“新基建”背景下電動汽車充電樁的布局方法分析

李忠　謝良甫　朱麗玲

摘 要：隨著新能源汽車的發(fā)展，充電樁車樁比較高、利用率低、故障率高等因素成為制約其發(fā)展的重要因素。本文簡單介紹了充電樁特點(diǎn)，著重從充電需求、用戶出行規(guī)律、法規(guī)及經(jīng)濟(jì)因素等多個維度分析了充電樁布局需要考慮的因素，并給出4點(diǎn)合理化建議，以提高充電樁質(zhì)量水平及利用率，加快車網(wǎng)融合布局，促進(jìn)電動汽車充電樁產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

關(guān)鍵詞：電動汽車 充電樁 充電樁布局 充電需求

Analysis on Layout Method of Electric Vehicle Charging Pile under the Background of “New Infrastructure”

Li Zhong，Xie Liangfu，Zhu Liling

Abstract：With the development of new energy vehicles， the factors of high charging pile， low utilization rate and high failure rate have become important factors restricting their development. This paper briefly introduces the characteristics of charging pile， emphatically analyzes the factors to be considered in the layout of charging pile from multiple dimensions such as charging demand， user travel law， laws and regulations and economic factors， and gives four reasonable suggestions to improve the quality level and utilization rate of charging pile， accelerate the integration layout of vehicle network and promote the development of electric vehicle charging pile industry.

Key words：electric vehicle， charging pile， charging pile layout， charging demand

1 引言

隨著傳統(tǒng)能源的枯竭與環(huán)境污染問題的加劇，電動汽車受到了越來越多的關(guān)注。國內(nèi)電動汽車充電站的發(fā)展迅速，2021年，中央財(cái)經(jīng)委員會第九次會議對推動碳達(dá)峰、碳中和作出了系統(tǒng)部署，為電動汽車的發(fā)展帶來了新的機(jī)遇。2020年5月，隨著“新型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)”首次被寫入政府工作報(bào)告，標(biāo)志著“新基建”策略正式上升到國家戰(zhàn)略層面。電動汽車充電樁產(chǎn)業(yè)是我國“新基建”的重要內(nèi)容，電動汽車充電樁的規(guī)劃與布局是電動汽車推廣過程中至關(guān)重要的環(huán)節(jié)。

目前，充電樁建設(shè)及布局正在我國各大城市飛速發(fā)展以促進(jìn)電動汽車產(chǎn)業(yè)的擴(kuò)張。但是，電動汽車的發(fā)展和充電樁的建設(shè)存在不協(xié)調(diào)的問題，全國多數(shù)地區(qū)出現(xiàn)電動汽車充電難、排隊(duì)時間長等問題，充電樁建設(shè)的不合理及數(shù)量少不足以滿足電動汽車保有量的快速增長。有的地區(qū)只注重電動汽車保有量的增長而不注重充電樁等配套設(shè)施的建設(shè)，電動汽車的增速較快，但是充電樁的建設(shè)規(guī)模嚴(yán)重不足。有的地區(qū)由于人們對電動汽車的接受程度不是很高加上地方保護(hù)等原因，使得電動汽車的增長總體低于政府的預(yù)期值，造成充電樁和電動汽車充電需求的不匹配，有車無樁和有樁無車的現(xiàn)象并存。另外，在充電樁建設(shè)中，由于缺乏經(jīng)驗(yàn)，沒有充分考慮充電樁建設(shè)多種影響因素，充電樁布局不合理，利用率低，通用性較差等問題經(jīng)常出現(xiàn)。充電樁利用率低、故障率高、地區(qū)分布不均勻等問題成為制約整個產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要因素。

2 充電樁特點(diǎn)

據(jù)中國電動汽車充電基礎(chǔ)設(shè)施促進(jìn)聯(lián)盟數(shù)據(jù)，截止2021年9月底我國新能源汽車保有量為678萬輛，充電樁保有量222萬臺，其中公共類充電樁81.1萬臺，整體車樁比達(dá)到3.05：1，呈現(xiàn)出車多樁少的現(xiàn)象。近幾年我國的車樁比呈現(xiàn)出逐漸下降的趨勢，從2017年的3.43：1下降至2021年9月的3.05：1，雖然目前車樁比高的情況有了一定程度的緩解，但是充電樁存在著利用率低、故障率高、地區(qū)分布不均勻、用戶尋樁困難、充電接口不兼容等問題，充電設(shè)施與配套的社會環(huán)境及協(xié)同機(jī)制尚未形成，與新基建戰(zhàn)略地位相適配的行業(yè)智慧化管理水平仍待提高，制約了其發(fā)展。

電動汽車的充電樁應(yīng)提供不同的充電方式和充電接口，以滿足不同類型的電動汽車的充電需求。按照充電方式的不同，可以將電動汽車分為交流充電站、直流充電站。交流充電站充電的速度較慢，但占地面積小，布點(diǎn)靈活等，能夠應(yīng)用在企事業(yè)單位、居民小區(qū)等場所。直流充電站充電速度較快，輸出的功率也較大，可以建設(shè)在購物中心、游覽區(qū)等區(qū)域[1]。

3 充電樁布局考慮因素

充電樁布局受充電需求、用戶出行規(guī)律、法規(guī)政策及經(jīng)濟(jì)因素、周邊交通情況以及電網(wǎng)建設(shè)情況等因素的影響，其中充電需求對充電樁的分布和規(guī)模影響最大，是最主要的因素。

3.1 充電需求分析

充電需求受到電動汽車的數(shù)量、行駛距離、電池蓄電里程等多種因素的影響。在了解充電需求的分布以及總量的前提下，可以進(jìn)一步進(jìn)行充電樁的選址工作。

電動汽車充電需求分析主要包括基于用戶出行特征的分析法和基于充電樁歷史數(shù)據(jù)的分析法兩種。基于用戶出行特征的分析法一般根據(jù)電動汽車用戶的出行規(guī)律擬合行駛距離及起止時間，從宏觀上建立時空轉(zhuǎn)移模型，考慮出行特性，進(jìn)行路徑模擬，得到充電需求。出行特性主要包括百公里耗電量、停車分布、出行時刻、日行駛距離、荷電狀態(tài)等因素。文獻(xiàn)[2]考慮了路況擁堵因素的影響，提出一種基于聚類分析的電動汽車充電需求分析方法。通過對行駛里程和行駛時間的出行特征數(shù)據(jù)進(jìn)行聚類分析，考慮不同路況條件下道路擁堵因素的影響，并疊加到負(fù)荷預(yù)測模型中，實(shí)現(xiàn)電動汽車充電需求的準(zhǔn)確預(yù)測。文獻(xiàn)[3]考慮了多類型電動汽車充電需求，通過起始荷電狀態(tài)、日行駛里程、充電時間等充電影響因素計(jì)算充電需求。

基于充電樁歷史數(shù)據(jù)的分析法一般基于充電樁的歷史充電數(shù)據(jù)，通過一些數(shù)據(jù)驅(qū)動的方法，如人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法、相似日法、支持向量機(jī)法等，對電動汽車的需求進(jìn)行建模和預(yù)測。文獻(xiàn)[4]為了解決目前充電樁數(shù)量有限、布局不合理等因素造成的歷史充電數(shù)據(jù)和實(shí)際充電需求問題不匹配的問題，對預(yù)測區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格劃分，然后以網(wǎng)格為空間預(yù)測單元，利用預(yù)測指標(biāo)和充電樁歷史數(shù)據(jù)，通過BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法建立電動汽車充電需求和各影響因素之間的函數(shù)關(guān)系，實(shí)現(xiàn)電動汽車充電需求分析及預(yù)測。文獻(xiàn)[5]考慮了實(shí)際的交通分布數(shù)據(jù)和天氣數(shù)據(jù)，對流量模式進(jìn)行聚類分析、為了識別影響因素進(jìn)行關(guān)系分析，采用決策樹建立分類標(biāo)準(zhǔn)，提出了一種基于大數(shù)據(jù)技術(shù)的電動汽車充電需求預(yù)測模型。考慮到實(shí)際的交通模式和充電開始時間，以夏季、冬季工作日和周末的電動汽車充電需求為例，展示了住宅和商業(yè)場所電動汽車不同的充電負(fù)荷分布。

3.2 用戶出行規(guī)律

電動汽車用戶的行車駕駛習(xí)慣、行車路線、行車時間及行駛里程、出行次數(shù)等因素都會影響電動汽車的充電需求，進(jìn)而對電動汽車充電樁的布局造成影響。用戶的出行規(guī)律可以通過兩種方式來獲取，一種是對某一區(qū)域的用戶進(jìn)行調(diào)查來采集電動汽車信息，一種通過國家新能源汽車監(jiān)管平臺的云端數(shù)據(jù)得到。通過提取這些信息的特征函數(shù)，然后利用基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的方法進(jìn)行仿真可以獲得電動汽車用戶的充電需求分布。

3.3 法規(guī)政策及經(jīng)濟(jì)因素

法規(guī)政策因素是影響充電樁布局的重要因素，目前國家大力推廣電動汽車充電樁的發(fā)展，國家各部委與地方政府都出臺了一些法規(guī)政策，對充電基礎(chǔ)設(shè)施的財(cái)政補(bǔ)貼力度很大[6]。近年來，隨著電動汽車行業(yè)的迅速發(fā)展，各國在電動汽車充電站的建設(shè)方面，都在緊鑼密鼓地進(jìn)行著。美國白宮于2016年7月宣布了一項(xiàng)新的財(cái)政政策，為加大力度推動新能源汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，擴(kuò)大了充電樁的貸款擔(dān)保計(jì)劃。美國能源部計(jì)劃將提供45億美元的貸款擔(dān)保來支持和逐步推動電動汽車充電樁的建設(shè)和布局。2008年至2015年，美國電動汽車的電池成本下降超過了70%，充電站的數(shù)量從500座增加到超過16000座，大大促進(jìn)了電動汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。目前，就美國的電動汽車快充裝置網(wǎng)絡(luò)，美國能源部和交通部達(dá)成了合作協(xié)議，以推動電動汽車充電樁全國范圍內(nèi)的整體布局，為美國快速發(fā)展的電動汽車產(chǎn)業(yè)提供支撐。為了推動電動汽車的普及，日本政府很早就頒布了充電樁建設(shè)政策和補(bǔ)助措施。2013年7月，日本的四大汽車公司——豐田汽車、本田汽車、東風(fēng)日產(chǎn)和三菱達(dá)成了合作協(xié)議，建立了四大公司的“一卡通”，實(shí)現(xiàn)充電樁配置以及構(gòu)建便捷充電網(wǎng)絡(luò)服務(wù)一致。2014年5月，日本統(tǒng)一的充電服務(wù)公司成立，由日本的電力公司、各大汽車廠家及一些金融機(jī)構(gòu)組成了這個服務(wù)公司。2020年之前日本建成了200多萬個充電樁，為電動汽車的發(fā)展提供基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)一半新增的汽車是新能源汽車的目標(biāo)。歐洲地區(qū)在2012年的充電站數(shù)為7250，2019年達(dá)到310多萬座。德國、法國以及英國等國家電動汽車的銷量較高，其電動汽車充電站的需求較大，對充電樁產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展提供了很多政策支持。政府通過法規(guī)及補(bǔ)貼政策的制定可以引導(dǎo)充電站行業(yè)的合理發(fā)展，進(jìn)一步影響充電樁的布局。

經(jīng)濟(jì)因素也是影響充電樁布局的重要因素。充電樁建設(shè)前期投資成本高，回報(bào)周期長，耐壓性和保護(hù)方式要求高，對電網(wǎng)的要求較高。充電樁建設(shè)前期投資成本主要包括占地成本、運(yùn)營維護(hù)成本，主要通過電價差以及相關(guān)服務(wù)費(fèi)來獲取收益。充電樁作為基礎(chǔ)設(shè)施具有商業(yè)性，不可能單純依靠國家政策補(bǔ)貼，只有投資回報(bào)達(dá)到商家預(yù)期才能促進(jìn)社會資本進(jìn)入電動汽車充電設(shè)施建設(shè)，更好的推動電動汽車的普及[7]。

3.4 交通因素

電動汽車充電樁附近交通因素直接影響用戶便利性，在路網(wǎng)密度高、路徑通暢的地方建立充電樁，其利用率就高。選擇尋找充電樁時間和用戶等待時間來描述用戶便利性，尋找充電樁時間越短意味著用戶在路途中花費(fèi)的時間越少，說明充電樁分布越廣泛。用戶等待時間越短，說明充電樁足夠該區(qū)域的用戶使用。在人口密集、城市交通樞紐、公共場所等地方建設(shè)充電樁，有利于增加用戶便利性，提高利用率[8]。

3.5 電網(wǎng)建設(shè)情況

電動汽車主要依靠電網(wǎng)提供能源，快速直流充電時功率大、電流大、充電電壓高，對電網(wǎng)的要求較高，快速充電設(shè)備復(fù)雜，會產(chǎn)生大量的電網(wǎng)諧波。電動汽車充電方式不同，直流快速充電、交流常規(guī)充電、無線充電對電網(wǎng)電壓和電流要求不同，對電網(wǎng)的影響不同。大量的電動汽車同時充電也會對電網(wǎng)造成沖擊，在一個地區(qū)當(dāng)有大量的電動汽車以不同的充電方式同時接入時，會造成電網(wǎng)超負(fù)荷，嚴(yán)重時損壞電網(wǎng)，發(fā)生故障導(dǎo)致停電。為了避免這種情況，在進(jìn)行電動汽車充電樁布局時，需要考慮到當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)的容量，能不能承受同時充電對電網(wǎng)造成的沖擊[9]。

4 電動汽車充電樁布局建議

4.1 優(yōu)化充電樁建設(shè)區(qū)域布局

近年來，充電樁產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，政府鼓勵因地制宜加大電動汽車充電基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，但是目前充電設(shè)施的使用存在有固定時點(diǎn)排隊(duì)，擁擠的現(xiàn)象。擁堵現(xiàn)象主要發(fā)生在上午9點(diǎn)到下午3點(diǎn)之間，公交車及出租車的交班時，也會發(fā)生充電樁排隊(duì)的現(xiàn)象。充電樁合理發(fā)展、優(yōu)化布局具有十分重要的意義，場地資源影響著充電樁的科學(xué)布局，為了盈利需求，充電樁建設(shè)者通常會選擇在土地資源和通電成本較低的地方，在土地成本和通電成本高的地方，充電樁的建設(shè)較少，這將導(dǎo)致充電樁供需的區(qū)域不平衡，為了解決這個問題，可以利用一些現(xiàn)有的停車場地在土地成本高的區(qū)域建設(shè)充電樁，優(yōu)化充電樁建設(shè)區(qū)域布局。如鼓勵醫(yī)院、銀行、國企、學(xué)校等單位，在原有的停車場地?cái)U(kuò)大電動汽車充電樁的建設(shè);簡化公共停車場充電樁建設(shè)的審批流程，為公共停車場增加充電樁建設(shè)提供便利。

4.2 協(xié)商制定補(bǔ)貼政策

為了加快電動汽車充電樁的建設(shè)，各地均頒布了相應(yīng)的補(bǔ)貼政策。2020年5月，上海頒布了《上海市促進(jìn)電動汽車充（換）電設(shè)施互聯(lián)互通有序發(fā)展暫行辦法》，支持在居民區(qū)建設(shè)智能充電樁，對支持自（專）用樁共享改造的小區(qū)物業(yè)給予500元/樁的補(bǔ)貼。充電樁按建設(shè)金額的50%標(biāo)準(zhǔn)給予補(bǔ)貼。綜合考慮出租車因油改電帶來的成本增加和潛在運(yùn)營損失，按度電0.4元（2020年）補(bǔ)貼給出租車駕駛員。上海市給予每位新能源汽車消費(fèi)者5000元補(bǔ)貼。上海市根據(jù)公共充電樁、專用充電樁和換電設(shè)施給予充電基礎(chǔ)設(shè)施分度電的充電量補(bǔ)貼。2020年2月18日，深圳出臺《深圳市2019-2020年新能源汽車推廣應(yīng)用財(cái)政補(bǔ)貼實(shí)施細(xì)則》，減免新能源汽車停車費(fèi)，符合準(zhǔn)停類型的新能源汽車每日免首2小時臨時停車費(fèi)，并按照充電設(shè)施裝機(jī)功率，給予直流交流充電設(shè)備不同標(biāo)準(zhǔn)的建設(shè)補(bǔ)貼。北京對充電基礎(chǔ)設(shè)施運(yùn)營進(jìn)行補(bǔ)貼，日常獎勵標(biāo)準(zhǔn)為0.1元/千瓦時，上限為1500千瓦時/千瓦·年。對單位內(nèi)部的充電樁也分等級進(jìn)行了相關(guān)補(bǔ)貼。廣西明確提出在一些政府建設(shè)的公共停車場，實(shí)行對電動汽車停車費(fèi)減半的政策。參考上述政策，后續(xù)相關(guān)部門和地區(qū)可以協(xié)商制定更具有普適性的優(yōu)惠政策，并鼓勵一些充電平臺和企業(yè)加入政府合作單位，聯(lián)合制定政策減免場內(nèi)充電車輛的停車費(fèi)用，降低電動汽車充電成本。

4.3 均衡公共場所快慢充建樁比例

慢速充電樁是在現(xiàn)有居民供電體系的基礎(chǔ)上，使用5-10kW功率量級的充電器轉(zhuǎn)換成直流，或者直接使用交流慢充樁，對汽車內(nèi)電池進(jìn)行充電，充電時間較長，需要花費(fèi)7-8小時。直流快充樁半小時能充電池80%的容量，一般為大功率直流充電。在公共場所，電動汽車用戶希望充電時間越短越好，一方面可以節(jié)省時間，一方面停車充電時需要繳納停車費(fèi)，快充樁的需求更大。但是直流快充樁需要配套如轉(zhuǎn)換交流直流電的電源裝置，安裝成本高，維修復(fù)雜，電流大對電網(wǎng)沖擊大;而慢充樁充電電流和功率都較小，對新能源車電池的使用壽命影響較小，對電網(wǎng)的沖擊壓力也不大。基于電動汽車快慢充電樁的上述特點(diǎn)，在“新基建”之一的公共充電樁建設(shè)中，適當(dāng)增加快充樁數(shù)量，均衡公共充電樁的快慢充建樁比例，如使其大致接近為一比一。

4.4 建立充電樁信息管理平臺

目前由于充電樁服務(wù)企業(yè)不同、型號各異，出現(xiàn)了較多電樁不匹配、利用率低、重復(fù)建設(shè)等問題，普遍存在找不到公共充電樁、充電車位被占用、充完電車輛沒有及時移開、沒有在規(guī)定車位上充電（如一輛車占兩個車位）等現(xiàn)象，為了促充電樁資源優(yōu)化配置，構(gòu)建充電樁的信息管理平臺十分必要。作為配電網(wǎng)的電動汽車充電樁，其結(jié)構(gòu)的特殊性決定了其通信系統(tǒng)的特點(diǎn)，其通信方式往往和配電網(wǎng)自動化一起綜合考慮，應(yīng)該考慮通信的可靠性、建設(shè)費(fèi)用、多業(yè)務(wù)的數(shù)據(jù)傳輸速率及通信的靈活性和可擴(kuò)展性。隨著智能電網(wǎng)建設(shè)的逐步深入，需要電力通信實(shí)現(xiàn)更大范圍以及更靈活的接入。通過通信信息采集和信息監(jiān)管平臺定期檢查充電樁是否故障，如有樁無槍線、充電設(shè)備顯示不明顯等問題，及時做好設(shè)備維護(hù)。利用大數(shù)據(jù)技術(shù)及人工智能技術(shù)，將不同生產(chǎn)商的充電樁信息如位置、分布，充放電信息、故障情況等納入充電樁信息管理平臺進(jìn)行統(tǒng)一監(jiān)測，進(jìn)行充電樁的布局分析、用戶行為分析、充放電數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)以及故障維護(hù)。

5 總結(jié)與展望

本文首先對電動汽車充電樁的特點(diǎn)及存在問題進(jìn)行了簡單介紹，然后從充電需求、用戶出行規(guī)律、法規(guī)及經(jīng)濟(jì)因素等多個維度分析了充電樁布局需要考慮的因素，并提出4點(diǎn)合理化建議以提高充電樁質(zhì)量水平及利用率，加快車網(wǎng)融合布局。

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