27-30.

[10]滕耘,胡天軍,衛振林.電動汽車充電電價定價分析[J].交通運輸系統工程與信息,2008,8(3):71-74.Teng Yun,Hu Tianjun,Wei Zheling.Analysis on charge price of electric vehicles[J].Journal of Transportation Systems Engineering and Information Technology,2008,8(3):71-74.

[11]劉海英.財務管理學[M].濟南:山東人民出版社,2007:131.

[12]北京市人力資源和社會保障局.管理人員及專業技術人員部分職業工資指導價位[S].2010.

[13]北京市人力資源和社會保障局.服務生產人員部分職業工資指導價位[S].2010.

[14]GB/T14885-94,固定資產分類與代碼[S].GB/T14885-94,Classification and codes for fixed assets.

[15]張維戈.北京 2008 年奧運會電動車充電站規劃及運營模式方案[J].變頻器世界,2008(4):26-28.Zhang Weige.The design and the running mode of the vehicle charge-station for the 2008 Olympic games[J].The World of Inverters,2008(4):26-28.

[16]Erin Cready,John Lippert,Josh Pihl.Technical and economic feasibility of applying used EV bateries in stationary applications[R].2003,SAND2002-4084.

[17]沈又幸,范艷霞.基于動態成本模型的風電成本敏感性分析[J].電力需求側管理,2009,11(2):15-17,20.Shen Youxing,Fan Yanxia.Sensitivity analysis of wind electricity costs based on dynamic cost model[J].Power Demand Side Management,2009,11(2):15-17,20.

[18]譚小金,陳玲蓉.全球電池產業現狀與展望[J].電池工業,2001,6(6):261-267.Tan Xiaojin,Chen Lingrong.Present and future perspectives of global battery industry[J].Chinese Battery Industry,2001,6(6):261-267.

[19]黃彥瑜.鋰電池發展簡史[J].物理,2007,36(8):643-651.Huang Yanyu.Brief history of lithium battery[J].Physics,2007,36(8):643-651.