突破居民社區充電難困局的解決方案

周紅斌

突破居民社區充電難困局的解決方案

周紅斌

(南京康尼新能源汽車零部件有限公司，江蘇 南京 210000)

隨著新能源行業的快速發展，居民社區的充電問題日益突出。通過梳理居民社區充電的難點和痛點，提出了解決居民社區充電困局多元化全方位的新方案。該方案使用智能控制、網聯共享、大功率新安全接口、區塊鏈等技術來解決居民社區充電的難點和痛點。通過用電設備、充電器和智能共享終端的分離和靈活組合來解決現有充電設施適用性差的痛點。充電器負責和用電器的通信和移動電氣連接，解決了用電器的匹配和安全問題，同時通過靈活配置和不斷升級充電器來實現設施的可擴展性。供電終端負責能源供給的安全可靠，具備多重保護功能和網聯共享功能，實現能源的有效供給和共享使用，解決充電設施利用率不高的問題。同時滿足未來擴展的需求，如滿足未來新用電設備的充電需求、不斷升級的新充電器的適配需求、充放電結合的能源交易需求、直流終端供電的需求等。

社區充電；用電設備；充電器；智能共享終端，解決方案

0 引言

根據中汽協數據顯示，2021年1—12月新能源汽車總銷量352萬輛[1]，市場滲透率14.8%，已經超過了10%的臨界點，新能源汽車進入更快的普及期，私家車用戶將迅猛增長。面對保有量日益增長的新能源車，解決車主最后一公里的充電焦慮，成為眾多車主乃至政府需要面對解決的迫切問題。目前社區存在充電設施利用率不高、充電負荷緊張、投入成本高、設施存在安全隱患等問題，制約了居民社區充電設施的普及。通過難點和痛點的分析，提出了有效的解決方案來提升居民小區居民、物業、運營商、電力商等多方的積極性，實現多方共贏，推動新能源汽車普及走進千家萬戶。

1 社區充電的難點及痛點

居民社區內充電是私家車主最主要的使用場景，同時也是最方便、最經濟、體驗最好的充電方式。但是在實際情況中社區充電存在充電設施不足、充電使用不方便、充電不安全等諸多問題，使社區充電陷入困局。如圖1所示。

圖1 社區充電設施不足

1.1 社區充電設施的成本和管理

社區充電目前使用充電模式二槍線和交流充電樁來實現車輛的交流充電。小區地下車庫安裝的私有充電樁，樣式五花八門，這些都是買車時主機廠贈送的充電樁，如圖2所示[2]。車主需要有產權車位，并且電力容量足夠時才能安裝。部分沒有產權車位的車主沒有安裝資格。隨車配送的充電樁產品雖具備給車輛充電的基本功能，但是缺少使用的安全監控和有效的維護保養服務。同時存在設備質量良莠不齊、戶外使用環境差、充電線長期暴露易老化等問題，導致設備使用完好率低，長期使用故障較多。高額的產權車位成本和私有樁的管理缺乏，導致私家車主在居住社區充電不方便和充電體驗差。

圖2 社區五花八門的充電樁

小區地下及地面公共車位的充電樁建設成本高，資金投入大，常被燃油車占用車位而利用率低，維護成本高，盈利模式單一，運營困難而成為僵尸樁。目前依靠國家的補貼，運營商難以長久維持。現今許多運營商放棄了社區的交流樁市場，如特來電等。

1.2 社區的車樁比低帶來充電的不便

目前新小區充電車位是配比建設，充電設施的數量比實際車輛少。同時在一些老舊小區，停車位比較少，更難以滿足居民隨地充電的需求。

1.3 社區充電設施的安全和責任歸屬

用于社區充電的模式二充電線，在實際充電中使用普通的供電插座，充電安全性低。如果停車位處沒有預設充電插座，常常存在私接亂拉，充電安全性差，極易因發熱起火，如圖3所示。

圖3 供電插座

用于社區充電的交流充電樁，安裝沒有驗收標準，在實際建設中的施工，管道鋪設、線纜、設備及充電過程中的安全問題，以及出了事故誰應當承擔責任的界定不清。充電設施附帶的充電器，如充電的槍線，由于對公用物品的隨意使用和不當放置，產品易破損而產生充電安全風險，部分用戶擔心操作安全而不敢使用，如圖4所示。

圖4 丟棄在地面的充電槍線

1.4 社區充電的電力容量不夠增容困難

對于一些社區，特別是老舊小區，電力容量存在預留不足，難以滿足眾多的車輛同時充電的需求，特別是在充電高峰時段。即插即充的充電設施充電會給小區電力帶來沖擊。同時深夜富裕的電力未得到充分使用。電力供需結構的不平衡帶來電力緊張和電力浪費并存。隨著新能源車輛滲透率的快速提升，居民小區的電力容量問題將日益突出。

2 解決社區充電的困局

社區充電的最終目標是讓所有電動車都能方便、有序、經濟、安全的充電，并能滿足持續增長的社區充電的需求。破解目前社區充電的困局，需要在國家政策和市場的推動下，充分利用好時間和空間的資源，采取多種有效措施，多元化全方位地解決多方的顧慮和問題，實現多方共贏。

2.1 政策支持

這幾年中央和地方政府出臺了一系列對于電動汽車和充電基礎設施的有關政策，給出了全面、具體且有高度的指導方向。在最新的《實施意見》中，“社區充電”直接出現在第一段。全文從社區充電逐漸向外擴大到公共充電體系，明確了社區充電設施的配比不低于10%[3]。

1) 2016年《關于加快居民區電動汽車充電基礎設施建設的通知》及附件《居民區電動汽車充電基礎設施建設管理示范文本》

2) 2020年《新能源汽車產業發展規劃(2021—2035年)》

3) 2022年1月21日，發改委和能源局組織起草了《關于進一步提升充換電基礎設施服務保障能力的實施意見》

各級地方政府持續出臺規范、鼓勵和落地的執行政策和執行細則，例如青島市制定了《關于進一步加強和規范市區電動汽車充電基礎設施建設運營管理的實施方案》中規定了新建住宅小區應將充電基礎設施供電線路敷設至全部固定停車位，至少按照不低于30%的比例進行敷設且相應配置電力容量，其他車位預留擴建敷設條件。這些政策為解決社區充電難的問題奠定了政策基礎。

2.2 技術創新

1) 采用智能化充電技術解決固定車位的充電設備使用率不高、缺少維護、安全性低的難點和痛點。

隨車配送的充電模式二和充電樁僅能滿足了車主用戶的基本充電需求，但是無法滿足不同用戶的差異化需求。隨著行業的發展，越來越多的主機廠將充電設施作為選配件和售后件。用戶可以在終端市場上選用合適的智能化產品來滿足不同使用需求和獲得更好的充電體驗。例如通過智能化產品的平臺預約功能可實現波谷充電，降低用戶的充電成本，如圖5所示；通過平臺發布功能可發布充電資源空閑的信息，通過車位互換來實現充電設施的最大化利用和共享收益；用戶通過和充電平臺的簽約，通過私樁共享獲得服務和收益的分成；通過隨車配置的用電器來避免充電匹配和操作安全問題。低成本、高安全性、可維護、可增值收益的新用戶體驗，大大地提升了固定車位車主的配置意愿，提高了社區充電的配置率。

圖5 平臺預約功能實現波谷充電

2) 采用共享化充電技術解決社區充電運營端的充電設備利用率低，高安裝維護成本，盈利模式單一，運營困難的痛點[4]。

解決新小區和老舊小區公共停車位上的充電設施問題，最有效的方式是調動各方的積極性，實現多方共贏。采用充電設施供電和充電的分離，降低了固定設施配置成本，同時滿足了小區多樣化的充電需求。在社區布置固定的智能共享終端，具有聯網監控、安全保護、防護耐久和智能波谷充電的功能。同時關系到充電安全的用電器，由用戶自備攜帶或放置在共享柜中共享租借，確保了用電器的安全可靠，明確了安全責任歸屬。采用大功率安全接口的供電終端滿足了電動汽車、電動摩托、鋰離子電動自行車等各種大功率用電器的能量補充，如圖7所示。

圖7 實現多種用電設備的共享充電

充電設施的平臺共享功能，實現了社區車主通過手機掃碼進行便捷充電，大大提升了設備的利用率。一方面通過降低充電設施的配置成本來減少支出，另一方面通過提高充電利用率來提升充電服務費，以及通過峰谷差價來鼓勵電力交易獲取中間費，擴大了盈利模式，提升運營效益。同時運營商還可以通過充電平臺進行商業引流，獲得更大空間的間接效益[5]。

3) 采用大功率安全接口技術解決社區充電用戶端的充電功率低、安全性差、使用不便的難點和痛點。

目前新能源車輛的電池容量普遍提升到50度電。傳統的8 A/13 A的充電模式二不能滿足50度的電車一晚充滿電的基本要求。現有32 A交流充電樁可滿足一晚充滿電要求，但是成本高難以廣泛布置，進而導致使用不便。同時無法保證用戶操作時接觸的槍線的安全性，導致用戶難以放心使用，供需矛盾無法有效解決。采用32 A大功率86型新接口的智慧共享終端，可實現7 kW功能的充電，滿足用戶的基本充電需求；可通過分離充電器降低配置成本；用戶可自行購買靈活配置，安全可靠；可通過不同充電器來滿足各種用電器的需求，實現在同一充電終端上充電；具備向后兼容性，滿足用戶潛在和未來的充電需求，如圖8所示。

圖8 安全的大功率32 A接口

4) 采用預約充電、有序充電、雙向充放電技術解決社區用電的負荷問題。

隨著電動汽車日益普及，社區電力供需的矛盾將不斷激化。為有效地解決供需矛盾并實現“碳達峰碳中和”的國家目標，社區供電的模式將發生變化，由傳統的源隨荷動逐步轉變為荷隨源動。臺區的負荷將是固定的，不再增容擴充電力。當電力負荷緊張時，通過有序充電來實現削峰填谷，調節用電負荷[6]；通過清潔能源的接入和分布式接入存儲來提升高峰時的供電能力[7]；通過具備雙向充放電的充電器來實現電動汽車的分布式儲能功能。清潔能源、光儲充一體充電站、居民社區充放電終端、作為分布式儲能終端的電動汽車共同構成了區域微電網[8]。通過清潔能源的接入存儲來擴容，通過電動汽車的充放電來實現分布式儲能和削峰填谷，徹底解決臺區用電日益增長的負荷問題[9]。區域微電網如圖9所示。

圖9 區域微電網

目前的充電設施只有充電功能，無法實現能源的雙向有序流動。升級需要進行設備更換，社會成本高。通過充電器和供電設備的分離，只要升級遠程供電設備的軟件和更新配置充放電的充電器，就可以實現能源終端的雙向流動。隨著技術的發展，雙向充放電的充電器越來越多。作為分布式儲能終端的新能源汽車及其他用電終端，可以通過V2H、V2G等系統來實現能源的綜合利用，獲得更多的電力保障[10]，如圖10所示。

圖10 V2H和V2G系統

3 社區充電的解決方案

搭建物聯網+云平臺+大數據+區塊鏈+移動支付技術平臺[11]，通過實現社區充電服務的低成本高可靠的精細化管理方法，采取能源共享終端+充電器+用電器的智能共享終端方案，實現負荷有序、時間有序、行為有序的充電環境，達成新能源汽車在社區方便、有序、經濟的充電。多元化全方位的采取私樁有序使用、私樁共享、社區公用樁共享[12]、統建統營、雙向充電、預約充電、直流慢充、能源交易等舉措，再配以目的地直流充電、公共快充、大功率超充等輔助充電措施，可全方位地解決社區充電問題。

3.1 社區充電方案

隨著生活水平的不斷提升，社區充電的用電器種類越來越多，不同用電器的充電器是不同的。充電器和供電終端集成在一起的充電設施產品無法為其他用電器進行充電。充電設施不能最大程度地發揮能源終端供給的作用，如圖11所示。

圖11 傳統的充電設施

為充分拓寬充電設施的使用，將充電器和供電終端分離[13]，通過不同的充電器來適配不同的用電器，可滿足電車的交流慢充、直流慢充和鋰電池電動自行車充電等用電器的不同需求，如圖12所示。

圖12 充電器和供電終端分離的充電設施

3.2 大功率供電接口

民用的供電插座僅滿足16 A的充電電流，難以滿足大電流的充電需求。結合載流需求、充電安全、安裝方便及耐用可靠的性能要求，研發出具備多種安全保護的32 A新型供電能源接口[14]。主要性能如下，產品如圖13所示。

(1) 符合86型標準插座安裝要求。

(2) 采用一孔式結構取代三芯式的接觸結構。

(3) 采用高載流的面接觸取代傳統的插片結構。

(4) 采取內藏式結構加長電氣間隙，減少弧外泄。

(5) 采取陶瓷隔離滅弧板和狹縫結構來滅弧。

(6) 采取紫銅作為接觸材料，減少接觸發熱。

(7) 具備插合IP65的防護能力。

(8) 高性能版本產品采取溫度傳感器來監控內部發熱，通過繼電器來大電流切斷。

(9) 高性能版本產品采取MCU電路來實現漏電自檢，提供A型漏電保護。

圖13 新型供電接口

Fig. 13 New power supply interface

3.3 智能共享終端

社區充電設施貼近終端消費者，需要具備安全可靠、物美價廉、可遠程監控、界面交互性好、操作方便等性能。根據實際需求，研發出滿足以上要求的智能共享供電終端，采用了可承載32 A大電流的大功率插座，使用4G網聯模塊進行遠程監控和共享使用。產品主要性能如下，產品如圖14所示。

(1) 產品結構件緊湊，尺寸小，布置方便。

(2) 產品防護性高，可滿足IP65的防護要求[15]。

(3) 產品采取燈語、語音等交互方式，便于使用。

(4) 產品采取掃碼進入小程序操作，使用方便。

(5) 產品可通過微信、支付寶進行充電支付，實現共享使用。

(6) 產品具備溫度保護、漏電自檢、過載保護、短路保護、防雷擊保護等多重保護功能。

(7) 產品可預約充電、遠程監控和遠程運維。

(8) 產品成本低，可提供私樁共享等增值服務。

圖14 智能共享終端

3.4 充電器

為解決新能源汽車在社區充電時充電功率低、充電時間長的問題，可采用32 A的模式二，通過交流接口來實現7 kW交流慢充；采用7 kW的非車載充電機，通過直流接口來實現7 kW直流慢充。目前取消交流口的運營車輛和造車新勢力的車輛，可通過直流口進行大功率的直流慢充。一些搭載3.3 kW OBC的車輛也可以通過直流接口實現7 kW的直流慢充補電。同時采用雙向的充電器還可以實現V2L、V2H和V2G的能量交互，調節用電負荷。交流慢充和直流慢充的應用如圖15所示。

圖15 交流慢充和直流慢充的應用

同時居民社區存在其他大功率充電的用電器，如電動摩托、電動輪椅等。通過采用不同的用電器可實現供電終端的通用。

采用智能共享終端和用電器的解決方案也存在一個問題，就是改變電動汽車用戶使用充電設施固定槍線直接進行充電的習慣。用戶需要分別將充電器插合到智能共享終端和用電器上。充電器插合到智能共享終端的操作如圖16所示。

圖16 充電器插合到智能共享終端的操作

3.5 難點的解決對策

小區居民、小區物業、運營商、電力公司構成了居民社區充電的利益相關方。各方對社區充電存在諸多的問題和擔心。針對居民社區充電的難點，智能共享終端的解決方案給出了相應的解決對策。如表1、表2所示。

表1 運營商和電力公司的問題和解決對策

Table 1 Problems and solutions for operator and power grid

表2 小區居民和小區物業的問題和解決對策

Table 2 Problems and solutions for residential and property

通過以上分析和方案的介紹，基本上解決了目前社區充電的難點和痛點，同時為充電設施的未來發展預留了擴充空間，實現了社會資源的最大化使用。

4 結論

在不久的未來，居民小區的充電設施逐步統一，電動汽車、電動摩托、鋰離子電動自行車等電氣產品均可使用相同的供電終端，不同的充電器適配不同的用電器，充電器可隨車攜帶或就近共享柜租借，便捷、安全、高效和可靠。社區供電終端還可以通過雙向的充放電產品實現分布式儲能和V2H、V2G功能。未來隨著直流配電入戶的推廣，還可以滿足直流供電的需求。新能源汽車快速增長帶來日益突出的社區充電難題，將隨著技術的發展、新產品的創新推出、新解決方案的應用推廣，通過電氣化、智能化、共享化、網聯化的融合和賦能，全面高效的得以解決。

[1] 社區型充電樁解決方案: 讓電動汽車車主最后一公里充電不再困難[EB/OL]. [2021-12-01]. 第一電動網.

[2] 黃小山. 社區充電難怎么破? [EB/OL]. [2021-08-26]. 電動汽車觀察家.

[3] 關于進一步提升充換電基礎設施服務保障能力的實施意見[S].

Implementation opinions on further enhancing the guarantee capacity of rechargeable power infrastructure services[S].

[4] 周紅斌. 面向社區的實現大功率慢充的新型共享接口技術[C] // 中國電動汽車充電設施技術創新大會, 2021.

ZHOU Hongbin. Community-oriented new shared interface technology for high-power slow charging[C] // Technology Innovation Conference of China Electric vehicle Charging Facility, 2021.

[5] 陳奎, 馬子龍, 周思宇, 等. 電動汽車兩階段多目標有序充電策略研究[J]. 電力系統保護與控制, 2020, 48(1): 66-72.

CHEN Kui, MA Zilong, ZHOU Siyu, et al. Charging control strategy for electric vehicles based on two-stage multi-target optimization[J]. Power System Protection and Control, 2020, 48(1): 66-72.

[6] 陳旭, 楊柳, 楊振剛 , 等. 住宅小區電動汽車有序充電潛力評估[J]. 電力系統保護與控制, 2020, 48(2): 122-128.

CHEN Xu, YANG Liu, YANG Zhengang, et al. Assessment of orderly charging potential of electric vehicles in residential areas[J]. Power System Protection and Control, 2020, 48(2): 122-128.

[7] 張忠會, 胡國寶, 李瑞欣. 考慮電動汽車接入的分布式電源出力優化[J]. 電力系統保護與控制, 2018, 46(6): 120-127.

ZHANG Zhonghui, HU Guobao, LI Ruixin. Optimization of distributed generation output in electric vehicles integrating into distribution network[J]. Power System Protection and Control, 2018, 46(6): 120-127.

[8] 劉練, 李林, 丁明, 等. 面向園區的光儲型微電網設計與應用[J]. 電力系統保護與控制, 2020, 48(3): 171-179.

LIU Lian, LI Lin, DING Ming, et al. Design and application of photovoltaic and energy storage microgrid for the park[J]. Power System Protection and Control, 2020, 48(3): 171-179.

[9] 王鑫, 周步祥, 唐浩. 考慮用戶因素的電動汽車有序充放電控制策略[J]. 電力系統保護與控制, 2018, 46(4): 129-137.

WANG Xin, ZHOU Buxiang, TANG Hao. A coordinated charging/discharging strategy for electric vehicles considering customers’ factors[J]. Power System Protection and Control, 2018, 46(4): 129-137.

[10] 劉永東. 電動汽車充電設施技術和標準展望[J]. 電力標準快訊, 2018(5): 7-10.

LIU Yongdong, Prospect of electric vehicle charging facilities technology and standards[J]. Power Standard News, 2018(5): 7-10.

[11]張羅平. 電動汽車參與的新型電力系統架構[R]. 北京:清華大學能源互聯網創新研究院, 2021.

ZHANG Luoping. New power system architecture with electric vehicle participation[R]. Beijing: Energy Internet Innovation Institute of Tsinghua University, 2021.

[12]趨勢下的新思路: 社區共享電動車充電樁[EB/OL]. [2017-05-04]. 汽車科技.

[13]周楠. 一種具備電氣安全保障的居民充電設施: 中國, ZL 2021216861307.7[P]. 2021-02-16.

ZHOU Nan. The utility model relates to a residential charging facility for electric safety protection: China, ZL 2021216861307.7[P]. 2021-02-16.

[14]朱招勇. 一種直插自鎖式防爆電連接裝置及其插頭和插座: 中國, ZL201510268391.X[P]. 2015-10-26.

ZHU Zhaoyong. An explosion-proof electrical connection device with direct insertion and self-locking type, and a plug and a socket: China, ZL201510268391.X[P]. 2015-10-26.

[15] 周楠. 一種適合戶外使用的充電設施: 中國, ZL 202121686140.0[P]. 2021-02-16.

ZHOU Nan. The utility model relates to a residential charging facility with electric safety guarantee: China, ZL 202121686140.0 P]. 2021-02-16.

Solution to break through the dilemma of charging difficulty of residential community

ZHOU Hongbin

(Nanjing Kangni New Energy Auto Parts Co., Ltd., Nanjing 210000, China)

With the rapid development of the new energy industry, the charging problem of residential community is becoming increasingly serious. After sorting out the difficulties and pain points of charging in community, a new multi-dimensional solution to the charging dilemma in community is proposed. Intelligent control, network sharing, high-power new security interface, block chain and other technologies are used to solve the difficulties and pain points. The utility model solves the pain point of the poor applicability of the existing charging facilities by the separation and flexible combination of the power consumption equipment, the charger and the intelligent sharing terminal. Chargers are responsible for communicating and moving electrical connections with appliances, solving appliance matching and security issues, while enabling facility scalability through flexible configuration and continuous upgrade of chargers. Power supply terminal is responsible for the security and reliability of energy supply, with multiple protection functions and network sharing functions, to achieve effective energy supply and sharing, to solve the low utilization of charging facilities. The scheme solves the problem of charging existing residential communities with new energy vehicles, and at the same time, it also meets the needs of future development, such as to meet the future of new charging equipment, upgrade the charger adaption demand, charging and discharging combined energy trading demand, DC terminal power supply demand and so on.

charging in community; power consumption equipment; charger; intelligent sharing terminal; solution

2021-09-31；

2021-10-25

周紅斌(1972—)，男，碩士研究生，高級工程師，主要研究方向為電動汽車充電設施、高壓電氣系統、大功率超充和小功率慢充技術。E-mail: zhouhb@swiftnet.com.cn