充电设施运营商投资决策与电...汽车发展的交互作用机理研究_史乐峰.pdf

第 35 卷第 1 期管理评论Vol.35,No.12023 年 1 月Management ReviewJan.,2023充电设施运营商投资决策与电动汽车发展的交互作用机理研究史乐峰1,2 王 松2 吕胜男2(1.重庆师范大学重庆国家应用数学中心,重庆 401331;2.重庆师范大学经济与管理学院,重庆 401331)摘要:为促进电动汽车充电设施的建设,本文探析了充电设施运营商投资决策与电动汽车发展的交互作用机理。首先以 Bass 模型为基础,构建了体现电动汽车技术进步情况和充电设施供给情况的改进 Bass 模型,进而建立了电动汽车充电设施运营商的动态投资决策模型;然后分析了充电设施运营商面向当期电动汽车充电需求和未来电动汽车充电需求时的投资决策门槛;接着计量了投建运营充电设施对电动汽车发展的反向促进效应;最后分析了现行电动汽车充电设施发展中,不同激励政策的政策效力。研究发现:只有当边际收益和吸引度大于临界值时,充电设施运营商才会积极地投建运营充电设施;然而在电动汽车发展初期,该边际收益和吸引度往往低于临界值,充电设施运营商选择投资的动力不足,需要相关的政策进行激励;对比现行激励政策后发现,按充电桩的装机功率进行补贴的政策是最有利于刺激电动汽车充电设施投资的措施。仿真结果验证了本文的主要结论。关键词:电动汽车;Bass 模型;充电设施;政策激励收稿日期:2020-08-19基金项目:国家社会科学基金项目(19BJY077);教育部人文社会科学研究青年项目(18YJC790137);重庆市教育委员会人文社会科学重点研究项目(20SKGH036);重庆市自然科学基金面上项目(cstc2020jcyj-msxmX0808)。作者简介:史乐峰,重庆师范大学重庆国家应用数学中心、经济与管理学院教授,博士生导师,博士;王松(通讯作者),重庆师范大学经济与管理学院硕士研究生;吕胜男,重庆师范大学经济与管理学院硕士研究生。引 言伴随世界各国对能源、环境问题的持续关注,选择生产、生活的节能减排变革,日渐成为各地区和领域的共同主题1。而推进以电动汽车为代表的交通电动化就是此次变革的重点领域2,3。作为未来城市交通的候选载体之一,电动汽车以其在能源消耗和“尾气”排放方面的相对优势,被世界各国视为传统燃油汽车的理想替代品4-6;加之,当前大众环保意识的不断增强及电动汽车电池、电机等相关技术的持续发展,使得各大汽车厂商纷纷将自身的发展战略转向电动汽车7。这些有利因素形成的合力,正推动着全球电动汽车的快速发展。据国际能源署的报告显示,2019 年,全球电动汽车保有量超过了 720 万辆,较 2018 年增加 210 万辆,且发展势头迅猛8。以我国为例,截至 2019 年,全国纯电动汽车保有量已达 310 万辆,占国内新能源汽车总量的 81.19%,并仍呈现快速增长的趋势9。然而,在此背景下,由于电动汽车充电设施的供应不足10,以及相关利益主体的投资动力不足11,导致的充电难问题却成为当前阻碍电动汽车发展的主要原因之一12,13。为解决该问题,我国政府陆续出台各类政策以促进“适度超前”的充电网络建设,来缓解当前电动汽车与充电设施供需失衡的问题。如在 2018 年 2 月 26 日,国家能源局出台的2018 年能源工作指导意见就指出,要建设“车桩相随、智能高效”的充电设施体系;2019 年 5 月 20 日,交通运输部等 12 部委联合发布了绿色出行行动计划(20192022 年),提出了要加快构建便利高效、适度超前的充电网络体系;2020 年 11 月 2 日,国务院办公厅发布的新能源汽车产业发展规划(2021-2035 年)明确要求加快形成适度超前、慢充为主、应急快充为辅的充电网络,意图形成政策合力突破电动汽车充电难的困境。目前学术界针对充电难的问题,多着眼于电动汽车充电需求预测方案的提出和相应充电设施规划方案的设计两方面。充电需求预测方面,Xing 等14基于数据驱动和人工决策行为,提出了城市电动汽车快速充电需求预测模型。钱甜甜等15考虑了电动汽车的时空分布特性,提出了一种基于时空活动模型的电动汽车充电DOI:10.14120/11-5057/f.2023.01.001244 管理评论第 35 卷功率计算和需求响应潜力评估方法。李磊等16考虑交通系统对电动汽车行驶行为和充电行为的影响,提出了一种基于动态交通信息的电动汽车充电需求预测模型。Moon 等17根据消费者对电动汽车的偏好及充电时间选择和供电设备类型等因素,阐述了建设电动汽车充电设施应考虑的事项。Yang 等18基于累积前景理论,结合动态交通分配模型,利用贝叶斯方法建立了电动汽车用户不同活动链之间的传递关系,以揭示电动汽车的日充电需求规律。充电设施规划方面,袁泉和汤奕19基于路-电耦合网络的电动汽车充电需求响应技术,提出了考虑快充与慢充调控差异性的充电设施投资策略。Shi 等20提出了考虑不同充电设施区域影响力的充电设施综合规划模型。任玉珑等21和邱荷婷等22考虑燃油汽车的行程时间、出行能耗,以及电动汽车的行程时间、充电时间和等待时间等因素,建立了基于交通流均衡分配的充电设施规划模型。曾成碧等23通过分析城市交通流系统,考虑服务半径内电动汽车的交通特性及实际的出行行为过程,建立了电动汽车充电设施规划的数学模型。Gurappa 等24考虑充电设施和分布式电源的布局、规模及其对电力网络运行的影响,建立了电动汽车充电设施布局的多目标优化模型。Pahlavanhoseini 和 Sepasian25从配电公司的角度考虑,将充电设施规划问题建模为一个混合整数非线性规划。Meng 等26在考虑社会因素并确定一定数量候选站点的背景下,建立了充电站选址和规模的优化模型,得到了非规划区域内充电设施的最优数量和位置以及站内充电设施的最优数量和功率。由上可知,当前不同学者已从多个视角对电动汽车的充电需求和充电设施布局及其对交通网络、电力网络的影响做了系统的研究。这对于应对汽车电动化带来的各种影响均具有较好的指导意义。然而细究后发现,目前围绕电动汽车充电设施的研究,多是基于电动汽车已具备一定市场存量这一背景下展开的,将电动汽车数量视为已知条件,未就充电设施运营商投资决策与电动汽车发展的交互作用机理方面做出深入分析。这就使现有研究在回答“先有电动汽车再有充电设施,还是先有充电设施再有电动汽车”这类典型的“鸡-蛋难题”时,显得效力不足。为弥补该不足,本文从电动汽车与配套充电设施交互发展的视角,以促进二者协调发展为目标,深入分析电动汽车充电设施运营商的投资决策行为,计量电动汽车充电设施投运对区域电动汽车发展的促进作用,剖析阻碍当前电动汽车充电设施发展的内在因素,并提出解决办法。较现有研究,本文的主要贡献如下:将电动汽车技术进步和充电便捷度考虑在内,构建了改进 Bass 模型;分析了充电设施运营商投资决策的边界条件;分析了充电设施建设对电动汽车发展的反向促进作用;对比分析了不同激励政策对电动汽车充电设施发展的促进效力。本文余下结构安排如下:首先分析了电动汽车和充电设施之间的关系(第二部分);接着将电动汽车因技术发展和充电便捷度提升带来的潜在市场需求提升考虑在内,提出了改进 Bass 模型(第三部分);然后对充电设施的投建运营进行了分析,以此为基础构建了电动汽车充电设施投资的动态决策模型,并分析了充电设施建设对电动汽车发展的反向促进效益(第四部分);再综合上述研究对现行充电设施促进政策的效力进行对比分析(第五部分);最后将电动汽车的发展分为三个阶段,通过仿真分析来论证本文的主要结论(第六部分);最终得出相关结论(第七部分)。背景描述充电设施和电动汽车用户是两个交互作用的主体27-29。如图 1 所示,一方面,充电设施的增加将对电动汽车用户产生吸引作用,充电设施网络越完善,电动汽车充电就会越方便快捷,其对电动汽车潜在用户起到的购买激励作用就越大30;另一方面,区域内电动汽车的数量越多,充电设施投运后的收益前景越好,充电设施运营商选择增加充电设施投资的动力就越强。因此,在对电动汽车充电设施进行规划时,需将充电设施和电动汽车之间的交互作用机理考虑在内,深入探讨二者间的动态发展关系。为此,本文设定充电设施运营商投运充电设施时将面临两方面的选择:一个是以满足已有电动汽车的充电需求为目标的投资决策(记为 C 投资策略);另一个是基于发展的视角,以满足未来某一时间段内电动汽车充电需求为目标的投资决策(记为 F 投资策略)。由于 C 投资策略的服务对象只有已有电动汽车,而 F 投资策略的服务对象不仅包含已有的电动汽车,还将未来一段时间内电动汽车的市场增长量计入在内,因此从投资效力来看,充电设施运营商选择 C 投资策略在推动电动汽车发展方面不如 F 投资策略。故本文着重讨论在何种情况下,电动汽车充电设施运营商才愿意选择 F 投资策略,采取积极的态度建设充电设施。设充电设施运营商的投资策略为 D,DC,F。第 1 期史乐峰,等:充电设施运营商投资决策与电动汽车发展的交互作用机理研究245 图 1 电动汽车与充电设施之间的反馈关系区域电动汽车发展模型构建1、电动汽车发展的基本模型电动汽车的技术进步直接反映在续航里程、单公里成本、充电便捷度等指标上,最终由电动汽车市场需求量的增加加以体现31。为此,在刻画电动汽车发展方面,本文主要以描述新产品扩散的经典 Bass 模型为基础32,将影响电动汽车发展的因素分为:电动汽车自身技术发展的内在影响因素和电动汽车充电设施建设完善程度的外在影响因素33,来构建电动汽车发展的基本模型:n(t)=p M-N(t)+q N(t)M M-N(t)(1)式中,n(t)为 t 期电动汽车的增量;N(t)为截至 t 期,电动汽车的保有量;p 为内在影响系数,反映电动汽车技术发展水平对电动汽车市场数量的影响34;q 为外在影响系数,反映充电便捷程度对电动汽车市场数量的影响35,36;M 为电动汽车的潜在总市场保有量。其中考虑到不同充电设施投资策略(DC,F)给电动汽车进一步发展带来的影响,电动汽车在某期的保有量可表示为:N(t+1)=N(t)+nD 式中,N(t+1)为充电设施运营商选择 D 投资策略后,t+1 期电动汽车的保有量;nD为充电设施运营商选择 D 投资策略下,电动汽车的增量。2、电动汽车发展的改进模型(1)影响电动汽车发展的技术因素由背景描述部分可知,充电设施运营商选择 C 投资策略是以满足当期已有电动汽车的充电需求为目标;F 投资策略是基于发展的视角,以满足未来某一时间段内电动汽车充电需求为目标。因此 C 投资策略的服务对象是已有电动汽车,而 F 投资策略的服务对象不仅包含已有电动汽车,还将未来一段时间中电动汽车的市场增长量计入在内 该部分增量中,相当部分是由于电动汽车技术进步引致的社会需求的增加额。鉴于此,本文将公式(1)中的内在影响系数 p 进一步函数化为:p=pD=K1+K-kDkDe-rDt(2)式(2)中,pD表示选择 D 投资策略时电动汽车的技术创新系数,即在同等市场价格下,选择 C 投资策略或 F 投资策略时电动汽车的综合技术发展水平;表示选择 D 投资策略时市场对不同电动汽车技术水平的市场响应度;表示电动汽车的单位能量里程(km/kWh)37;K1+K-kDkDe-rDt(km)表示电动汽车续航里程的变化情况38。为便于下文分析,本文将续航里程的变化情况表示为 LD,即 LD=K1+K-kDkDe-rDt,以综合反映电动汽车在不同阶段的技术发展水平;其中,K(km)表示电动汽车的理论最大续航里程,kD(km)表示选择 D 投资策略时电动汽车的续航里程,rD表示选择 D 投资策略时电动汽车的增长速度因子。246 管理评论第 35 卷(2)影响电动汽车发展的充电因素电动汽车充电的便捷程度受与之配套的充电设施的完善程度有关,本文借鉴文献39的建模思路,用充电桩的数量与单日需要充电的电动汽车数量之比表示电动汽车充电便捷度,因此将充电便捷度 q 定义为:q=qD=QDNdLD(qD 1)(