新能源汽車高效充電系統規劃構建思路研究

[摘要]純電動汽車和插電式混合動力汽車是當前新能源汽車發展的重點，充電系統是其發展的重要前提。本文深入分析了影響充電系統規劃的主要因素和基于成本最優化的充電行為規律性特征，在此基礎上提出了高效充電系統規劃構建的思路和要點，并對智能充電系統提出了設想。本文首次提出了充電誘導系統的設想，對于提升充電設施使用效率和便利度具有積極意義。

[關鍵詞]新能源汽車；充電行為；充電系統；充電誘導

新能源汽車指已經形成一定產能和市場銷售規模的純電動車、插電式混合動力汽車、燃料電池汽車以及傳統混合動力汽車。其中需要充電設施的是純電動汽車和插電式混合動力汽車。完善的充電設施是發展新能源汽車產業的重要保障。近年來我國新能源汽車發展迅速，但充電設施規劃建設仍是重要瓶頸之一。充電設施是新興事物，在城市規劃體系內能夠參考的規范和方法較少。具體來講在充電設施的規劃特性、規劃編制方法、系統布局方法等方面還沒有形成共識。新能源汽車短時間內難以取代“燃油為主、電能為輔”的機動車能源消費格局，這種情形下充電設施規劃需要以最優成本達到滿足近期需求和實現規劃培育兩個主要目標。本文將在分析充電系統規劃布局影響因素、充電行為特征基礎上提出高效充電系統規劃構建的思路和要點，并對智能充電規劃提出建議，提升充電系統規劃的落地性和實用性。

1、影響充電系統規劃布局的基本因素

1.1充電需求量

充電需求是指在一定時間和一定區域內新能源汽車對充電的需求。規劃區域內的充電需求量與該區域新能源汽車的保有量以及交通運行密度正相關。例如電動公交車始末站及其運營線路、擁有新能源汽車比例較高的住宅小區或者企業單位、電動環衛物流車運行線路等區域充電需求較為旺盛。充電設施的布局和服務能力應盡可能與充電需求高的區域保持一致。

1.2基于路網的充電設施服務半徑

充電站的充電服務半徑是充電站的選址布局的關鍵因素之一。《電動汽車充電基礎設施發展指南（2015-2020年）》針對不同的區域制定了公共充電服務半徑。考慮到新能源汽車續航里程的局限，傳統意義上的服務半徑來表述設施覆蓋范圍，可能導致理論值明顯大于實際可服務范圍。在道路交叉口間距長、中央設有連續隔離帶的地區，這種偏差尤為突出。因此“基于路網可達性”來表述更符合實際情況，可以更加高效的發揮設施的服務水平。

1.3與城市規劃要素的協調

對接城市總體規劃等上位規劃是充電系統規劃的基礎，也是充電系統規劃納入城市規劃體系的重要環節。城市發展布局、重點發展區域、城市功能劃分、交通路網格局等規劃要素直接影響新能源汽車的充電需求，充電系統規劃總體布局應與上述城市規劃要素相協調匹配。充電設施用地需考慮與周邊用地規劃、交通狀況、停車規劃等方面的協調。

1.4區域輸配電網基礎條件

當大量電動汽車同時進入充電站充電時，城市電網需要提供大功率的電力供應，同時快速充電的直流充電技術會產生一定的諧波污染，增加了電網諧波污染治理負擔。電池技術進步縮短充電時間必然會增加充電電流和瞬時功率，會進一步加大充電瞬時功率對電網的影響。所以開展充電站的布局規劃工作應有供電部門的參與，提前預留接入容量，在城市配電網規劃改造中納入充電站的建設規劃內容。

1.5新能源汽車技術發展動態

電動汽車產業的發展過程中，在不同階段充電技術和充電需求也會不同。充電設施建設的完善和技術進步將大大緩解電動汽車目前所面臨的電池續航、充電時間等方面欠缺，例如無線充電技術、大容量快速充電電池技術的發展等。對于未來新能源汽車技術的發展，規劃上要保持足夠的彈性和包容性，以應對不斷涌現的新技術。

2、新能源汽車充電行為特征分析

新能源汽車的充電行為即有自身特點，也與傳統汽車加油存在類似，通常表現出“規律性”和“隨機性”兩大特征。規律性特征具體在充電行為偏好上表現為“就近性”、“易達性”，除傳統出行特征外，由于新能源汽車充電行為的“成本最優原則”，使其表現出“復合性”行為特征。在隨機性特征方面，由于機動車出行本身具有較大隨機性，新能源汽車充電行為必然帶有隨機性因素。但是由于受到充電時間和里程限制，當前階段新能源汽車比傳統燃油車表現出的隨機性特征要較弱。因此分析充電行為的規律性特征是規劃構建高效充電系統的基礎和關鍵。

2.1就行性和易達性特征

新能源汽車通常習慣于在始發地或目的地等出行端點附近，以及出行路徑沿線補充電能，以減少不必要的繞行距離，即表現為充電行為的“就近性”。由于受到充電時間和里程限制，新能源汽車比傳統燃油車表現出更加顯著的“就近性”特征。在出行路徑周邊的充電設施基本處于同等空間位置的情況下，新能源汽車更傾向于選擇出入便捷的站點，即表現為充電行為的“易達性”。

2.2復合性特征

充電價格、停車費用、服務水平、出行目的、個人偏好等都對充電行為產生直接影響，而最本質影響來源于充電行為成本最優化。新能源汽車充電大部分是結合出行需求進行，很少有單一性的充電行為，這種特征即是充電行為的“復合性”，這是有別于傳統燃油車的重要特征。充電成本的構成是復雜的，充電電費和充電服務費是顯性成本，停車所占用的停車位資源和充電過程所需要的時間成本是隱性的。充電成本最小的簡化目標函數可以表達如下：

城市區域停車資源緊張的情況下，停車費用是充電總體成本重要組成；而遠長于燃油車加油的充電時間帶來的時間成本也是不能忽略的。如果充電行為是一次“單一性”充電行為，那么停車費用和時間成本難以分攤，需要完全計入用戶的充電總體成本中。因此新能源汽車的充電一般都是結合上班、購物、休閑娛樂、夜間停車等方式復合進行，以抵消停車成本和時間成本。這種“復合性”的行為特征，是“成本最優原則”的體現。這一特征對于充電基礎設施的布局十分重要。決定了充電設施布置一定是在功能復合的區域，單純的“充電功能”設施不是充電系統的主體構成。

另外在充電基礎設施布局上尚不完善的情況下，新能源汽車車主為攤銷停車和時間成本，行為策略受到一定外部條件的約束，出行決策過程也成為隱形成本之一。

3、高效充電系統規劃構建

目前我國新能源汽車發展處在成長培育階段，該階段充電系統的構建必須是高效、優化、引領帶動的。既要從全局全面的角度考慮，叉要分階段有所側重。成長培育階段的應對側重點是：偏樂觀的規劃策略，也就是總體采用適度超前、設施引領的方案。全面全局的角度需要從傳統交通體系來研究系統構建。城市交通系統從空間形態上可以分為交通節點、交通走廊和交通網絡等三種類型。不同空間層次的交通系統必然要求不同的交通組織方式，加之新能源汽車充電行為的“就近性”、“易達性”、“復合性”特征，潛在充電需求將表現出顯著的空間差異性。依據交通系統的空間形態分類，本文將充電設施覆蓋層次細分為節點地區、軸線通道、面狀網絡等三個空間層次，具體如下圖所示。

3.1節點地區

節點地區一般是城市生產和生活的重要活動區，也是交通流的匯集地，交通負荷大、交通組織復雜、潛在充電需求旺盛。節點地區停車設施和充電資源緊張矛盾對充電設施的布設限制較大。但同時節點地區充電設施布局對新能源汽車推廣帶動作用是顯著的。主要充電節點有：生活區核節點、商業文娛核節點、行政辦公核節點、產業服務核節點、校園核節點、體育運動核節點、醫療衛生核節點、公共空間核節點等。

3.2軸線通道

一般情況下，軸線通道應包括高速公路、快速路等全封閉運行道路，以及其它高等級道路。出于交通管制需要，此類地區通常采用雙向隔離的交通組織方式。考慮到P+R模式，地鐵沿線也是布局充電設施的重要周線通道。

高速公路一般屬于全封閉型通道，沿線充電設施的服務對象僅限于高速公路車輛。高速公路沿線充電設施結合休息站布置滿足“就近性”、“易達性”、“復合性”的特征要求，布置合適可以大幅提高新能源汽車的出行范圍。國省道的封閉程度明顯偏弱，在部分高度城市化的郊區城鎮，國省道沿線的非分離式交叉口，使沿線充電設施在服務通道本身車輛之余，能向非通道車輛提供充電服務。需要注意的是基于道路的雙向交通隔離性，軸線通道的機動車難以自由到達對向地區，充電車輛的可選站點被局限于道路行駛側，需考慮充電設施站點出入口等設置的便利性。

3.3面狀網絡

面狀網絡是指除節點地區、軸線通道之外的城市其它一般建設區。因此，面狀網絡的潛在充電需求是城市最主要的需求形式。此類地區主要以生活性道路承擔交通出行需求，交通流基本呈網絡化面狀分布。

在駕駛行為基本不受約束的情況下，機動車可完全依據“就近”與“易達”原則實施充電行為。這種充電行為的“規律性”一方面決定了地區充電需求在空間分布上較均衡，另一方面將充電站點的服務對象基本限定于周邊用戶。導致此類地區的站點具有較強地域性和固定服務范圍。此類地區的充電站點宜就地平衡。

4、智能充電網絡構建

為適應和培育新興事物的發展，充電系統規劃需注重系統功能的完善和提升。讓充電系統在有限的設施條件下最大限度發揮功能，構建智能充電網絡是實現這一目標重要途徑。

4.1智能充電網絡管理功能和基本框架

智能充電網絡管理系統圍繞新能源汽車駕駛者開展服務，在服務的同時也實現了充電車位的高效利用，停車場的有效管理，城市交通的順暢通行。建立一套智能充電管理模式，使充電和停車服務安全、簡便、準確，并且使造價和經營成本控制在適當范圍，是充電設施管理的趨勢。智能充電網絡的框架是以城市為基礎信息單元，融合智能管理、運營監督、信息服務、行業應用為核心，依托云服務平臺建立起來的綜合管理服務系統。

4.2智能充電網絡誘導系統建設

目前很多城市已經建設了停車位的誘導系統，但是充電車位和充電設施的誘導信息系統建設比較缺乏，完全依賴互聯網查詢存在一定的缺陷，也不利于覆蓋所有人群。充電設施的誘導系統對于提高充電網絡系統的管理水平十分必要，能夠減少駕車者尋泊時間，提高充電設施利用率和使用便利度。

（1）智能充電網絡不同出行階段誘導功能

第一階段：從家到目的地區域

當新能源汽車駕駛者出行和需要充電前，可通過互聯網網站或手機客戶端APP提前查看目的地停車場的充電車位狀況，通過道路擁堵提示系統來預測自己的到達時間，通過充電指數預報系統來查看自己到達時間內的充電設施使用情況，并網上預訂一個充電停車位；停車場管理方按照預訂時間保留車位。

第二階段：從目的地區域到目的地停車場

當新能源汽車駕駛者行駛在路上時，可利用移動互聯網終端和車載GPS導航終端完成車位的查詢與預訂，充電指數的預報，充電費用的充值，充電停車場位置導航等操作。

第三階段：從停車場入口到充電停車位

駕駛者在入場時，通過各個路口上安裝的引導屏指示各個方向上的空余充電車位，使駕駛者能夠方便快捷的找到充電車位，避免盲目找位。出入口管理系統則對各種車輛進行實時的、嚴格的管理，尤其是對于燃油車占用充電車位的情況，要施行懲罰性收費措施。

（2）三級誘導體系工作原理

借鑒較為成熟的停車誘導系統設計理論，充電誘導系統功能的實現可采取三級誘導的原則。根據對三級誘導系統結構的描述，可變信息板可以分為三級：

一級充電位誘導可變信息板：設立于誘導區域外圍，提供行車引導線和充電車位占用信息。行車引導線用來提示規劃的停車路徑；

二級充電位誘導可變信息板：設立于誘導區域內的道路兩側，提供充電車位方向、距離、占用情況信息；

三級充電位誘導可變信息板：設立于停車場（庫）進出口附近，提供充電車位占用情況信息。

總結：

本文分析了充電系統規劃布局的主要影響因素和充電行為規律性特征，茌此基礎上提出高效充電系統規劃構建的思路和要點。同時為提升充電系統規劃高效、實用效果，對智能充電網絡規劃尤其是充電使用過程中誘導系統規劃提出了設想和建議。