成都地區(qū)電動汽車充電設(shè)施布局研究

上海理工大學(xué)管理學(xué)院 盧寶杰 李軍祥

成都地區(qū)電動汽車充電設(shè)施布局研究

上海理工大學(xué)管理學(xué)院 盧寶杰 李軍祥

充電設(shè)施布局建設(shè)是發(fā)展電動汽車產(chǎn)業(yè)的一個重要先決條件,合理選擇充電設(shè)施布局對電動汽車的發(fā)展有著重要影響。針對成都現(xiàn)階段電動汽車布局情況,采用內(nèi)部因素評價矩陣分析法對家用充電設(shè)施、交流慢充設(shè)施、直流快充設(shè)施、換電設(shè)施4種設(shè)施的優(yōu)劣性進行了比較,結(jié)果表明采用家用充電設(shè)施有助于提高電動汽車推廣,從而給出了成都充電設(shè)施布局適合推廣家用式充電設(shè)施的建議。

電動汽車;充電設(shè)施布局;內(nèi)部因素評價矩陣

0 引言

電動汽車作為一種新能源交通工具,具有能源利用效率高和清潔無廢氣等特點,是實現(xiàn)節(jié)能減排和能源安全戰(zhàn)略的一個重要途徑[1]。電動汽車充電設(shè)施是電動汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要基礎(chǔ),其重要程度在電動汽車發(fā)展眾多影響因素中僅次于電池技術(shù),排名第二,充電設(shè)施建設(shè)重要性各方已達成共識[2-5]。

據(jù)國家電網(wǎng)統(tǒng)計,至2015年4月成都市已投運的充換電站有14座(含201個直流充電樁),能同時為1000輛電動汽車充電,與計劃推廣目標(biāo)相差較大。公共充電設(shè)施建設(shè)緩慢,在很大程度上削弱了電動汽車市場的快速發(fā)展;同時電動汽車市場保有量低,反過來會導(dǎo)致充電設(shè)施投資收益降低,使得投資充電設(shè)施的積極性下降,兩點相互形成惡性循環(huán),阻礙電動汽車產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展。目前,成都市充電設(shè)施只能滿足公共電動交通汽車日常電量需求,因此研究不同充電設(shè)施的優(yōu)劣性,甄選出適合現(xiàn)階段發(fā)展的充電設(shè)施尤為重要。

目前國內(nèi)外針對電動汽車相關(guān)領(lǐng)域的研究已發(fā)表多種研究成果。有研究者從充電機充電功率和縮短充電時間方面進行探討,提出了一些關(guān)鍵指標(biāo)[6-7],少有電動汽車市場發(fā)展初期對充電設(shè)施布局擇優(yōu)選擇的研究。本文提出成都市電動汽車發(fā)展初期不宜大額資本投入大功率直流快充換電站,應(yīng)優(yōu)先發(fā)展家用充電設(shè)施。

1 成都充電設(shè)施的布局及家用充電設(shè)施優(yōu)勢分析

目前電動汽車充電設(shè)施分為4類:換電設(shè)施、直流快充設(shè)施、交流慢充設(shè)施和家用充電設(shè)施。成都市充電設(shè)施布局主要以前三類設(shè)施為主,滿足公共交通和市政用車電能需求。換電設(shè)施是指電動車在城內(nèi)固定的換電站進行電池組的更換,需拆卸下電動汽車內(nèi)部低電量的電池組,換上與車主匹配的滿電量電池組。由于有專業(yè)的技術(shù)隊伍更換組,整個過程大約需要10-15分鐘。對換下的低電量電池組,換電站通常利用夜間用電低谷時段進行充電。直流快充設(shè)施是指利用大型大功率充電樁為電池組充電的,充電電流按國家標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計為150A-400A,充電時間半小時至1小時。交流慢充設(shè)施是指提供16A小電流的交流充電樁,一般充電時間6-8小時。家用充電設(shè)施是指私人建設(shè)的家用交流充電樁,采用220V單相交流電源,充電功率5kW左右,充電時間6-8小時。

與其它三類設(shè)施相比,家用充電設(shè)施有下面3個優(yōu)勢:

(1)解決充電站分布不合理問題。成都地勢平坦,樓盤分布均勻,因充電站、交流慢充、直流快充設(shè)施建設(shè)受到土地制約,導(dǎo)致充電設(shè)施分布不合理,部分充電站利用率低下。家用充電設(shè)施安裝條件低,且不受土地制約,可利用現(xiàn)有車位和配電網(wǎng)資源就地安裝,解決"里程焦慮"情況發(fā)生。

(2)節(jié)約土地資源及相關(guān)配電網(wǎng)配套設(shè)施建設(shè)資源,避免早期過度投入建設(shè)。成都人口眾多,樓盤分布密集,主城區(qū)內(nèi)閑置的土地資源、樓盤小區(qū)周圍的配電網(wǎng)資源等十分有限,家用充電設(shè)施顯得十分必要。家用充電設(shè)施相較于其它三種充電設(shè)施,具有體積小、安裝靈活、無需占用額外土地資源的特點,并且無需對配電網(wǎng)進行升級改造增加容量。

(3)解決商業(yè)模式單一的建設(shè)模式,激發(fā)市場活力,充分運用社會資本。以政府為核心和國家電網(wǎng)為主導(dǎo)模式是成都市電動汽車充電站建設(shè)的模式。

2 內(nèi)部因素評價矩陣分析

由于每類設(shè)施如果單純從充電時間、充電效率、設(shè)施投入與收益等各方面角度來衡量,各有優(yōu)劣,無法得出統(tǒng)一結(jié)論。而內(nèi)部因素評價矩陣(Internal Factor Evaluation Matrix,IFE矩陣)可以綜合分析各充電設(shè)施主要因數(shù)的優(yōu)劣勢,進行科學(xué)合理排序,所以采用IFE矩陣進行分析能夠得出可靠統(tǒng)一的結(jié)論。

IFE矩陣是一種對內(nèi)部因素進行分析比較的方法,從優(yōu)、劣勢兩方面分析影響問題的關(guān)鍵因素,然后依據(jù)每個因素影響程度的大小選擇權(quán)數(shù),再依據(jù)各關(guān)鍵因素的優(yōu)劣程度進行評分,最后計算出的總加權(quán)分?jǐn)?shù)。

影響4種充電設(shè)施建設(shè)的主要內(nèi)部因素按市場營銷理論可從三方面考慮,一是投入成本因素;二是實際使用因素;三是其它重要因素,包含各類充電設(shè)施對配電網(wǎng)的影響等。內(nèi)部因素組成如圖1所示。

圖1 影響4種充電設(shè)施建設(shè)的主要內(nèi)部因素組成

3 四種充電設(shè)施的IFE矩陣分析

本文采用IFE矩陣分析法對4種充電設(shè)施從投入成本、客戶體驗和其它重要因素3方面10項因素進行比較評估。

3.1 分析背景及參數(shù)說明

電動汽車的類型:目前成都充電設(shè)施能滿足公交、市政用車,故不在此研究范圍內(nèi)。此次研究對象為家用純電動汽車。

電動汽車參數(shù):通過對國內(nèi)國外市場上常見的十來款純電動汽車電池容量數(shù)據(jù)的收集發(fā)現(xiàn),多數(shù)車型電池容量分布在20-40kWh區(qū)間,取平均數(shù)30kWh。

行駛能耗參數(shù):根據(jù)成都地區(qū)家用汽車的情況,假設(shè)純電動汽車車重1500kg,平均行駛速度60km/h,一年行駛25000km,平均日行駛里程為68.5km,根據(jù)文獻[8]研究該類電動汽車行駛能耗0.16kWh/km。每日行駛耗電量=行駛能耗*平均日行駛里程=0.16*68.5=10.96kWh。鋰電池日自放電量較小,設(shè)為電池容量的1%,充電設(shè)備的充電效率為95%[9]。由此可得,電動汽車日耗電量及日充電電量見表1.

表1 每日耗電量

使用回報:為直觀比較各充電設(shè)施的充電成本,本文采用與家用普通燃油汽車使用成本進行比較,假設(shè)家用普通燃油汽車年行駛也是25000公里,油價6元/升,油耗8升/百公里,計算出燃油汽車日行駛成本為32.9元。使用回報采用下面的公式計算:

3.2 各內(nèi)在因素分析

影響充電設(shè)施建設(shè)的內(nèi)部因素按重要性排列如下:

(1)充電設(shè)施建設(shè)安裝成本

充電設(shè)施建設(shè)安裝成本計算及結(jié)果如表2所示。

表2 不同充電設(shè)施安裝建設(shè)成本

以一套家用充電設(shè)施建設(shè)為例,家用充電設(shè)施包括充電樁、低壓電力電纜等材料費用10000元,安裝費用占材料費用的20%約2000元,合計最小投資12000元[10],家用充電設(shè)施無需場地租用費用,無需配電網(wǎng)升級,可直接安裝于車主原有停車位上。交流慢充設(shè)施考慮到運行維護成本較家用充電設(shè)施高,折合成安裝費用高出2000元;換電設(shè)施以1臺315kV?A配變、17臺10kW充電機為例計算[11],不考慮場地租用費以及購置土地費用。

(2)充電成本

直流快充設(shè)施、交流慢充設(shè)施、換電設(shè)施主要為運營商經(jīng)營,以盈利為目的,故充電成本要高些。家用充電設(shè)施為車主自用設(shè)備,且可利用夜間低谷電價0.3元時充電,費用最低。如表3所示,通過分析,家用充電設(shè)施使用率低,且安裝成本極小,故使用回報極高。

表3 充電成本

由上表分析可知,直流快充設(shè)施回報率最高,因其電流大充電時間快,每日充電車次數(shù)量較交流慢充、家用充電設(shè)施有幾倍數(shù)量的增加。家用充電設(shè)施其次,雖充電車次少,但對于私人車輛經(jīng)濟效益最明顯。值得注意的是,換電設(shè)施回報為負(fù)數(shù),這就表明如果車主去換電站更換電池,那么他的車輛使用費比傳統(tǒng)燃油汽車還昂貴。

(3)用戶使用體驗

一個商品是否受用戶歡迎,直接影響使用效率。4種充電方式中,家用充電設(shè)施是最便捷的,減小了尋找充電設(shè)施的時間,無需預(yù)約排隊。交流慢充設(shè)施、直流快充設(shè)施、換電設(shè)施地理分布限制,營業(yè)時間影響等因素會降低用戶使用意愿。

(4)充電設(shè)施運行維護成本

運行維護成本包括日常的經(jīng)營性運行成本(不包括電費成本)和設(shè)備檢修成本。換電設(shè)施不僅初期安裝成本高,而且運行維護成本也是最高。直流快充設(shè)施經(jīng)營性成本與交流充電設(shè)施基本相當(dāng),設(shè)備檢修成本較后者要高些。家用充電設(shè)施無經(jīng)營性成本,檢修成本與交流充電設(shè)施相當(dāng)。由此可知家用充電設(shè)施運行維護成本最低。

(5)對配電網(wǎng)的影響

電動汽車在用電高峰期間進行充電,對配電網(wǎng)造成負(fù)荷過載,導(dǎo)致地區(qū)局部用電緊張;同時集中式大電流充電設(shè)施會降低配電網(wǎng)電能質(zhì)量,比如電壓下降、電壓波動、三相電壓不平衡、多次諧波干擾等。換電設(shè)施和家用充電設(shè)施均可安排在夜間低負(fù)荷時工作,對配電網(wǎng)影響小,但交流、直流充電設(shè)施主要營業(yè)時段為電網(wǎng)負(fù)荷高峰期,對周邊電網(wǎng)影響較大。

(6)占地面積

家用式充電設(shè)施不占用額外的土地使用,換電設(shè)施因設(shè)備多車流量大占地最大,直流快充設(shè)施占地靠在其后,交流慢充設(shè)施次之。

(7)配電網(wǎng)升級需要

換電設(shè)施、直流快充設(shè)施額定功率大、數(shù)量多且集中,原有地區(qū)的配電網(wǎng)容量就顯得不足,需對該地區(qū)配電網(wǎng)進行升級改造,升級難度較大。

(8)充換電時間

如圖2所示,各充電設(shè)施的充換電時間對比,家用充電設(shè)施充電時間最長,而換電設(shè)施時間最短。

(9)電動汽車電池壽命

直流快充設(shè)施采用150A以上的大電流充電,縮短電池壽命,但隨著電池技術(shù)的提升,這種缺陷影響將變小。其余三種充電設(shè)施可滿足正常的電池設(shè)計壽命。

圖2 不同充電設(shè)施充電時間

(10)充電接口改造要求

目前國家對電動汽車電池?zé)o統(tǒng)一規(guī)范,不同廠家生產(chǎn)的電池大小規(guī)格不一,如果需要換電服務(wù),電動汽車需要重新改造。國內(nèi)外電動汽車充電接口設(shè)計存在差別,如果進口車需要使用交、直流充電設(shè)施,部分車輛需要改造充電接口。

3.3 內(nèi)部因素評價矩陣(IFE)綜合分析

對以上10個影響因素進行量化評分,量化采用1-5五個等級,分值越高表示充電設(shè)施在該項的優(yōu)勢越明顯,評分越低表示該項劣勢越突出。評價矩陣F見表4.

表4 評價矩陣F

依據(jù)對充電設(shè)施布局影響的重要程度不同,將上述10項內(nèi)部因素按重要性優(yōu)先進行依次排序,排序如下:①充電設(shè)施安裝建設(shè)成本。②充電成本。③用戶使用體驗。④充電設(shè)施運行維護成本。⑤對配電網(wǎng)的影響。⑥占地面積。⑦配電網(wǎng)升級需要。⑧充換電時間。⑨電動汽車電池壽命。⑩電動汽車改造要求。

根據(jù)排序計算各因素的權(quán)重,計算方法為:首先計算各個因素的倒數(shù)值之和,令排在第一位的因素為1/1,排在第二位的因素為1/2,由此類推。令A(yù)等于1/1+1/2+1/3+。。。。。。+1/10的和,為2.93.其次,各因素權(quán)重等于該因素的倒數(shù)除以A,比如排在第三因素的倒數(shù)為1/3,其權(quán)重為1/3÷2.93=0.114.

用每個因素的權(quán)重乘以評分,得到加權(quán)分?jǐn)?shù),將所有關(guān)鍵因數(shù)的加權(quán)分?jǐn)?shù)累加,便得到綜合加權(quán)評價值。由此可得影響充電設(shè)施布局的內(nèi)部因素評價矩陣IFE,見表5.

由IFE評價矩陣可知,家用充電設(shè)施綜合評價加權(quán)值為4.083,遠(yuǎn)高于評價水平2.930,也領(lǐng)先交流慢充設(shè)施,推廣家用充電設(shè)施能夠滿足成都電動汽車發(fā)展階段的科學(xué)布局要求。家用式充電設(shè)施在建設(shè)安裝成本、充電成本、對電網(wǎng)沖擊等方面,是一種經(jīng)濟性好的充電設(shè)施,滿足成都電動汽車發(fā)展階段的科學(xué)布局要求,對電動汽車市場的推廣有很大的促進作用。投資金額大的換電設(shè)施綜合評價加權(quán)值為1.578,遠(yuǎn)低于均值,這說明換電設(shè)施對促進家用純電動汽車市場上乏力。

表5 IFE評價矩陣

4 結(jié)論及建議

成都電動汽車市場推廣目前落后北京、上海、深圳等城市,就目前階段而言應(yīng)當(dāng)將家用充電設(shè)施作為主要的布局加速推廣。同時在政策上鼓勵社會資本、社會運營商加入充電設(shè)施建設(shè)體系,給予經(jīng)濟上的補貼和在手續(xù)流程上開通便捷通道。優(yōu)先推廣5kW小型家用充電設(shè)施,鼓勵國家電網(wǎng)和社會運營商合作,降低充電成本,提高投資回報,使成都充電設(shè)施市場良性發(fā)展,做到各方互惠互利。成都市政府應(yīng)完善電動汽車和充電設(shè)施相關(guān)的規(guī)定制度,統(tǒng)一技術(shù)標(biāo)準(zhǔn),積極開通小區(qū)安裝充電設(shè)施的綠色通道。

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李軍祥【通訊作者】(1971-),男,副教授/博導(dǎo),博士后,主要研究方向:管理科學(xué)與工程。

盧寶杰(1984-),男,四川內(nèi)江人,碩士,主要研究智能電網(wǎng)。