新能源汽車(chē)高效充電系統(tǒng)規(guī)劃構(gòu)建思路研究

[摘要]純電動(dòng)汽車(chē)和插電式混合動(dòng)力汽車(chē)是當(dāng)前新能源汽車(chē)發(fā)展的重點(diǎn)，充電系統(tǒng)是其發(fā)展的重要前提。本文深入分析了影響充電系統(tǒng)規(guī)劃的主要因素和基于成本最優(yōu)化的充電行為規(guī)律性特征，在此基礎(chǔ)上提出了高效充電系統(tǒng)規(guī)劃構(gòu)建的思路和要點(diǎn)，并對(duì)智能充電系統(tǒng)提出了設(shè)想。本文首次提出了充電誘導(dǎo)系統(tǒng)的設(shè)想，對(duì)于提升充電設(shè)施使用效率和便利度具有積極意義。

[關(guān)鍵詞]新能源汽車(chē)；充電行為；充電系統(tǒng)；充電誘導(dǎo)

新能源汽車(chē)指已經(jīng)形成一定產(chǎn)能和市場(chǎng)銷(xiāo)售規(guī)模的純電動(dòng)車(chē)、插電式混合動(dòng)力汽車(chē)、燃料電池汽車(chē)以及傳統(tǒng)混合動(dòng)力汽車(chē)。其中需要充電設(shè)施的是純電動(dòng)汽車(chē)和插電式混合動(dòng)力汽車(chē)。完善的充電設(shè)施是發(fā)展新能源汽車(chē)產(chǎn)業(yè)的重要保障。近年來(lái)我國(guó)新能源汽車(chē)發(fā)展迅速，但充電設(shè)施規(guī)劃建設(shè)仍是重要瓶頸之一。充電設(shè)施是新興事物，在城市規(guī)劃體系內(nèi)能夠參考的規(guī)范和方法較少。具體來(lái)講在充電設(shè)施的規(guī)劃特性、規(guī)劃編制方法、系統(tǒng)布局方法等方面還沒(méi)有形成共識(shí)。新能源汽車(chē)短時(shí)間內(nèi)難以取代“燃油為主、電能為輔”的機(jī)動(dòng)車(chē)能源消費(fèi)格局，這種情形下充電設(shè)施規(guī)劃需要以最優(yōu)成本達(dá)到滿(mǎn)足近期需求和實(shí)現(xiàn)規(guī)劃培育兩個(gè)主要目標(biāo)。本文將在分析充電系統(tǒng)規(guī)劃布局影響因素、充電行為特征基礎(chǔ)上提出高效充電系統(tǒng)規(guī)劃構(gòu)建的思路和要點(diǎn)，并對(duì)智能充電規(guī)劃提出建議，提升充電系統(tǒng)規(guī)劃的落地性和實(shí)用性。

1、影響充電系統(tǒng)規(guī)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(shí)間和一定區(qū)域內(nèi)新能源汽車(chē)對(duì)充電的需求。規(guī)劃區(qū)域內(nèi)的充電需求量與該區(qū)域新能源汽車(chē)的保有量以及交通運(yùn)行密度正相關(guān)。例如電動(dòng)公交車(chē)始末站及其運(yùn)營(yíng)線路、擁有新能源汽車(chē)比例較高的住宅小區(qū)或者企業(yè)單位、電動(dòng)環(huán)衛(wèi)物流車(chē)運(yùn)行線路等區(qū)域充電需求較為旺盛。充電設(shè)施的布局和服務(wù)能力應(yīng)盡可能與充電需求高的區(qū)域保持一致。

1.2基于路網(wǎng)的充電設(shè)施服務(wù)半徑

充電站的充電服務(wù)半徑是充電站的選址布局的關(guān)鍵因素之一?！峨妱?dòng)汽車(chē)充電基礎(chǔ)設(shè)施發(fā)展指南（2015-2020年）》針對(duì)不同的區(qū)域制定了公共充電服務(wù)半徑?？紤]到新能源汽車(chē)?yán)m(xù)航里程的局限，傳統(tǒng)意義上的服務(wù)半徑來(lái)表述設(shè)施覆蓋范圍，可能導(dǎo)致理論值明顯大于實(shí)際可服務(wù)范圍。在道路交叉口間距長(zhǎng)、中央設(shè)有連續(xù)隔離帶的地區(qū)，這種偏差尤為突出。因此“基于路網(wǎng)可達(dá)性”來(lái)表述更符合實(shí)際情況，可以更加高效的發(fā)揮設(shè)施的服務(wù)水平。

1.3與城市規(guī)劃要素的協(xié)調(diào)

對(duì)接城市總體規(guī)劃等上位規(guī)劃是充電系統(tǒng)規(guī)劃的基礎(chǔ)，也是充電系統(tǒng)規(guī)劃納入城市規(guī)劃體系的重要環(huán)節(jié)。城市發(fā)展布局、重點(diǎn)發(fā)展區(qū)域、城市功能劃分、交通路網(wǎng)格局等規(guī)劃要素直接影響新能源汽車(chē)的充電需求，充電系統(tǒng)規(guī)劃總體布局應(yīng)與上述城市規(guī)劃要素相協(xié)調(diào)匹配。充電設(shè)施用地需考慮與周邊用地規(guī)劃、交通狀況、停車(chē)規(guī)劃等方面的協(xié)調(diào)。

1.4區(qū)域輸配電網(wǎng)基礎(chǔ)條件

當(dāng)大量電動(dòng)汽車(chē)同時(shí)進(jìn)入充電站充電時(shí)，城市電網(wǎng)需要提供大功率的電力供應(yīng)，同時(shí)快速充電的直流充電技術(shù)會(huì)產(chǎn)生一定的諧波污染，增加了電網(wǎng)諧波污染治理負(fù)擔(dān)。電池技術(shù)進(jìn)步縮短充電時(shí)間必然會(huì)增加充電電流和瞬時(shí)功率，會(huì)進(jìn)一步加大充電瞬時(shí)功率對(duì)電網(wǎng)的影響。所以開(kāi)展充電站的布局規(guī)劃工作應(yīng)有供電部門(mén)的參與，提前預(yù)留接入容量，在城市配電網(wǎng)規(guī)劃改造中納入充電站的建設(shè)規(guī)劃內(nèi)容。

1.5新能源汽車(chē)技術(shù)發(fā)展動(dòng)態(tài)

電動(dòng)汽車(chē)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展過(guò)程中，在不同階段充電技術(shù)和充電需求也會(huì)不同。充電設(shè)施建設(shè)的完善和技術(shù)進(jìn)步將大大緩解電動(dòng)汽車(chē)目前所面臨的電池續(xù)航、充電時(shí)間等方面欠缺，例如無(wú)線充電技術(shù)、大容量快速充電電池技術(shù)的發(fā)展等。對(duì)于未來(lái)新能源汽車(chē)技術(shù)的發(fā)展，規(guī)劃上要保持足夠的彈性和包容性，以應(yīng)對(duì)不斷涌現(xiàn)的新技術(shù)。

2、新能源汽車(chē)充電行為特征分析

新能源汽車(chē)的充電行為即有自身特點(diǎn)，也與傳統(tǒng)汽車(chē)加油存在類(lèi)似，通常表現(xiàn)出“規(guī)律性”和“隨機(jī)性”兩大特征。規(guī)律性特征具體在充電行為偏好上表現(xiàn)為“就近性”、“易達(dá)性”，除傳統(tǒng)出行特征外，由于新能源汽車(chē)充電行為的“成本最優(yōu)原則”，使其表現(xiàn)出“復(fù)合性”行為特征。在隨機(jī)性特征方面，由于機(jī)動(dòng)車(chē)出行本身具有較大隨機(jī)性，新能源汽車(chē)充電行為必然帶有隨機(jī)性因素。但是由于受到充電時(shí)間和里程限制，當(dāng)前階段新能源汽車(chē)比傳統(tǒng)燃油車(chē)表現(xiàn)出的隨機(jī)性特征要較弱。因此分析充電行為的規(guī)律性特征是規(guī)劃構(gòu)建高效充電系統(tǒng)的基礎(chǔ)和關(guān)鍵。

2.1就行性和易達(dá)性特征

新能源汽車(chē)通常習(xí)慣于在始發(fā)地或目的地等出行端點(diǎn)附近，以及出行路徑沿線補(bǔ)充電能，以減少不必要的繞行距離，即表現(xiàn)為充電行為的“就近性”。由于受到充電時(shí)間和里程限制，新能源汽車(chē)比傳統(tǒng)燃油車(chē)表現(xiàn)出更加顯著的“就近性”特征。在出行路徑周邊的充電設(shè)施基本處于同等空間位置的情況下，新能源汽車(chē)更傾向于選擇出入便捷的站點(diǎn)，即表現(xiàn)為充電行為的“易達(dá)性”。

2.2復(fù)合性特征

充電價(jià)格、停車(chē)費(fèi)用、服務(wù)水平、出行目的、個(gè)人偏好等都對(duì)充電行為產(chǎn)生直接影響，而最本質(zhì)影響來(lái)源于充電行為成本最優(yōu)化。新能源汽車(chē)充電大部分是結(jié)合出行需求進(jìn)行，很少有單一性的充電行為，這種特征即是充電行為的“復(fù)合性”，這是有別于傳統(tǒng)燃油車(chē)的重要特征。充電成本的構(gòu)成是復(fù)雜的，充電電費(fèi)和充電服務(wù)費(fèi)是顯性成本，停車(chē)所占用的停車(chē)位資源和充電過(guò)程所需要的時(shí)間成本是隱性的。充電成本最小的簡(jiǎn)化目標(biāo)函數(shù)可以表達(dá)如下：

城市區(qū)域停車(chē)資源緊張的情況下，停車(chē)費(fèi)用是充電總體成本重要組成；而遠(yuǎn)長(zhǎng)于燃油車(chē)加油的充電時(shí)間帶來(lái)的時(shí)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(chē)費(fèi)用和時(shí)間成本難以分?jǐn)?，需要完全?jì)入用戶(hù)的充電總體成本中。因此新能源汽車(chē)的充電一般都是結(jié)合上班、購(gòu)物、休閑娛樂(lè)、夜間停車(chē)等方式復(fù)合進(jìn)行，以抵消停車(chē)成本和時(shí)間成本。這種“復(fù)合性”的行為特征，是“成本最優(yōu)原則”的體現(xiàn)。這一特征對(duì)于充電基礎(chǔ)設(shè)施的布局十分重要。決定了充電設(shè)施布置一定是在功能復(fù)合的區(qū)域，單純的“充電功能”設(shè)施不是充電系統(tǒng)的主體構(gòu)成。

另外在充電基礎(chǔ)設(shè)施布局上尚不完善的情況下，新能源汽車(chē)車(chē)主為攤銷(xiāo)停車(chē)和時(shí)間成本，行為策略受到一定外部條件的約束，出行決策過(guò)程也成為隱形成本之一。

3、高效充電系統(tǒng)規(guī)劃構(gòu)建

目前我國(guó)新能源汽車(chē)發(fā)展處在成長(zhǎng)培育階段，該階段充電系統(tǒng)的構(gòu)建必須是高效、優(yōu)化、引領(lǐng)帶動(dòng)的。既要從全局全面的角度考慮，叉要分階段有所側(cè)重。成長(zhǎng)培育階段的應(yīng)對(duì)側(cè)重點(diǎn)是：偏樂(lè)觀的規(guī)劃策略，也就是總體采用適度超前、設(shè)施引領(lǐng)的方案。全面全局的角度需要從傳統(tǒng)交通體系來(lái)研究系統(tǒng)構(gòu)建。城市交通系統(tǒng)從空間形態(tài)上可以分為交通節(jié)點(diǎn)、交通走廊和交通網(wǎng)絡(luò)等三種類(lèi)型。不同空間層次的交通系統(tǒng)必然要求不同的交通組織方式，加之新能源汽車(chē)充電行為的“就近性”、“易達(dá)性”、“復(fù)合性”特征，潛在充電需求將表現(xiàn)出顯著的空間差異性。依據(jù)交通系統(tǒng)的空間形態(tài)分類(lèi)，本文將充電設(shè)施覆蓋層次細(xì)分為節(jié)點(diǎn)地區(qū)、軸線通道、面狀網(wǎng)絡(luò)等三個(gè)空間層次，具體如下圖所示。

3.1節(jié)點(diǎn)地區(qū)

節(jié)點(diǎn)地區(qū)一般是城市生產(chǎn)和生活的重要活動(dòng)區(qū)，也是交通流的匯集地，交通負(fù)荷大、交通組織復(fù)雜、潛在充電需求旺盛。節(jié)點(diǎn)地區(qū)停車(chē)設(shè)施和充電資源緊張矛盾對(duì)充電設(shè)施的布設(shè)限制較大。但同時(shí)節(jié)點(diǎn)地區(qū)充電設(shè)施布局對(duì)新能源汽車(chē)推廣帶動(dòng)作用是顯著的。主要充電節(jié)點(diǎn)有：生活區(qū)核節(jié)點(diǎn)、商業(yè)文娛核節(jié)點(diǎn)、行政辦公核節(jié)點(diǎn)、產(chǎn)業(yè)服務(wù)核節(jié)點(diǎn)、校園核節(jié)點(diǎn)、體育運(yùn)動(dòng)核節(jié)點(diǎn)、醫(yī)療衛(wèi)生核節(jié)點(diǎn)、公共空間核節(jié)點(diǎn)等。

3.2軸線通道

一般情況下，軸線通道應(yīng)包括高速公路、快速路等全封閉運(yùn)行道路，以及其它高等級(jí)道路。出于交通管制需要，此類(lèi)地區(qū)通常采用雙向隔離的交通組織方式?？紤]到P+R模式，地鐵沿線也是布局充電設(shè)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(shè)施的服務(wù)對(duì)象僅限于高速公路車(chē)輛。高速公路沿線充電設(shè)施結(jié)合休息站布置滿(mǎn)足“就近性”、“易達(dá)性”、“復(fù)合性”的特征要求，布置合適可以大幅提高新能源汽車(chē)的出行范圍。國(guó)省道的封閉程度明顯偏弱，在部分高度城市化的郊區(qū)城鎮(zhèn)，國(guó)省道沿線的非分離式交叉口，使沿線充電設(shè)施在服務(wù)通道本身車(chē)輛之余，能向非通道車(chē)輛提供充電服務(wù)。需要注意的是基于道路的雙向交通隔離性，軸線通道的機(jī)動(dòng)車(chē)難以自由到達(dá)對(duì)向地區(qū)，充電車(chē)輛的可選站點(diǎn)被局限于道路行駛側(cè)，需考慮充電設(shè)施站點(diǎn)出入口等設(shè)置的便利性。

3.3面狀網(wǎng)絡(luò)

面狀網(wǎng)絡(luò)是指除節(jié)點(diǎn)地區(qū)、軸線通道之外的城市其它一般建設(shè)區(qū)。因此，面狀網(wǎng)絡(luò)的潛在充電需求是城市最主要的需求形式。此類(lèi)地區(qū)主要以生活性道路承擔(dān)交通出行需求，交通流基本呈網(wǎng)絡(luò)化面狀分布。

在駕駛行為基本不受約束的情況下，機(jī)動(dòng)車(chē)可完全依據(jù)“就近”與“易達(dá)”原則實(shí)施充電行為。這種充電行為的“規(guī)律性”一方面決定了地區(qū)充電需求在空間分布上較均衡，另一方面將充電站點(diǎn)的服務(wù)對(duì)象基本限定于周邊用戶(hù)。導(dǎo)致此類(lèi)地區(qū)的站點(diǎn)具有較強(qiáng)地域性和固定服務(wù)范圍。此類(lèi)地區(qū)的充電站點(diǎn)宜就地平衡。

4、智能充電網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建

為適應(yīng)和培育新興事物的發(fā)展，充電系統(tǒng)規(guī)劃需注重系統(tǒng)功能的完善和提升。讓充電系統(tǒng)在有限的設(shè)施條件下最大限度發(fā)揮功能，構(gòu)建智能充電網(wǎng)絡(luò)是實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)重要途徑。

4.1智能充電網(wǎng)絡(luò)管理功能和基本框架

智能充電網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)圍繞新能源汽車(chē)駕駛者開(kāi)展服務(wù)，在服務(wù)的同時(shí)也實(shí)現(xiàn)了充電車(chē)位的高效利用，停車(chē)場(chǎng)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(chē)服務(wù)安全、簡(jiǎn)便、準(zhǔn)確，并且使造價(jià)和經(jīng)營(yíng)成本控制在適當(dāng)范圍，是充電設(shè)施管理的趨勢(shì)。智能充電網(wǎng)絡(luò)的框架是以城市為基礎(chǔ)信息單元，融合智能管理、運(yùn)營(yíng)監(jiān)督、信息服務(wù)、行業(yè)應(yīng)用為核心，依托云服務(wù)平臺(tái)建立起來(lái)的綜合管理服務(wù)系統(tǒng)。

4.2智能充電網(wǎng)絡(luò)誘導(dǎo)系統(tǒng)建設(shè)

目前很多城市已經(jīng)建設(shè)了停車(chē)位的誘導(dǎo)系統(tǒng)，但是充電車(chē)位和充電設(shè)施的誘導(dǎo)信息系統(tǒng)建設(shè)比較缺乏，完全依賴(lài)互聯(lián)網(wǎng)查詢(xún)存在一定的缺陷，也不利于覆蓋所有人群。充電設(shè)施的誘導(dǎo)系統(tǒng)對(duì)于提高充電網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的管理水平十分必要，能夠減少駕車(chē)者尋泊時(shí)間，提高充電設(shè)施利用率和使用便利度。

（1）智能充電網(wǎng)絡(luò)不同出行階段誘導(dǎo)功能

第一階段：從家到目的地區(qū)域

當(dāng)新能源汽車(chē)駕駛者出行和需要充電前，可通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)站或手機(jī)客戶(hù)端APP提前查看目的地停車(chē)場(chǎng)的充電車(chē)位狀況，通過(guò)道路擁堵提示系統(tǒng)來(lái)預(yù)測(cè)自己的到達(dá)時(shí)間，通過(guò)充電指數(shù)預(yù)報(bào)系統(tǒng)來(lái)查看自己到達(dá)時(shí)間內(nèi)的充電設(shè)施使用情況，并網(wǎng)上預(yù)訂一個(gè)充電停車(chē)位；停車(chē)場(chǎng)管理方按照預(yù)訂時(shí)間保留車(chē)位。

第二階段：從目的地區(qū)域到目的地停車(chē)場(chǎng)

當(dāng)新能源汽車(chē)駕駛者行駛在路上時(shí)，可利用移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)終端和車(chē)載GPS導(dǎo)航終端完成車(chē)位的查詢(xún)與預(yù)訂，充電指數(shù)的預(yù)報(bào)，充電費(fèi)用的充值，充電停車(chē)場(chǎng)位置導(dǎo)航等操作。

第三階段：從停車(chē)場(chǎng)入口到充電停車(chē)位

駕駛者在入場(chǎng)時(shí)，通過(guò)各個(gè)路口上安裝的引導(dǎo)屏指示各個(gè)方向上的空余充電車(chē)位，使駕駛者能夠方便快捷的找到充電車(chē)位，避免盲目找位。出入口管理系統(tǒng)則對(duì)各種車(chē)輛進(jìn)行實(shí)時(shí)的、嚴(yán)格的管理，尤其是對(duì)于燃油車(chē)占用充電車(chē)位的情況，要施行懲罰性收費(fèi)措施。

（2）三級(jí)誘導(dǎo)體系工作原理

借鑒較為成熟的停車(chē)誘導(dǎo)系統(tǒng)設(shè)計(jì)理論，充電誘導(dǎo)系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)可采取三級(jí)誘導(dǎo)的原則。根據(jù)對(duì)三級(jí)誘導(dǎo)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的描述，可變信息板可以分為三級(jí)：

一級(jí)充電位誘導(dǎo)可變信息板：設(shè)立于誘導(dǎo)區(qū)域外圍，提供行車(chē)引導(dǎo)線和充電車(chē)位占用信息。行車(chē)引導(dǎo)線用來(lái)提示規(guī)劃的停車(chē)路徑；

二級(jí)充電位誘導(dǎo)可變信息板：設(shè)立于誘導(dǎo)區(qū)域內(nèi)的道路兩側(cè)，提供充電車(chē)位方向、距離、占用情況信息；

三級(jí)充電位誘導(dǎo)可變信息板：設(shè)立于停車(chē)場(chǎng)（庫(kù)）進(jìn)出口附近，提供充電車(chē)位占用情況信息。

總結(jié)：

本文分析了充電系統(tǒng)規(guī)劃布局的主要影響因素和充電行為規(guī)律性特征，茌此基礎(chǔ)上提出高效充電系統(tǒng)規(guī)劃構(gòu)建的思路和要點(diǎn)。同時(shí)為提升充電系統(tǒng)規(guī)劃高效、實(shí)用效果，對(duì)智能充電網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃尤其是充電使用過(guò)程中誘導(dǎo)系統(tǒng)規(guī)劃提出了設(shè)想和建議。