典型場景下換電重卡的技術經濟性分析

姜運哲 宋承斌 周怡博 周 瑋

（中國汽車技術研究中心有限公司中國汽車戰略與政策研究中心，天津 300300）

引 言

近年來，我國新能源汽車產業迎來快速發展。截至2021年6月底，全國新能源汽車保有量突破600萬輛，占汽車總量的2.06%，但純電動汽車續駛里程短、補能時間長、冬季續航衰減等問題仍未得到解決。

新能源汽車換電模式是一種電池快速更換技術，能夠極大緩解里程焦慮、減少補能時間，具有良好的應用前景。因此，國家電網等企業從我國新能源汽車發展初期就開始探索換電模式，但受限于技術、成本、市場等因素，該模式未能大規模推廣 （王佳和阮藝亮，2019）［1］。許多學者也針對新能源汽車換電模式開展了研究：陽岳希等 （2012）［2］研究了公交車的換電需求，提出了合理配置電池并安排電池更換順序的方法；王抒祥等（2013）［3］建立了換電商業模式評價體系，對充換電服務的3種模式進行了研究；雷珽等 （2013）［4］分析了電動汽車及充換電站關鍵技術，提出了以公共領域推廣、以租代售、從高端乘用車試點等方法發展換電模式的建議；孫丙香等 （2014）［5］針對換電模式下公交車動力電池的價格進行了測算和預測，提出降低電池成本、提高換電站利用率、優化換電站配置和發車規律等發展建議。大多研究重點放在換電站布局策略、換電站電池容量優化、換電運營商業模式研究等，少數研究針對公交車換電模式的經濟性進行了分析，而對換電重卡的技術經濟性分析仍處于空白。

對換電重卡的技術經濟性分析具有非常重要的意義。（1）重卡具有使用頻次高、運輸負荷大、運輸距離長等特點，換電重卡能夠在部分場景下更好地滿足使用需求，彌補傳統新能源重卡的不足；（2）2019年我國重卡一氧化碳、碳氫化合物、氮氧化物、顆粒物排放量分別為80.6萬噸、26.5萬噸、460.7萬噸、3.6萬噸，分別占全部汽車污染物排放量的11.6%、15.5%、74%、52.4% （中華人民共和國生態環境部，2020）［6］，是我國道路交通大氣污染的主要源頭之一。因此，有必要針對換電重卡開展有關研究，推動換電重卡的推廣應用，助力我國大氣污染防治和 “碳達峰、碳中和”目標早日實現。

1 換電重卡的典型應用場景

換電重卡具有較高的能源補給效率，能夠在一定程度上彌補充電重卡使用效率低下的缺陷。但由于動力電池技術水平限制，換電重卡的續駛里程大多為200公里左右，無法達到同等水平柴油重卡的性能。因此，需要研究換電重卡的適用場景，因地制宜開展換電重卡的推廣應用。

1.1 封閉場景

封閉場景主要包括港口、鋼廠、煤礦等，具有作業區域固定、作業路線不固定的特征。該場景下，重卡常處于24小時連續作業狀態，日均行駛里程約80公里／天，具有高頻次、高負荷、對運輸效率要求高等作業特征。使用換電重卡可實現能源的快速補給，能夠滿足對運輸效率和作業強度的需求，且建設一座換電站即可覆蓋整個封閉區域的服務需求。此外，在貨物裝載與卸載環節，燃油車處于怠速狀態；而貨物運輸環節，車輛常處于低速狀態。在此工況下發動機熱效率低、燃油經濟性差、污染水平高 （韓志玉等，2019）［7］，而使用換電重卡可以解決以上問題，降低車輛造成的大氣污染。

1.2 短倒運輸場景

短倒運輸場景具有路線固定、單程距離短的特征，常見場景包括城市渣土運輸、鐵路轉公路接駁運輸、煤礦到電廠短途運輸等。該場景下，根據運輸距離不同，重卡每天能夠往返運輸4～6次，日均行駛里程約750公里／天，使用換電重卡可每單程或往返1次更換1塊電池，幾乎不影響運行效率，可實現對柴油重卡的替代，具備較好的應用潛力。

1.3 干線中長途運輸場景

據統計，高速公路貨物周轉量占貨車貨物周轉總量的比例高達40%以上，重卡是高速公路運輸的主力 （李彬等，2020）［8］。因此，高速公路等干線中長途運輸是重卡的主要應用場景之一。干線中長途運輸場景下，重卡日均行駛里程可達800公里以上，對運輸效率要求較高。使用換電重卡能夠滿足對運輸效率的要求，且換電站可以與加油站同樣布局于高速公路服務區內，幾乎無需新增土地規劃，容易實現推廣應用。

2 重卡運營成本收益模型

根據GA 802-2019《道路交通管理 機動車類型》，重型載貨汽車定義為：總質量大于或等于12000kg的載貨汽車。根據 《新能源汽車推廣應用推薦目錄》相關車型數據分析，本文研究所指的換電重卡特指總質量31噸、整備質量18噸、儲能裝置總儲電量282千瓦時的換電式純電動自卸汽車，或總質量25噸、整備質量10噸、準托掛車總質量38噸、儲能裝置總儲電量282千瓦時的換電式純電動牽引車。為簡化模型計算過程，假設重卡最大續駛里程為200公里。

2.1 封閉場景與短倒運輸場景

封閉場景與短倒運輸場景下，重卡多用于滿足企業內部生產需求，因此不考慮收入，采用最小費用法構建模型。最小費用法是凈現值法的一個特例，用于參選項目的收益無法估算或難用貨幣衡量的情況。該情況下假設使用換電重卡與柴油重卡收益相同，只比較二者購置與使用成本，并計算換電重卡與柴油重卡的成本現值，成本最小的方案最優。重卡的運營成本模型如下：

當t＝0時，C0為購買階段產品價格，當t＞0時，Ct為重卡運營階段的使用成本。

當t＞0時，柴油重卡的運營成本：

當t＞0時，換電重卡的運營成本：

式中，PC為重卡總成本；r為折現率；t為重卡使用年限；Cf為柴油重卡的加油費用；Cc為碳交易費用；L為行駛里程；Ff為柴油重卡的油耗；Pf為油價；β為柴油的碳排放因子；Pc為碳交易市場中的交易價格；Ce為換電重卡的電費，由電力公司收取；Cser為換電重卡的換電服務費（包含電池服務費與租賃費），由換電服務運營商收取；Fe為換電重卡的百公里電耗；Pe為電價；α為電力碳排放因子。

2.2 干線中長途運輸場景

干線中長途運輸場景下，重卡多用于商業運營，需要考慮重卡的收入，采用增量分析法構建模型。該模型對參與項目的收益和成本方面的差額部分進行比較，并計算換電重卡與燃油重卡的增量現值，現值較大的方案最優。為聚焦主要研究指標，忽略車輛保養費用的差異，假設二者行駛路線相同，高速通行費用相同。重卡的增量分析模型如下：

式中，ΔNPV為重卡的差值凈現值；r為折現率；t為重卡使用時長；NA為換電重卡第t年的現金流；NB為柴油重卡第t年的現金流；Y為重卡運營收益；CAt為換電重卡總成本；CBt為柴油重卡總成本；W為貨物重量；P為貨物運輸單價（元／噸公里）。

當t＝0時，CAt為換電重卡購置成本；CBt為柴油重卡購置成本；當t＞0時，CAt為換電重卡運營階段的使用成本；CBt為換電重卡運營階段的使用成本。

當t＞0時，柴油重卡的運營成本：

當t＞0時，換電重卡的運營成本：

3 換電重卡技術經濟性分析

3.1 封閉場景

封閉場景以鋼廠內貨物運輸為例，換電重卡為總質量31噸的換電式純電動自卸汽車。假設該場景下車輛行駛80公里／天，每年運行330天。

基準情景下，假設換電重卡的購置成本為50萬元，能耗為140千瓦時／百公里，電費與換電服務費（包含電池服務費與租賃費）均為0.7元／千瓦時；假設柴油重卡的購置成本為40萬元，油耗為45升／百公里，油價為5.5元／升。取折現率為7%，由表1和圖1可以看出，換電重卡的購置成本高，但單位行駛里程的使用成本低于柴油重卡，因此隨著車輛的使用，換電重卡與柴油重卡的費用差值逐步減少。封閉場景下，重卡日均行駛里程較短，導致換電重卡的經濟性短期內難以體現，第11年時換電重卡的總成本才低于柴油重卡。

表1 封閉場景下換電重卡與柴油重卡的經濟性對比

圖1 封閉場景下換電重卡與柴油重卡的總成本差值

3.2 短倒運輸場景

短倒運輸場景下，假設車輛單程行駛75公里，每天可往返5次，即750公里／天，電費與換電服務費（包含電池服務費與租賃費）均為0.7元／千瓦時，其他條件與封閉場景均相同。由表2和圖2可以看出，換電重卡的購置成本高，但單位行駛里程的使用成本低于柴油重卡。短倒運輸場景下，車輛行駛里程較長，導致換電重卡的使用成本優勢明顯，第2年時換電重卡總成本已經低于柴油重卡，經濟性較短倒運輸場景大幅提升。

圖2 短倒運輸場景下換電重卡與柴油重卡的總成本差值

表2 短倒運輸場景下換電重卡與柴油重卡的經濟性對比

3.3 干線中長途運輸場景

干線中長途運輸場景以高速公路貨物運輸為例，換電重卡為準托掛車總質量38噸、整備質量10噸的換電式純電動牽引車，單次運輸貨物最大質量為28噸；柴油重卡為準托掛車總質量40噸、整備質量9噸的換電式純電動牽引車，單次運輸貨物最大質量為31噸，重卡每年運行300天。

基準情景下，假設換電重卡的購置成本為50萬元，能耗為140千瓦時／百公里，電費與換電服務費（包含電池服務費與租賃費）均為0.7元／千瓦時；假設柴油重卡的購置成本為40萬元，油耗為45升／百公里，油價為5.5元／升。該場景下需考慮重卡的盈利能力，假設貨物運輸價格為0.162元／噸公里 （劉學之等， 2021）［9］。

換電重卡續駛里程200公里，假設每日行駛800公里，則中途需更換4次電池，約耗費30分鐘。柴油重卡行駛途中無需加油，因此能夠比換電重卡多行駛30分鐘。以高速公路限速100公里／小時計算，則柴油重卡每日行駛850公里。

取折現率為7%，根據以上假設進行計算。由表3和圖3可以看出，基準場景下，換電重卡每年現金流較柴油重卡少3萬元左右。即干線中長途運輸場景下，使用換電重卡的收益小于柴油重卡，因此當前并不具備經濟性。

表3 干線中長途運輸場景下換電重卡與柴油重卡的經濟性對比

圖3 中長途運輸場景下換電重卡與柴油重卡的現金流差值

4 靈敏度分析

為了探究不同場景下換電重卡經濟性的主要影響因素，本節重點研究電池綜合服務費（包括電費、換電服務費、電池租賃費等）、碳交易費用以及電池重量等因素對換電重卡的經濟性影響。

4.1 電池綜合服務費

基準情景下，隨著電池綜合服務費逐漸下降，換電重卡運營經濟性逐漸增加，換電重卡與柴油重卡的總成本差現值逐年減小，經濟性得到提升。

由圖4和圖5可知，封閉場景下，當電池綜合服務費達到1.0元／千瓦時，換電重卡的總成本在第6年小于柴油重卡，具備應用經濟性；短倒運輸場景下，當電池綜合服務費達到1.6元／千瓦時，換電重卡的總成本在第3年小于柴油重卡，具備應用經濟性。可以發現：兩種場景下，由于重卡行駛里程的不同，導致換電重卡實現經濟性的時間不同；對于封閉場景，盡可能降低電池綜合服務費，有助于換電重卡更早實現經濟性。

圖4 封閉場景下換電重卡電池綜合服務費靈敏度分析

圖5 短倒運輸場景下換電重卡電池綜合服務費靈敏度分析

由圖6可知，中長途運輸場景下，當電池綜合服務費達到1.2元／千瓦時，換電重卡的運營收益大于柴油重卡，并在第3年實現總收益大于柴油重卡，具備應用經濟性。

圖6 中長途運輸場景下換電重卡電池綜合服務費靈敏度分析

由圖7可知，長途運輸場景下換電重卡經濟性對電池綜合服務費的敏感性最高，其次是短倒運輸場景，最后是封閉場景。電池綜合服務費每下降0.2元，封閉場景下換電重卡運營成本下降6908元／年，短倒運輸場景下換電重卡運營成本下降47103元／年，長途運輸場景下換電重卡運營成本下降62804元／年。由此可知：隨著車輛行駛里程的增加，電池綜合服務費對經濟性的影響愈發顯著。

圖7 不同場景下換電重卡電池綜合服務費靈敏度分析

4.2 碳交易費用

“雙碳”目標下，碳交易制度或將成為促進道路交通低碳化的重要手段之一，本節重點研究基準情景下碳交易費用對換電重卡的經濟性影響。

隨著碳交易費用上升，換電重卡及柴油重卡的運營成本上升；由于電力碳排放因子比柴油碳排放因子低，碳交易費用對柴油重卡的影響更大。

由圖8、9可知，封閉場景和短倒運輸場景下，碳交易費用從50元／噸變化到250元／噸，對換電重卡和柴油重卡的經濟性影響并不明顯。

圖8 封閉場景下換電重卡碳交易費用靈敏度

圖9 短倒運輸場景下換電重卡碳交易費用靈敏度

由圖10可知，中長途運輸場景下，無論碳交易費用如何變化，均無法使換電重卡具有經濟性優勢。

圖10 中長途運輸場景下換電重卡碳交易費用靈敏度

由圖11可知，長途運輸場景下換電重卡經濟性對碳交易費用敏感性最高，其次是短倒運輸場景，最后是封閉場景。碳交易費用每上漲50元，封閉場景下換電重卡相對于燃油重卡運營成本節省347元／年，短倒運輸場景下換電重卡相對于燃油重卡運營成本節省2364元／年，長途運輸場景下換電重卡相對于燃油重卡運營成本節省3971元／年。由此可知：隨著車齡行駛里程的增加，碳交易費用對經濟性有一定影響，但影響較為有限，不足以使換電重卡具備經濟優勢。

圖11 不同場景下換電重卡碳交易費用靈敏度

4.3 電池輕量化

中長途運輸場景下，需要考慮車輛的盈利性，因此必須考慮換電重卡與柴油重卡的載重差異。根據前述假設，換電重卡的載貨量比柴油重卡少3噸。假設隨著電池技術的發展，電池質量降低，換電重卡載貨量提高，增加單次運輸盈利，經濟性上升。

根據 《節能與新能源汽車技術路線圖2.0》（2020）［10］，當前量產的動力電池系統質量能量密度可達到160W·h／kg，到2035年質量能量密度將達到300W·h／kg，即282kWh動力電池重量將由當前的1.76噸降至0.94噸。由圖12可知，中長途運輸場景下，隨著動力電池重量的降低，換電重卡的經濟性有所提升。當動力電池重量降至0.9噸，換電重卡在使用過程中經濟性明顯提升，但總成本仍無法在15年內與柴油重卡持平。

圖12 中長途運輸場景下換電重卡電池重量靈敏度

為進一步分析換電重卡載貨量對經濟性的影響，假設換電重卡與柴油重卡載貨量均為31噸。由圖13可知，基準場景下，換電重卡具有明顯的經濟性優勢。因此，載貨量對中長途運輸場景下換電重卡的經濟性具有較為明顯的影響。

圖13 中長途運輸場景下換電重卡與柴油重卡的現金流差值

5 結論與政策建議

新能源重卡初始購置成本遠高于柴油重卡，換電模式的出現能夠大幅降低新能源重卡初始購置成本，緩解車輛補能焦慮。

通過本文分析可知：基準情景下，在封閉場景、短倒運輸場景使用換電重卡，其運營成本低于柴油重卡，因此隨著行駛里程的增加，換電重卡使用總成本低于柴油重卡，具有較好的推廣應用潛力；此外，由于短倒運輸場景下車輛行駛里程較長，該場景下換電重卡實現經濟性所需時間更少。而基準情景下，中長途運輸場景使用換電重卡則難以實現較好的經濟性，這與幾方面因素有關：（1）換電重卡初始購置成本高；（2）換電重卡載貨量小于柴油重卡，單次運輸盈利低。因此，在沒有政策支持的情況下，換電重卡很難在中長途運輸場景開展市場化應用。

為加快換電重卡的推廣應用，建議針對以上場景給予換電重卡更多的政策支持：（1）對不同場景給予不同運營補貼。電池綜合服務費是對換電重卡經濟性影響最大的因素，應根據不同場景下換電重卡實現經濟性優勢的時間不同，給予不同的運營補貼，最大程度發揮財政資金的作用；（2）加大對動力電池技術研發的支持力度。受制于動力電池性能、成本等方面，換電重卡無論在續駛里程還是價格方面，都無法與柴油重卡相媲美，應加大技術研發政策支持力度，推動整車成本不斷降低和性能提高，增強換電重卡的經濟性。

此外，為分析 “雙碳”戰略對道路運輸行業的影響，本文測算了碳交易費用對換電重卡經濟性的影響。可以發現，碳交易制度對換電重卡經濟性的影響較小，單獨使用該政策難以推動換電重卡的市場化發展。因此，應從政策層面加大創新，給予換電重卡放寬路權、減免稅費等優惠，同時限制柴油重卡的使用，多措并舉推動換電重卡的發展。