純電動汽車充換電技術創新與商業模式淺析

劉尚達

摘 要：隨著新能源汽車技術的不斷升級和充換電服務相關基礎設施和行業標準的逐步完善，我國新能源汽車產業進入了高速發展期，多種新商業模式隨之產生，通過介紹和分析新能源汽車充換電領域的發展現狀和主要矛盾，針對不同發展階段的主要特點預測了可能產生的新商業模式和該商業模式的主要特征，并預測了未來的發展方向。

關鍵詞：純電動汽車 充換電 充電樁

1 引言

隨著國際地緣政治危機的加劇，傳統化石能源成為了制約工業發展的關鍵因素，這也加速了世界各工業發達國家去化石能源行動的進程，具體到汽車工業領域，電氣化成為了各汽車大國不約而同的選擇，這導致逐年遞增的電力需求對電力系統的“穩定性”和“恢復力”都提出了更高的要求，發展新能源汽車是我國從汽車大國走向汽車強國的必由之路，構建以新能源汽車為主體的新型電力系統，規模化的電動汽車能源應用，既是新的挑戰也是新的機遇。目前大多數人只看到了新能源汽車對于傳統車企和汽車服務企業的沖擊，而忽視了電力系統容量這一基礎因素對于新能源汽車普及和發展的限制，以及由此衍生出的全新商業模式。

2 推動純電動汽車充換電技術發展的基礎動力

2.1 雙碳目標與交通電氣化

2020年9月，習近平總書記在第七十五屆聯合國大會上宣布，“中國將提高國家自主貢獻力度，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力爭于2030年前達到峰值，努力爭取2060年前實現碳中和。”伴隨而來的是中國交通將實現全面電氣化。目前中國的發展速度世界矚目，工業發展是推動綜合國力的重要動力，在不影響發展速度的前提下，大力推進電氣化，必將帶來一場能源消費的變革。

2.2 電力全面市場化

我國提出“構建清潔低碳安全高效的能源體系，控制化石能源總量，著力提高利用效能，實施可再生能源替代行動，深化電力體制改革，構建以新能源為主體的新型電力系統”。工商業用戶全量入市交易，深圳等地開展直供電改革，大量新增主體涌入電力市場。純電動汽車因本身所具有的大容量電存儲能力，它的能量富余如果可以并入電網，將在電價平衡中起到關鍵作用[1]。

2.3 電動汽車拉動效應

實現碳中和目標要在滿足經濟社會可持續發展需求的前提下，以新能源為供給主體，優先考慮風、光、太陽能等綠色能量來源（在電力行業被稱之為綠電），同時要滿足應急保障需求。實現這一目標需要結合信息網絡、大數據等多種技術手段來解決風光波動等技術問題，這也會催生出更多的新興產業和與之配到的服務業。

3 充換電行業所面臨的實際困難

3.1 用戶方面

充換電時間長、充電場所少、充電樁故障率高、充電安全無保障等問題突出。尤其在二三線及以下城市更加明顯[2]。對于大多數非一線城市居民來說，純電動汽車只能是作為家庭用車的補充，而不能作為唯一的交通工具，即使是在一線城市，部分消費者購買純電動車的目的也可能只是因為想要享受國家為了鼓勵新能源汽車推廣而暫時給與的優先上牌、現金補貼和稅費減免等政策紅利。自2023年起這部分政策紅利都已經確定了終止日期，這部分用戶也就自然而然的流失了。

3.2 電網方面

新能源汽車充換電對電網的負荷要求隨機性大、無序、單向不可調。新能源發電“密度低”與用電負荷“高度集中”之間的矛盾導致新能源車用不上新能源電，根據國家智慧車聯網技術有限公司車網互動中心預測，到2030年新能源日內最大功率波動接近5億千瓦，超過當年常規總裝機容量的23%。如果仍然依靠常規的電源進行調節的話，從技術角度講已經很難達到平衡。急需大規模的儲能技術和多種形式的需求側資源來輔助達到電網平衡的目的。而電動汽車是目前可預見的需求側增長最快的用電單元。目前新能源車的用電負荷與居民生活用電的負荷波動在時間上是高度一致的，結果將導致電網峰谷有最大負荷35%加劇至55%，“峰上加峰”的現象會更加嚴重，配電網運行壓力不斷加大。“儲能”是目前已知解決這一問題的最直接且有效辦法，但會帶來高昂的成本，需要有長期穩定的盈利來平衡這一成本，無奈新能源汽車領域技術革新速度太快，存在太多的不確定性，很難保證有一個長期穩定的盈利。

3.3 運營商方面

審批困難、利用率低、營業模式單一、投資回報期長、技術更新迭代快。在換電運營體系里，電池投資占總投資的三分之二以上，但目前技術路線多樣化，產業初期，技術創新活躍，如何在實現互聯互通的前提下留下技術創新的空間；同時減少社會資源的重復投入；向后兼容，滿足不同車型的充電需求。盡快完成電池資產的標準化和可流通體系建設，甚至完全的車電分離是未來提高資產流轉效率，引進金融投資最重要的基礎。

4 困難中所蘊含的商機

4.1 峰谷電差達60%

電網的總發電和總用電在同一時間必須相等，在無法儲存的前提下，多余的電必須放棄掉，導致電網的發電資產閑置率達到了40%-50%，但在高峰期電量又不夠用，所以近年間部分地區經常有“限電”的現象。為側面解決這一問題，國家把電價分為峰、谷、平三擋，最高價差可達4倍 。在電價的低谷期充電，在電價的高峰期把富余的電能回饋給電網，有豐富的商業價值可以發掘，不僅是電動汽車可以完成這一資源流轉，報廢的回收動力電池也可以作為梯次儲能的能量載體。

4.2 商用車獲利潛力大

在商用車領域，首先是公交及重卡、其次是物流輕卡最后是網約車和公務車，此類車輛具有工作時間和使用場景固定的共同特點，更加符合電動汽車的使用特點，因此在電動化的普及上會優先于家庭用車，但這一市場并沒有得到足夠的重視，即使是在傳統汽車領域，商用車也常常受到忽視，很多比較容易解決的問題仍然無人解決，比如重卡換電產業缺乏互換性標準體系，導致換電安全性無保障、電池接口不通用、通信協議不兼容等問題，始終無法形成互聯互通的換電網絡。而在充電站領域商用車對于空間和時間成本的要求更高，雖然需求穩定但增產空間比不上民用領域，少有資本愿意進入，反而使這一領域存在了比較大的市場空白和發展空間，競爭也相對較小。

4.3 私家車的主要活力方向為車網互動

國網智慧車聯網技術有限公司副總經理王文在2022中國國際社區充電產業大會期間提到“通過社區有序充電參與電網互動，是目前最經濟最具規模化推廣條件的技術方案。電動汽車可通過社區有序充電、雙向互動（V2G）方式實現與電網的互動，幫助電網削峰填谷，消納清潔能源，讓電動汽車成為真正的新能源車。”在這一過程中車主可以享受到電價差帶來的收益，運營方可以通過保險、養護、網約車等服務產品線盈利。

5 電動汽車在電網系統中的重要作用

截止到2020年6月中國新能源汽車保有量已經突破1000萬輛，根據中國汽車工程學會預測。2030年中國的新能源汽車保有量將達到8500萬輛，2040年將突破3億輛，2040年新能源汽車用電量增加2.68萬億千瓦時，占社會總用電量的17%，日充電功率可達5.87千瓦。這就意味著，新能源汽車用電將成為電網系統發展過程中不得不重點考慮的關鍵因素。

5.1 電動汽車可成為新型電力系統最經濟的可調資源

隨著電動汽車續航能力不斷增加，將是一類非常好的移動儲能資源，可以在電源側和負載側充分發揮“電力海綿”的作用。在電源側如果把比例控制在10%-20%的住宅小區電動車參與雙向充放電，則本地配電就不需要增容。在負荷側響應方面，如果在2030年50%的電動汽車參與電網互動，可形成調峰時段1億千瓦的調節能力[3]。從充電特性分析，電動汽車用戶在居住區或者工作地一般停留時間較長，平均達到3小時以上，可控比達到30%，呈現出“充電時間有彈性、充電行為可引導”的特征，通過市場和技術手段，可實現電動汽車與電網互動。

5.2 電動汽車助力新型電力系統建設的創新實踐

2020年以來國家電網智慧車聯網技術有限公司通過智慧車聯網平臺運營系統聚合電動汽車資源，實現了錯峰能力最大化，電量影響最小化。通過平臺聚合充電樁27.6萬個，可調容量520萬千瓦，累計削峰響應91次。2022年入夏以來以江蘇省為例，組織電動汽車充電樁參與實時需求響應削峰功率1.5萬千瓦，解決江蘇省用電負荷缺口0.5%。雖然占比不大，但新能源汽車還處于發展初期，按目前發展速度可以預測2030年，全社會充電樁參與迎峰度夏，預計削峰能力可以達到3000萬千瓦。

6 新型商業模式分析

隨著電動汽車數量的增長，根據電能的需求和電網的承載能力，充換電領域的發展進程可劃分為三個階段，第一個階段為充的時代，也是我們目前正處于的階段，在這一階段純電動汽車的數量并不多，對于電網的沖擊并不大，利用目前電網的功率儲備可以滿足用戶的充電需求，此階段的充換電商業模式主要由充電樁的設計和研發方即車企來主導，少數電動車頭部企業在行業內具有很大的話語權，比如特斯拉的超級充電站，在技術上設置了比較明顯的壁壘，用來阻止第三方服務企業的進入，但隨著產品保有量的增加，和行業間競爭的加劇，充電樁的建設成為了企業的負擔，必將走向標準化的道路；第二階段是電的時代，隨著電動汽車數量的增加，在不遠的將來，電網將會無法滿足電動汽車的充電需求，此時需要電網針對這一新需求來重新規劃布局，這一階段的充換電模式將由電能的提供方，即各類型的電力公司尤其是“綠電”公司來主導，此時可能會由于用電量的增加而導致電價提高，直到電網在充分利用清潔能源的前提下可滿足純電汽車的用電需求；第三階段是網的時代，此階段電動車的數量趨于飽和，電網電力供應可準確預期，電動汽車儲能方案完整，成為電網的一部分，充分融合互通，這一階段的車、樁、路、網、電、人六個主體互聯互通，充換電模式將由各方協同確定。基于這三個階段，都會孕育出獨有的商業模式。

6.1 充的時代

特點主要表現為以車企自建充電樁來滿足用戶充電需求，支撐不了大規模電動汽車發展。此時的充電樁主要由車企根據自身產品技術路線研發，由于技術路線不同，或車企主動設置技術壁壘，導致充電樁專車專用，在充電樁搭建上也是以家用樁為主，依賴的是現有的民用供電網絡，好在目前基數不大，在大多數非一線城市對電網的沖擊尚在可控的范圍內，但家用充電樁存在安裝成本高（雖然大多數品牌承諾免費安裝，但成本是由企業自身和國家補貼承擔）、利用率低、供電方不可控等弊端，不適合電動車的大規模發展，針對這一主要矛盾已經有：有序充電、微網光伏、移動儲能、梯次儲能、聚合售電、車網互動、碳交易等[4]。許多新概念提出來加速產業的轉型。由此產生的商業模式有：共享充電樁、動力電池回收再利用、智能停車場、電動共享汽車等。

6.2 電的時代

特點表現為充電業務由電網方或第三方服務公司承接，充電樁具有通用性，可進行品牌間共享，充電過程可進行智能控制，享受峰谷電差、綠電、平衡電網等優勢，達到了新能源汽車用新能源電、能源利用率高、節能環保的最終目的。

基于充電樁共享的前提條件，可實現新能源汽車充電的群控群管和綜合調度，新能源車充電和車主居家生活用電負荷不再重疊，所以可以利用群控群管實現居民用電優先、剩余負荷對新能源汽車進行有序充電，實現低谷充電、安全用電。

此階段電動汽車技術發展趨于成熟，有突破性技術革新的可能越來越小，汽車行業市場競爭開始從技術領域轉移到市場營銷及配套服務領域（類似于目前燃油車所處于的發展階段），大規模的新能源發電領域、汽車充電場站、配套的新能源汽車運維服務連鎖企業，將擺脫汽車主機廠的束縛，成為獨立的、占有更大利潤空間的商業環節，同時對于人才的需求也將會更加的綜合化。

6.3 網的時代

以站+終端為鏈路，充電網深度鏈接車、電池、能源、人。充電網+微電網+儲能網成為新型電力系統新載體，充電網是工業互聯網最大應用場景形成高黏性高強度鏈接[5]。隨著能源互聯網的實現，將形成雙向配電、分布式綠電、智慧儲能、電動汽車充放電、電熱轉換等多會員交互管理的多元系統，此時的新能源汽車充放電系統是電網的有機組成部分，兼顧著平衡電網、錯峰平谷、梯次儲能等作用，而不再像前兩個階段，是電網的負荷。網絡建設成熟后可在網絡平臺中擴展SAAS服務，從APP運營、在線支付、大數據分析等多種渠道開發商業模式。即使是已經達到經濟使用壽命極限的淘汰車型，也可利用自身的富余容量和剩余存儲壽命實現零成本儲能和梯次儲能，這對現在亟待解決的廢舊電池回收利用問題也提出了可行的解決方案。

7 可能導致市場變革的關鍵技術

7.1 大功率充電技術

目前主流車企所提供的換電服務可在十分鐘內完成對車輛動力電池的更換，但充電站的建設成本較高，對建設場地和電力基礎設施都有嚴格的要求，并且幾乎所有車企都需要自建只針對自己產品的換電站，在電動車市場保有量不高和充電時間不集中的情況下，換電站工作效率優于充電站，但參考最近東北地區發生的低溫天氣集中換電難問題，可以看出這一模式有很大的缺陷，如果沒有政府支持或者大資本投入，短時間內換電模式不能滿足大規模使用需求。此時人們自然會把注意力轉移到充電模式，中國在大功率直流輸電領域具有世界領先的技術儲備和基礎設施建設，如果電動汽車充電技術發展到可以大幅度提高動力電池所能承受的最大功率，把充電時間縮短到15分鐘之內，充電站將具有巨大的競爭優勢。一直以來為了確保電動汽車的絕緣安全和降低電路制造成本，動力電池最大電壓一直受到嚴格的控制，但隨著技術的進步電動車所能承受的最高電壓已經從初期的300V提高到近1000V。這為未來大功率充電技術的發展提供了可能。

7.2 有序充電技術

新能源汽車有序充電是指在滿足汽車充電需求的前提下，運用經濟或技術措施引導、控制新能源汽車進行充電，一定條件下，新能源汽車還可以通過帶有雙向充放電功能的充電樁向電網放電，從而對電網負荷曲線進行削峰填谷，使負荷曲線峰谷差減小，減少了配電設施容量建設，保證了新能源汽車與電網的協調互動發展[6]。這一技術是實現新能源汽車并入電網的關鍵。也是開展第三方商業服務的先決條件。但這一技術不可能由第三方服務公司開發，只能由電網方完成，且要在車企充電標準統一的前提下才能實現。

8 結語

在新能源汽車普及這一確定的未來引導下，中國已經逐步形成了十縱十橫兩環的高速城際快充網絡，未來也將覆蓋郊區、縣、鄉。在以創新和環保為本，從化石能源向清潔能源，從傳統制造到智能制造轉變的偉大進程中，商業模式的創新也將成為推動電動車產業發展和技術創新的強大動力。發展新能源汽車產業和推動國家能源轉型責任重大，前景廣闊。需要我們全社會進一步加強產業間技術合作和政策協調，持續推進技術創新和商業模式探索，為助力我國新能源汽車產業持續健康發展作出積極貢獻。

基金項目：吉林省教育科學“十四五”規劃2022年度課題《高職新能源汽車技術專業教育與創新創業教育融合實踐研究》（GH22234）。

參考文獻：

[1]馬彬．基于網格化的現代城市配電網精益運營技術支撐體系研究與應用.廣東省，南方電網深圳供電局有限公司，2015-04-14.

[2]鄒大中，李勛，黃建鐘.基于圖像識別的交流充電樁誤差檢定方法研究[J].電子測量技術，2021，44（07）：13-18.

[3]劉敦楠，王玲湘，汪偉業，李華，王文，劉明光.基于深度強化學習的大規模電動汽車充換電負荷優化調度[J].電力系統自動化，2022，46（04）：36-46.

[4]王芳.電動汽車充電兼容性關鍵技術研究及應用.天津市，中國汽車技術研究中心有限公司，2021-09-08.

[5]華光輝，夏俊榮，廖家齊，王會超，周磊，劉瑜俊.新能源汽車充換電及車網互動[J/OL].現代電力：1-9[2023-03-03].