淺談中國(guó)電動(dòng)汽車(chē)充電設(shè)施發(fā)展現(xiàn)狀及研究進(jìn)展

楊煥璋

摘要：本文分析了中國(guó)電動(dòng)汽車(chē)充電設(shè)施的市場(chǎng)發(fā)展趨勢(shì)，總結(jié)了充電模式及相應(yīng)發(fā)展情況，從充電設(shè)施系統(tǒng)設(shè)計(jì)、充電設(shè)施建設(shè)布局規(guī)劃、能源供給及電網(wǎng)接入、應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)以及盈利模式探討等幾個(gè)方面闡述了充電設(shè)施的發(fā)展現(xiàn)狀及前沿研究動(dòng)態(tài)，為后續(xù)的相關(guān)研究提供了一定的參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞：電動(dòng)汽車(chē)；充電設(shè)施；發(fā)展現(xiàn)狀；研究進(jìn)展

引言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，中國(guó)汽車(chē)保有量從2010年的7000萬(wàn)輛迅增至2017年底的2.17億輛，預(yù)計(jì)2025年將達(dá)到2.5-3.4億輛[1]，這意味著未來(lái)國(guó)內(nèi)石油消費(fèi)將會(huì)繼續(xù)增長(zhǎng)，對(duì)油氣能源行業(yè)造成巨大壓力，給國(guó)家?guī)?lái)沉重的環(huán)境壓力[2]。因此，大力發(fā)展新能源汽車(chē)成為了中國(guó)汽車(chē)發(fā)展的主要方向之一，并且已經(jīng)取得了明顯的進(jìn)展。目前制約電動(dòng)汽車(chē)發(fā)展的主要因素包括電動(dòng)汽車(chē)?yán)m(xù)航里程難以滿足需求、電驅(qū)動(dòng)裝置技術(shù)不完善、充電基礎(chǔ)設(shè)施尚不完善等[3]。本文著重探討了中國(guó)電動(dòng)汽車(chē)充電基礎(chǔ)設(shè)施發(fā)展現(xiàn)狀，并就未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行分析。

1.中國(guó)電動(dòng)汽車(chē)充電設(shè)施供需發(fā)展

充電設(shè)施的供需取決于電動(dòng)汽車(chē)的市場(chǎng)情況，充電設(shè)施的需求量隨著電動(dòng)汽車(chē)的產(chǎn)銷(xiāo)量而逐年增加。工信部的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)[4]表明：2017年中國(guó)新能源汽車(chē)產(chǎn)銷(xiāo)量分別達(dá)到79.4萬(wàn)輛和77.7萬(wàn)輛（如圖1所示），近三年連續(xù)蟬聯(lián)世界第一，累計(jì)保有量達(dá)到180萬(wàn)輛，超過(guò)全球市場(chǎng)保有量的50%。

2011年6月南方電網(wǎng)在廣州、深圳、珠海等10個(gè)城市建成12座充電站和556個(gè)充電樁。到2011年底，國(guó)家電網(wǎng)公司就已經(jīng)建成投運(yùn)111座充換電站、8930臺(tái)充電機(jī)和7245個(gè)交流充電樁，覆蓋全國(guó)26個(gè)省市[5]。2012年國(guó)務(wù)院出臺(tái)《節(jié)能與新能源汽車(chē)產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》，制定了充電基礎(chǔ)設(shè)施總體發(fā)展規(guī)劃、開(kāi)展充電設(shè)施關(guān)鍵技術(shù)研究、探索其商業(yè)運(yùn)營(yíng)模式，積極推進(jìn)充電設(shè)施建設(shè)，目標(biāo)是到2020年充電設(shè)施建設(shè)與新能源汽車(chē)產(chǎn)銷(xiāo)規(guī)模相適應(yīng)，并滿足新能源汽車(chē)在關(guān)鍵區(qū)域內(nèi)或城際間的運(yùn)行需要[6]。

2014 年以來(lái)，國(guó)家鼓勵(lì)資本市場(chǎng)發(fā)展充電樁，民間資本涌入充電設(shè)施建設(shè)市場(chǎng)。截至2014年底，共有780座充換電站和3.1萬(wàn)個(gè)交直流充電樁投入使用，服務(wù)電動(dòng)汽車(chē)12萬(wàn)余輛[7]。童芳等[8]研究表明充換電站數(shù)量在2018-2020年間仍將繼續(xù)保持50%以上的增速，2020-2026年增速放緩并逐年減少8%，2026年后增速逐步降低到1%并趨于穩(wěn)定，如圖2所示：

根據(jù)國(guó)家發(fā)改委出臺(tái)的《電動(dòng)汽車(chē)充電基礎(chǔ)設(shè)施發(fā)展指南（2015-2020年）》規(guī)劃，到2020年預(yù)計(jì)超過(guò)1.2萬(wàn)座集中式充換電站、超過(guò)480萬(wàn)個(gè)分散式充電樁新增投入使用，可滿足500萬(wàn)輛電動(dòng)汽車(chē)的充電需求。這一指導(dǎo)文件為電動(dòng)汽車(chē)充電設(shè)施的建設(shè)提供了強(qiáng)大的供給側(cè)驅(qū)動(dòng)力。預(yù)計(jì)在未來(lái)五年內(nèi)，充電設(shè)施建設(shè)產(chǎn)業(yè)將形成超千億的市場(chǎng)規(guī)模，間接帶動(dòng)的市場(chǎng)規(guī)模甚至可達(dá)2萬(wàn)億。

2.中國(guó)電動(dòng)汽車(chē)充電模式發(fā)展現(xiàn)狀

電動(dòng)汽車(chē)充電模式[9]包括：①常規(guī)充電模式（交流充電，需要5-8h），②快速充電模式（一般為直流充電，功率大于50kw，短時(shí)間應(yīng)急充電），③機(jī)械充電模式（通過(guò)純手動(dòng)形式、半自動(dòng)形式更換動(dòng)力電池），④無(wú)線充電模式（電磁感應(yīng)、無(wú)線電波、磁共振、電場(chǎng)耦合等方式），⑤移動(dòng)充電模式（在路面下構(gòu)建充電區(qū)）。由于后幾種充電模式的設(shè)備技術(shù)尚處于研究階段，目前應(yīng)用較多的為常規(guī)充電模式和快速充電模式：

常規(guī)充電模式主要采用直接連入家用電源的方式充電，采用交流充電樁，設(shè)置在公共停車(chē)、公用充電點(diǎn)等區(qū)域。此模式易于使用和推廣，目前新能源共享汽車(chē)充電主要使用這種模式。交流充電樁[10]一般由四部分組成：計(jì)量模塊、電氣模塊、賬務(wù)管理模塊和樁體。

快速充電模式一般采用大功率直流充電樁[11]實(shí)現(xiàn)，其主要由人機(jī)交互觸摸屏、通訊模塊、充電模塊、控制模塊、計(jì)費(fèi)模塊和樁體組成?，F(xiàn)階段主要設(shè)于停車(chē)區(qū)域或高速的服務(wù)地段，短時(shí)間即可充電至約70%。

3.中國(guó)電動(dòng)汽車(chē)充電設(shè)施主要研究方向

為滿足市場(chǎng)對(duì)充電樁的迫切需求，在國(guó)家政策扶持和社會(huì)資本的推動(dòng)下，充電設(shè)施建設(shè)產(chǎn)業(yè)獲得快速發(fā)展。發(fā)展過(guò)程中眾多研究者對(duì)充電設(shè)施系統(tǒng)設(shè)計(jì)、充電設(shè)施建設(shè)的布局規(guī)劃、能源供給及電網(wǎng)接入、應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)以及盈利模式探討等各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行了多方位的思考。

3.1充電設(shè)施系統(tǒng)設(shè)計(jì)

充電設(shè)施的系統(tǒng)設(shè)計(jì)作為技術(shù)核心直接影響到設(shè)施的推廣模式、運(yùn)營(yíng)成本、經(jīng)濟(jì)效益等，因此眾多學(xué)者從不同角度對(duì)其進(jìn)行了研究。

王杰[12]針對(duì)傳統(tǒng)的充電樁服務(wù)設(shè)計(jì)理念及方式存在的問(wèn)題（如充電服務(wù)場(chǎng)所定點(diǎn)難、充電樁造型呆板缺乏科技感與時(shí)代感、人樁交互性缺失等）從物聯(lián)網(wǎng)的角度出發(fā)，針對(duì)充電樁在設(shè)計(jì)合理性、定位準(zhǔn)確性、使用便捷性、空間融合性等問(wèn)題上，就其結(jié)構(gòu)、形式、特征與空間關(guān)系加以研究和分析，進(jìn)而構(gòu)建了人機(jī)交互系統(tǒng)模型，為后續(xù)充電樁產(chǎn)品設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)及方法指導(dǎo)。

陳靜[13]調(diào)研了太陽(yáng)能充電站的可行性，引入用戶體驗(yàn)的概念，運(yùn)用產(chǎn)品系統(tǒng)設(shè)計(jì)思維來(lái)確定充電設(shè)施設(shè)計(jì)的實(shí)施步驟，將電動(dòng)汽車(chē)充電產(chǎn)品系統(tǒng)劃分為外部系統(tǒng)和內(nèi)部系統(tǒng)兩個(gè)部分，分別分析了其中的關(guān)鍵要素；并基于對(duì)用戶體驗(yàn)和充電產(chǎn)品的調(diào)研與分析，得出優(yōu)化設(shè)計(jì)策略，并設(shè)計(jì)出具體解決方案。

3.2充電設(shè)施建設(shè)布局規(guī)劃

由于電動(dòng)汽車(chē)?yán)m(xù)航里程瓶頸的存在，充電設(shè)施的合理布局顯得尤為重要。充電需求、充電成本、投資規(guī)模和運(yùn)營(yíng)商利潤(rùn)等主要因素影響著充電設(shè)施建設(shè)的布局規(guī)劃。為此，付鳳杰等[14]以自動(dòng)車(chē)輛識(shí)別數(shù)據(jù)的歷史行駛路線來(lái)模擬電動(dòng)汽車(chē)出行特征，并準(zhǔn)確地計(jì)算充電需求、充電成本和運(yùn)營(yíng)商利潤(rùn)，確定最優(yōu)布局方案，同時(shí)分析了工作日/非工作日以及交通需求增長(zhǎng)和電池發(fā)展對(duì)布局的影響。

高建樹(shù)[15]將遺傳算法應(yīng)用于機(jī)場(chǎng)充電樁布局選址，結(jié)合機(jī)場(chǎng)實(shí)例，對(duì)模型和算法進(jìn)行了仿真分析，確定了該機(jī)場(chǎng)充電樁布局選址的最終方案，證明了模型的可行性和算法的有效性。

3.3能源供給及電網(wǎng)接入

規(guī)?；妱?dòng)汽車(chē)充電設(shè)施的運(yùn)行也將給能源供給和電網(wǎng)帶來(lái)前所未有的壓力和挑戰(zhàn)。新的產(chǎn)品負(fù)荷特性和設(shè)備特點(diǎn)、新的用電需求給電網(wǎng)的建設(shè)和運(yùn)行帶來(lái)了諸多新的問(wèn)題[16]。為此，眾多研究者給出了不同的解決方案。

白高平[17]通過(guò)對(duì)快速充電負(fù)荷及電池更換站充電負(fù)荷的估算，基于其時(shí)間分布，估算了電動(dòng)汽車(chē)充電站規(guī)模化投入使用時(shí)的充電負(fù)荷。同時(shí)利用正態(tài)分布理論，研究了自然狀態(tài)下充電負(fù)荷分布，建立了具有一定普適性的負(fù)荷模型用于對(duì)充電設(shè)施進(jìn)行充電負(fù)荷估算。

段佳藝[9]提出以新能源、分布式能源（包括光伏、氫能等）為供給方式的電動(dòng)汽車(chē)人性化合理化充電方式以及服務(wù)路徑。提出對(duì)過(guò)剩產(chǎn)能能效管理的新供給方式，以及建立城市電樁網(wǎng)絡(luò)布局，最終完成城市交通共享電樁的應(yīng)用設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)。

3.4應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)

目前，人們?cè)趯ふ?、使用充電樁時(shí)還不是很方便，盡管市場(chǎng)上已經(jīng)出現(xiàn)與充電樁相關(guān)的手機(jī)應(yīng)用，但是大多數(shù)應(yīng)用用戶體驗(yàn)較差，使用意愿不強(qiáng)，因此有研究者進(jìn)行相應(yīng)的應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)。

郝文汐[18]結(jié)合用戶充電流程和用戶調(diào)查分析，分析了APP服務(wù)流程的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，總結(jié)出改進(jìn)后的APP基本功能。

尹靜文等[19]結(jié)合電動(dòng)汽車(chē)充電樁充電費(fèi)用結(jié)算實(shí)現(xiàn)方式，設(shè)計(jì)了射頻識(shí)別智能卡結(jié)算系統(tǒng)，利用射頻通信收發(fā)芯片實(shí)現(xiàn)非接觸式智能卡讀寫(xiě)功能。通過(guò)通信接口讀取充電數(shù)據(jù)，并借助標(biāo)準(zhǔn)串行通信接口與控制器之間實(shí)現(xiàn)信息交換，具備智能卡識(shí)別、信息讀寫(xiě)、消費(fèi)金額計(jì)算等三重功能。

鄭業(yè)爽[20]設(shè)計(jì)了基于PLC的停車(chē)場(chǎng)智能監(jiān)控系統(tǒng)，通過(guò)記錄充電樁電源開(kāi)關(guān)的使用情況來(lái)反映剩余電動(dòng)汽車(chē)車(chē)位數(shù)量。

3.5盈利模式探討

國(guó)外充電樁的建設(shè)相對(duì)來(lái)說(shuō)較為完善。英國(guó)政府在倫敦投資建立了數(shù)十個(gè)免費(fèi)汽車(chē)充電站，以滿足電動(dòng)汽車(chē)的充電需求。在亞洲，得力于日本政府在資金和政策上的大力扶持，東京等日本大城市中隨處可見(jiàn)充電樁，并且使用費(fèi)用低廉。但是從行業(yè)的長(zhǎng)遠(yuǎn)健康發(fā)展來(lái)看，行之有效的電動(dòng)汽車(chē)充電設(shè)施盈利模式仍是急需解決的問(wèn)題。

畢軍[21]結(jié)合充電站運(yùn)營(yíng)特點(diǎn)，充分考慮充電樁服務(wù)水平、用戶排隊(duì)時(shí)間、充電分布狀況和運(yùn)營(yíng)商運(yùn)營(yíng)利益等因素，以最大化實(shí)現(xiàn)充電站運(yùn)營(yíng)商的綜合效益為優(yōu)化目標(biāo)，提出了電動(dòng)汽車(chē)充電分配模型。

許燕等[22]以漕溪站電動(dòng)汽車(chē)充電站為研究對(duì)象，從技術(shù)和商業(yè)運(yùn)營(yíng)角度提出了充電設(shè)施和電動(dòng)汽車(chē)的現(xiàn)有矛盾是分布式能源微網(wǎng)供給側(cè)和用戶需求側(cè)的不匹配，結(jié)合漕溪站內(nèi)現(xiàn)有儲(chǔ)能設(shè)施情況，以分布式能源作為該方案的核心技術(shù)，方案收益和國(guó)家補(bǔ)貼作為可行性推廣研究，論證了利用分布式清潔能源的電動(dòng)汽車(chē)充電站充電服務(wù)智能微網(wǎng)的前瞻性。

王珣[23]提出了電動(dòng)汽車(chē)充電服務(wù)產(chǎn)業(yè)縱向一體化的觀點(diǎn)，并通過(guò)分析電動(dòng)汽車(chē)充電樁運(yùn)營(yíng)商與設(shè)備制造商之間的供應(yīng)鏈模式、利潤(rùn)分配博弈等相關(guān)因素，得出“上下游合作程度越大充電樁產(chǎn)業(yè)的總體利潤(rùn)越大，促進(jìn)電動(dòng)汽車(chē)充電產(chǎn)業(yè)縱向一體化合作是充電樁產(chǎn)業(yè)發(fā)展的必然要求”的結(jié)論。

4.結(jié)論及展望

電動(dòng)汽車(chē)充電設(shè)施的發(fā)展隨著電動(dòng)汽車(chē)的發(fā)展不斷擴(kuò)張，其建設(shè)成本與現(xiàn)實(shí)收入不匹配等現(xiàn)狀也值得我們?cè)阢裤匠潆娦袠I(yè)繁榮前景的同時(shí)予以關(guān)注與探索。本文分析了充電設(shè)施的市場(chǎng)發(fā)展趨勢(shì)，總結(jié)了幾種充電模式及對(duì)應(yīng)的發(fā)展情況，從充電設(shè)施的系統(tǒng)設(shè)計(jì)、充電設(shè)施建設(shè)的布局規(guī)劃、能源供給及電網(wǎng)接入、應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)以及盈利模式探討等幾個(gè)方面闡述了中國(guó)充電設(shè)施的發(fā)展現(xiàn)狀及前沿研究動(dòng)態(tài)，為后續(xù)的相關(guān)研究提供了一定的參考價(jià)值。

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