電動汽車充電站運營模式探析

0 引言

目前，隨著電動汽車迅猛發(fā)展，與電動汽車相配套的充電站正成為一種新興產(chǎn)業(yè)，各種資本正競相進入該領(lǐng)域。國家電網(wǎng)已將電動汽車充電站并入智能電網(wǎng)統(tǒng)一規(guī)劃，率先宣布2010 年將在全國27個城市建設(shè)充電站網(wǎng)絡(luò)，擬建公用充電站75 座、交流充電樁6 209 臺以及部分電池更換站。南方電網(wǎng)也在大規(guī)模鋪開充電網(wǎng)絡(luò)建設(shè)，據(jù)了解，僅深圳市2009～2015 年要興建250 個充電站，12500 個充電樁，共需采購設(shè)備5 億元，其中充電設(shè)備價值約3.39億元（扣除變配電設(shè)備）。除了兩大電網(wǎng)公司外，兩大能源央企（中石化和中石油）也開始布局充電站市場。
然而，“一項新的、先進的技術(shù)或方法不能指望潛在的消費者能夠廣泛地認識到它所謂的顯而易見的利益，它是一個社會過程，涉及到人的價值觀、消費習慣、生活經(jīng)驗甚至是人際關(guān)系影響，它是整個社會系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能發(fā)生變化的過程。”因此，一項新的產(chǎn)業(yè)僅有技術(shù)的創(chuàng)新是不夠的，它還需要商業(yè)運營模式的創(chuàng)新。技術(shù)進步只是產(chǎn)業(yè)增長的外在表現(xiàn)，基于制度基因的商業(yè)模式的創(chuàng)新才是產(chǎn)業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵。在我國，電動汽車充電站的業(yè)務(wù)才剛剛起步，運營模式還沒形成，各個相關(guān)的利益群體對產(chǎn)業(yè)發(fā)展的傾向也不盡相同。根據(jù)國外電動汽車充電站的實際情況來看，根據(jù)技術(shù)與充電方式的不同，電動汽車充電站的運營模式基本上可以分為“整車充電”與“電池更換”兩種模式。

1 整車充電模式

1.1 整車充電模式思想

整車充電模式是很多國家研究試驗的重點，這種模式把電池與車輛作為一個整體來考慮，其規(guī)模化發(fā)展的關(guān)鍵是能夠研制生產(chǎn)出“容量大、成本低、充電快、壽命長”的電池產(chǎn)品，在便捷性上滿足用戶的需求，具體又包括常規(guī)充電和快速充電兩種類型。

1.1.1 常規(guī)充電

蓄電池在放電終止后，應(yīng)立即充電，充電電流相當?shù)?，大小約為15 A，這種充電叫做常規(guī)充電（普通充電）。常規(guī)蓄電池的充電方法都采用小電流的恒壓或恒流充電，一般充電時間為5～8 h，甚至長達10 至20 多個小時。盡管充電時間較長，但因為所用功率和電流的額定值并不關(guān)鍵，因此充電器和安裝成本比較低；可充分利用電力低谷時段進行充電，降低充電成本；可提高充電效率和延長電池的使用壽命。

這種充電方式通常適用于：設(shè)計電動汽車的續(xù)駛里程盡可能大，需滿足車輛一天運營需要，僅僅利用晚間停運時間充電?，F(xiàn)階段技術(shù)條件下，電池的續(xù)駛里程大約為200 km，像私家車、市內(nèi)環(huán)衛(wèi)車、企業(yè)商務(wù)車等車輛日均行駛里程都在電池的續(xù)駛里程范圍之內(nèi)，均可采用常規(guī)充電的方式。

1.1.2 快速充電

快速充電又稱應(yīng)急充電，是以較大電流短時間在電動汽車停車的20 min 至2 h 內(nèi)（具體的充電時間由電動汽車動力電池的接收能力而定），為其提供短時充電服務(wù)，一般充電電流為150～400 A。充電時間短；充電電池壽命長（可充電2000 次以上）；沒有記憶性，可以大容量充電及放電，在幾分鐘內(nèi)就可充70%～80%的電；由于充電在短時間內(nèi)（約為10～15 min）就能使電池儲電量達到80%～90%，與加油時間相仿，使電動汽車使用起來非常方便。

這種充電方式適用情況為：電動汽車的日平均里程大于電池的續(xù)駛里程即200 km，即在車輛運行的間隙進行快速補充電，來滿足運營需要；比如公交車、出租車等車輛它們的日平均行駛里程在300 km 左右，則還有100 km 左右的電量需要在峰、平時段通過快速充電的方式進行補充。當然也可以采用更換電池的方式來進行能量的補給。

1.2 整車充電模式的運營及盈利方式透析

電動汽車整車充電模式中的常規(guī)充電和快速充電的盈利方式是一樣的，只是向用戶所收取的充電費用不同而已。該模式運營需要行業(yè)方方面面的企業(yè)和個人的參與，主要包括電動汽車制造商、電池生產(chǎn)商、中間運營商（建站企業(yè)）、能源供給企業(yè)及充電站、電動汽車用戶及政府部門。

該模式在運營過程中首先是能源供給企業(yè)通過向中間運營商（建站企業(yè)）支付一定的建站費用來建設(shè)電動汽車充電站。當用戶來充電站對電動汽車充電時能源供給企業(yè)及充電站向用戶收取一定的充電費用來實現(xiàn)自身的盈利。能源供給企業(yè)及充電站利潤值=（用戶的充電費用+政府部門建站補貼）-（電動汽車充電站建設(shè)費+電動汽車充電站日常運營費），具體的運營過程如圖1 所示。

1.3 整車充電的管理與繳費

整車充電的管理與繳費是通過刷卡的形式進行的。電動汽車用戶可通過能源供給企業(yè)提供的IC卡進行汽車充電繳費。目前，電動汽車充電電價還沒有統(tǒng)一的規(guī)定，不過各省市可以按當?shù)仄胀ㄉ虡I(yè)用電其他類別收取。
當用戶需要充電時，將IC 卡置于插卡口內(nèi)，充電樁根據(jù)IC 卡內(nèi)的信息進行用戶身份確認，得到確認后提示用戶進行正確的連接；然后用戶把充電樁上的充電槍與車輛進行連接，同時在充電樁操作界面上進行充電參數(shù)設(shè)定，選擇充電模式（定量充電、定金額充電、自動充滿）等；當用戶完成設(shè)定工作并啟動充電后，充電樁執(zhí)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)讀取、記錄等處理工作，并控制電氣回路為輸出連接器加電；充電過程啟動后，用戶取走IC 卡，充電樁自動進行充電及相關(guān)數(shù)據(jù)計量、記錄處理；當充電過程達到結(jié)束條件后，充電樁停止充電。當用戶再次刷卡后，操作界面顯示完整的充電信息，提示用戶斷開充電樁與車輛的連接，并進行有關(guān)費用結(jié)算操作，打印收費單據(jù)等（在此時如果用戶直接把卡取走而不進行費用的結(jié)算，那么在用戶下次進行充電時，計費系統(tǒng)會自動扣掉上次充電應(yīng)交的充電費用，否則不再給當前用戶進行充電服務(wù)）；其具體流程如圖2所示。

2 更換電池模式

2.1 更換電池模式思想

更換電池模式也稱租賃電池模式，是一種把車輛與電池分開考慮的思路。用戶只購買汽車，由專門的電池租賃公司負責電池的購買、租賃、充電、快速更換及管理?？梢宰層脩粝?ldquo;汽車加油”一樣方便地得到能源供給。它的運營模式是通過各個電池更換站集中對標準化的電池充電，電動汽車用戶需要補充能源時，可以非常方便地到任意一個更換站更換充好的電池。

2.2 更換電池模式的運營及盈利方式透析

電動汽車更換電池模式的運營與整車充電模式的運營所需要參與的企業(yè)和個人是一樣的，在上面已經(jīng)具體的給出在這不再一一介紹。能源供給企業(yè)及換電站利潤值=（用戶的所用電費+電池租賃費+賣廢舊電池所得利潤+政府部門補貼）-（電池購買費用+電池更換站建設(shè)費+電池維護費用+電池更換站日常運營費），具體的運營過程如圖3 所示，其具體的運營過程包括電池的租賃、電池的更換、電池的維護和電池的回收。

2.2.1 電池租賃

能源供給企業(yè)購買電池后通過向中間運營商（建站企業(yè)）支付一定的建站費用來進行更換站的建設(shè)。電動汽車用戶在購買“裸車”后，去電池更換站辦理相應(yīng)的“租賃手續(xù)”及交一定的租金就能使電動汽車投入使用。租賃的手續(xù)及租金由相關(guān)部門協(xié)商而定，對于租金可以肯定的是，因為換給消費者的是一塊充滿電的電池，加上一些其他成本，租賃電池的價格肯定要比消費者自己在家充電貴，但是絕對遠遠低于燃油的費用。用戶在電池的使用過程中不僅要交租金，每次更換電池時根據(jù)電池電量的消耗情況用戶還要向電池更換站交納相應(yīng)的所用電費。

2.2.2 電池的快速更換

為了使得更換更加快捷，需要更換電池的車輛進站之前應(yīng)向站臺提出電池更換請求，以便站臺調(diào)度安排停車位置、通知電池更換庫準備整車更換電池并運至更換電池區(qū)、準備卸載設(shè)備。當車輛進站后，根據(jù)調(diào)度指令將車開到更換電池區(qū)準確位置，準備更換電池。在更換電池前，必須仔細翻閱車載監(jiān)控裝置故障記錄，檢查車輛電池在運營過程中是否故障。如果有故障記錄，則記錄故障信息（包括故障位置和類型）。然后清除故障記錄。然后進行更換電池，首先斷開整車的高低壓供電，然后才能卸載電池。卸載的時候，將故障電池和無故障電池分開擺放。對于故障電池箱，將故障電池和故障信息一并送維護車間，無故障的電池箱送充電區(qū)充電。卸載完畢后，將已經(jīng)準備好的電池裝車。接通整車的高低壓供電，再進行一次故障診斷，確保更換完電池之后整車運行正常后將車駛出更換電池區(qū)。其具體流程如圖4 所示。

2.2.3 電池的維護

當電池在使用過程中，個體電池的容量會出現(xiàn)嚴重不均衡的現(xiàn)象。這樣在電池串聯(lián)充電時，只要有一只電池的充電電壓達到最高限制電壓，就要立即停止充電，而此時電壓較低的個體電池還處于欠充狀態(tài)；反過來在電動汽車行駛過程中，只要有一只電池的電壓下降到最低限制電壓，就要斷開動力電池停止放電，而此時電壓較高的個體電池容量不能充分利用。這樣長期循環(huán)使用下去，電動汽車動力電池的容量會越來越不均衡，一次充滿電的行駛里程會大大降低。

為充分利用鋰離子動力電池的儲能效率，降低使用成本，充電站建設(shè)需要設(shè)置電池容量測試與充放電維護設(shè)備，當電動汽車動力電池的容量明顯出現(xiàn)下降時，利用該設(shè)備可以對單個電池進行容量測試，并對容量落后的電池進行多次的充放電操作，使其活性物質(zhì)充分激活，容量得到恢復(fù)。對于快換電池模塊，利用該設(shè)備對單體電池進行容量檢測，把容量一致的電池重新進行配組，提高電池的利用率。另外可配套建立電池數(shù)據(jù)用戶檔案，為電動汽車客戶提供使用建議。

2.2.4 電池的回收

電池租賃的另一大好處在于能回收殘值，其中約50%的價值可以回收再利用，如電池的外殼、電極等等，所以電池企業(yè)采用租賃方式再回收電池，既能對廢棄電池進行專業(yè)處理、保護環(huán)境，又能整體節(jié)約運營成本，系統(tǒng)綜合成本是下降的。

雖然鋰電池和鉛酸蓄電池不同，它不含腐蝕性化學物質(zhì)。但是如果任其堆放在垃圾場，不僅造成浪費，而且存在污染地下水的潛在危險。鋰離子電池其實是可以循環(huán)使用的，再循環(huán)使用前，先要冷凍至-325℃，去除鋰金屬，然后剪切，分離。盡管現(xiàn)在鋰金屬在自由市場很難售出，但是鋰電池里其他金屬元素，例如鎳、鈷，都非常珍貴，如果把鋰離子電池直接送到垃圾場，就太可惜了。

3 我國電動汽車充電站運營模式的發(fā)展方向

電動汽車充電站的運營究竟選取哪種模式，應(yīng)圍繞“快速、健康、高效地推動電動汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展及普及”這一核心目標，結(jié)合技術(shù)發(fā)展趨勢和現(xiàn)實條件進行綜合考量。最主要包括以下三個方面：

一是消費者使用的總體經(jīng)濟性、方便性，這關(guān)系到運營模式的競爭力；二是能源供給企業(yè)的盈利模式，這決定著電動汽車充電站的可持續(xù)發(fā)展能力；三是對城市電網(wǎng)運行的影響，這是城市整個電網(wǎng)能否安全、高效地運行的關(guān)鍵因素。

1）整車充電中的慢速充電方式可以充分利用低谷電力充電，電費相對降低，但是充電時間過長使車輛的使用十分不便；快速充電方式下充電時間短易于車輛的使用，但是充電費用較高，且會大大縮短電池的使用壽命；而且整車充電模式下初次購買及后續(xù)更換電池的費用很高（約占車輛總費用30%~50%）。換電池模式單純的租賃費和電費支出可能比整車充電模式有一定幅度增加，但是由于節(jié)省購買電池的費用，如果政策和管理到位，理論上車輛整個生命時期的運營費用會顯著低于整車充電模式，且換電池模式的靈活性、方便性都相對較好。

2）換電池模式屬于能源新物流模式。換電池模式有利于電池生產(chǎn)企業(yè)規(guī)?；?、標準化生產(chǎn)，有利于能源供給企業(yè)的規(guī)?；少徟c集約化管理，能夠顯著降低總運營成本。能源供給企業(yè)作為一個相對獨立的中間運營商，有利于政府施加更具針對性的扶持和優(yōu)惠政策，如電價政策、購買電池補貼政策等，容易建立起清晰的財務(wù)盈利模式，比單純提供充電服務(wù)可獲得更高的經(jīng)濟回報，具有更大的發(fā)展空間。

3）整車充電中的快充大量發(fā)展將使得電網(wǎng)諧波污染問題突出，治理成本提高。換電池模式集中充電便于統(tǒng)一調(diào)度、管理和監(jiān)控，能夠最大程度發(fā)揮削峰填谷作用，提高電力系統(tǒng)負荷率，最大限度減少諧波污染等對電網(wǎng)的不利影響，有利于電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行和電力資源的優(yōu)化利用。

綜上所述，換電池模式具有更突出的優(yōu)勢和更廣闊的發(fā)展前景?？紤]到差異化需求和特殊情況下電能補給的需要，以更換電池為主、整車充電為輔的運營模式將成為我國電動汽車充電站未來發(fā)展的主流模式。

4 結(jié)束語

電動汽車是零排放、零污染的新能源綠色產(chǎn)品，具有良好的發(fā)展前景，而電動汽車的能量補給是其發(fā)展的前提和基礎(chǔ)，電動汽車充電站作為電動汽車能量補給的重要基礎(chǔ)設(shè)施，它是否具有新穎、高效的商業(yè)化運營模式是該產(chǎn)業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵。本文希望通過對電動汽車充電站運營模式的探討，為電動汽車充電站在中國的長期發(fā)展提供思路和理論基礎(chǔ)。