城市充電設(shè)施網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃方法與實踐

葛 亮 ,林莉賢 ,單肖年

(1.雄安新區(qū)建設(shè)工程質(zhì)量安全檢測服務(wù)中心,雄安 071700;2.交通運輸部規(guī)劃研究院,北京 100028;3.河海大學(xué)土木與交通學(xué)院,南京 210024)

為降低機動車能耗及污染物排放總量,我國于2009 年開始實施“十城千輛節(jié)能與新能源汽車示范推廣應(yīng)用工程”,大力發(fā)展節(jié)能與新能源汽車[1]。截至2021 年年底,全國汽車保有量達(dá)3.02 億輛,新能源汽車保有量達(dá)784 萬輛,純電動汽車保有量達(dá)640 萬輛,且2021 年全國新注冊登記新能源汽車占新注冊登記汽車總量的11.25%,新能源汽車滲透率不斷提升[2]。按照適度超前原則明確充電基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)目標(biāo),到2020 年新增集中式充換電站超過1.2 萬座,分散式充電樁超過480 萬個。截至2021年年底,我國公共及私人充電樁保有量總計超過260 萬臺[3]。

科學(xué)合理的城市充電設(shè)施網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃是充電設(shè)施建設(shè)的前提條件,現(xiàn)有關(guān)于充電設(shè)施網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃研究多關(guān)注配建充電樁的相關(guān)要求,且較多研究城市公交車及出租車充電設(shè)施規(guī)劃[4-5]。另外現(xiàn)有充電設(shè)施網(wǎng)絡(luò)布局規(guī)劃一般局限于基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè),缺乏對場景應(yīng)用及運營服務(wù)的協(xié)同考慮[6-7]。在剖析城市充電設(shè)施網(wǎng)絡(luò)發(fā)展現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上,本項目提出城市充電設(shè)施網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃的基本思路,并進(jìn)行案例分析。研究成果對促進(jìn)城市充電設(shè)施網(wǎng)絡(luò)的科學(xué)發(fā)展具有重要價值。

1 城市充電設(shè)施網(wǎng)絡(luò)布局規(guī)劃方法

1.1 城市充電設(shè)施網(wǎng)絡(luò)發(fā)展現(xiàn)狀

某市2020 年全市總?cè)丝跒?24.73 萬人,全市常住人口為720 萬人,城鎮(zhèn)化率約為64%,城鎮(zhèn)化進(jìn)程仍在加速發(fā)展。自2016 年以來該市大力發(fā)展風(fēng)電項目,引入近海風(fēng)發(fā)電和遠(yuǎn)海風(fēng)發(fā)電等項目,目前新能源發(fā)電量占全市社會用電總量近50%。在交通基礎(chǔ)設(shè)施方面,2020 年該市公路總里程超過24 600 km,2016 年至2020 年該市電動汽車保有量從不足4 000 輛增至1.2 萬輛左右,電動汽車發(fā)展態(tài)勢迅猛。在充電設(shè)施布局方面,市域范圍內(nèi)充電設(shè)施2 km 服務(wù)半徑如圖1 所示,市域充電設(shè)施普遍分布在各縣區(qū)核心區(qū),多數(shù)區(qū)域仍處在充電站2 km 服務(wù)范圍之外,同時市中心城區(qū)共設(shè)有充電站67 處,其中國家電網(wǎng)充電站占比超過50%,全市尚未形成統(tǒng)一的充電設(shè)施服務(wù)網(wǎng)絡(luò)體系。

該市中心城區(qū)既有充電設(shè)施網(wǎng)絡(luò)布局主要問題為:充電設(shè)施總量有待提升,現(xiàn)有充電站67 處,充電樁不足1 000 根,2 km 站點覆蓋率不足50%;充電設(shè)施空間分布不均衡,中心城區(qū)充電站由多家公司分別建設(shè),選址規(guī)劃缺乏整體考慮,空間分布極不均衡,且現(xiàn)有充電站主要以路外充電設(shè)施為主,缺乏路內(nèi)充電設(shè)施;充電設(shè)施損壞率較高、利用效率偏低,單根充電樁日均利用時間低于2 h。另外當(dāng)前城市充電設(shè)施網(wǎng)絡(luò)運營服務(wù)能力顯著不足,因首批電動汽車已到使用周期末期,車輛運行安全風(fēng)險大,對充電設(shè)施運營服務(wù)安全保障需求高。城市充電設(shè)施由多個主體運營,缺乏頭部企業(yè)引領(lǐng)作用,在設(shè)備更新?lián)Q代和運維管理方面能力參差不齊。

1.2 充電設(shè)施網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃基本思路

總結(jié)城市充電設(shè)施網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃的基本思路,主要包含以下3 個方面。

(1) 如何預(yù)測城市充電設(shè)施需求總量。既要適度超前建設(shè)充電設(shè)施以支撐新能源汽車的發(fā)展,同時還須考慮設(shè)施建設(shè)的成本效益,不能無節(jié)制建設(shè)充電設(shè)施。合理把控城市充電設(shè)施規(guī)模有利于實現(xiàn)設(shè)施建設(shè)與投資運營的最大效益。

(2) 如何布設(shè)不同類型的城市充電設(shè)施。當(dāng)前城市充電設(shè)施主要分為快充與慢充兩種,針對不同土地利用特征及充電需求特征,應(yīng)差異化配置充電設(shè)施,并進(jìn)一步提出相關(guān)充電設(shè)施布局原則。

(3) 如何構(gòu)建城市充電設(shè)施網(wǎng)絡(luò)服務(wù)模式。城市充電設(shè)施建設(shè)完成后,設(shè)施的運營服務(wù)是重難點,應(yīng)進(jìn)一步提出面向政府管理、企業(yè)服務(wù)及用戶需求的多維度城市充電設(shè)施網(wǎng)絡(luò)運營模式。

2 城市充電設(shè)施需求預(yù)測

2.1 技術(shù)路線

為準(zhǔn)確預(yù)測城市充電設(shè)施的需求總量,擬按照“車輛規(guī)模”→“資源約束”→“設(shè)施需求”的思路展開,新能源汽車充電設(shè)施需求預(yù)測技術(shù)路線如圖2所示。

車輛規(guī)模:收集分類型道路交通汽車保有量相關(guān)數(shù)據(jù),剖析不同類型道路交通汽車電動化適應(yīng)性及政策導(dǎo)向,估計分類型道路交通汽車總量,進(jìn)一步結(jié)合汽車電動化率發(fā)展特征,評估分年度分類型電動汽車保有量。

資源約束:分析城市電力資源發(fā)展現(xiàn)狀及規(guī)劃目標(biāo),估計高峰時段電力資源負(fù)荷度特征,剖析城市停車設(shè)施資源發(fā)展現(xiàn)狀及國土空間資源約束性特征,進(jìn)而明晰資源約束對城市充電設(shè)施發(fā)展的作用路徑。

設(shè)施需求:剖析分年度分類型電動汽車充電需求特征和分類型充電設(shè)施利用率特征,進(jìn)而構(gòu)建基于供需平衡的充電設(shè)施發(fā)展需求預(yù)測方法,設(shè)定分類型電動汽車車樁比指標(biāo)情景,估算資源約束下的多情景充電設(shè)施需求。

2.2 電動汽車總量預(yù)測

城市道路交通汽車共分為3 大類9 小類:城市客貨運汽車(公共汽電車、出租車、網(wǎng)約車和城市配送車輛)、公路營運汽車(載客汽車和載貨汽車)以及非營運汽車(私人小汽車、單位小汽車和單位大客車)?；?020 年估計的該市分類型汽車總量為964 291 輛,與公布的統(tǒng)計數(shù)據(jù)(967 848輛)相比,絕對誤差為3 557 輛,相對誤差僅為0.4%;預(yù)測2023 年、2025 年道路交通汽車總量分別約為147 萬輛和165 萬輛。

研究中設(shè)置分年度分類型的道路交通汽車電動化率估計,顯示城市公共交通工具及城市配送車輛電動化發(fā)展趨勢,分年度分類型汽車電動化率特征如表1 所示。基年2020 年估計的分類型電動汽車總量為7 949 輛,與公布的統(tǒng)計數(shù)據(jù)(8 104輛)相比,絕對誤差為155 輛,相對誤差不足2%;預(yù)測2023 年、2025 年電動汽車總量分別約為6.78 萬輛和11.99 萬輛,分年度分類型電動汽車保有量估計如表2 所示。2025 年私人小汽車及城市配送車輛比例均超過30%,出租車+網(wǎng)約車、單位小汽車比例均為11%;公共汽電車比例從2020 年的18%下降至4%,單位大客車比例從2020 年的11%下降至6%。同樣可預(yù)測2023 年、2025 年該市中心城區(qū)電動汽車總量分別約為2.16 萬輛和3.59 萬輛。

表1 分年度分類型汽車電動化率特征 (%)

表2 分年度分類型電動汽車保有量估計 (輛)

2.3 充電設(shè)施需求估計

為估計城市充電設(shè)施需求總量,首先需要估計電動汽車電耗特征。研究中基于ASIF(activity、structure、intensity、fuel)計算框架,估計分類型電動汽車的運營里程和能耗因子,采用自下而上的方法估計各類型電動汽車耗電量?？紤]電動汽車年度購置時間的差異性,設(shè)置電耗折減系數(shù),根據(jù)2019 年電動汽車月銷售量估計折減系數(shù)為0.86。估算得到2020 年全市電動汽車耗電量約為2.06億千瓦時,中心城區(qū)電動汽車耗電量約為0.57 億千瓦時,2020 年分類型電動汽車電量預(yù)測如表3所示。

表3 2020 年分類型電動汽車電量預(yù)測

同樣預(yù)測該市中心城區(qū)2023 年、2025 年電動汽車耗電量分別約為1.98 億千瓦時和3.31 億千瓦時;預(yù)測市域2023 年、2025 年電動汽車耗電量分別約為6.41 億千瓦時和10.81 億千瓦時。至2025年,市域及中心城區(qū)公共汽電車及城市配送車輛耗電量占比最高,其次為出租車及網(wǎng)約車。

進(jìn)一步考慮空間約束,將分類型電動汽車劃分為高中低3 種情景樁利用率特征,并估算不同類型電動汽車車樁比,突出快充與慢充的差異類型,各類型電動汽車車樁比特征如表4 所示。預(yù)測該市中心城區(qū)2023 年、2025 年充電設(shè)施分別約為12 700 個和19 800 個,其中配建設(shè)施分別約為8 100 個和12 400 個;預(yù)測市域2023 年、2025 年充電設(shè)施分別約為39 200 個和67 400 個,其中配建設(shè)施分別約為24 600 個和42 100 個;2025 年市域公共服務(wù)設(shè)施約為25 300 個,中心城區(qū)約為7 400 個。

表4 各類型電動汽車車樁比特征

3 城市充電設(shè)施網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃實踐

3.1 規(guī)劃目標(biāo)設(shè)定

未來城市充電設(shè)施網(wǎng)絡(luò)將會呈現(xiàn)電動汽車群與智慧充電網(wǎng)的融合互動發(fā)展趨勢,人工智能與多元場景深度交互,自動充電技術(shù)應(yīng)用廣泛,同時多元化的負(fù)荷與新微網(wǎng)互聯(lián)互通,智慧停車與智能充電相輔相成。至2025 年,該市充電設(shè)施網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃目標(biāo)具體闡述如下。

目標(biāo)1:設(shè)施網(wǎng)絡(luò)安全、高效、多用。逐步建成層次多樣化的城市充電設(shè)施網(wǎng)絡(luò),保證設(shè)施作用電池及電網(wǎng)安全有效,滿足用戶時間和空間訴求目標(biāo),目標(biāo)著重表現(xiàn)在充電設(shè)施的建設(shè)及安全性評價。

目標(biāo)2:運營服務(wù)便利、優(yōu)質(zhì)、可靠。建立政府運營服務(wù)數(shù)據(jù)及監(jiān)管平臺,拓展企業(yè)服務(wù)模式向精細(xì)化及多元化方向發(fā)展,構(gòu)建面向用戶需求的個性化服務(wù)模式,目標(biāo)著重表現(xiàn)在設(shè)施建設(shè)完成后的多維度主體運營服務(wù)要求。

目標(biāo)3:場景特征智慧、生態(tài)、自動。打造電動汽車群管群控智慧化平臺,促進(jìn)三網(wǎng)融合實現(xiàn)全環(huán)節(jié)生態(tài)貫穿,示范車輛行駛、停車及充電全自動,目標(biāo)著重表現(xiàn)在設(shè)施服務(wù)場景的智能化、綠色化及協(xié)同化特征。

3.2 布局規(guī)劃

布局規(guī)劃總體按照“需求導(dǎo)向、分區(qū)分類、差異配置”的城市充電設(shè)施布局原則展開。

(1) 路外公共充電設(shè)施:以社會停車場、公交停保場、公交首末站、出租車?？奎c為主,布設(shè)“快充+慢充”的充電設(shè)施。

(2) 路內(nèi)公共充電設(shè)施:結(jié)合學(xué)校和商場等有臨時停車需求的用地設(shè)置,布設(shè)以快充為主的充電設(shè)施。

(3) 配建充電設(shè)施:結(jié)合居住小區(qū)、辦公單位以及公建地塊等設(shè)置,布設(shè)以規(guī)?？刂?、快慢結(jié)合、以慢為主的充電設(shè)施。

在市域?qū)用娉潆娫O(shè)施布局上,充電設(shè)施沿著規(guī)劃的高速公路和干線公路呈現(xiàn)走廊型布局[8],具體是在高速公路沿線的服務(wù)區(qū)布置以快充為主的充電設(shè)施,同時在干線公路沿線加油站設(shè)置快充充電設(shè)施。

市中心城區(qū)充電設(shè)施布局表現(xiàn)為:各類新建建筑按照標(biāo)準(zhǔn)100%預(yù)留充電樁位置,已建建筑以車位總數(shù)的10%預(yù)建充電樁,新建建筑以車位總數(shù)的15%預(yù)建充電樁,公建地塊充電設(shè)施建議對外共享以提升充電設(shè)施利用率。

中心城區(qū)路外公共充電設(shè)施布局應(yīng)充分滿足本市中心城區(qū)電動汽車出行需求,充電設(shè)施點位的規(guī)劃布局與土地利用相適應(yīng),在設(shè)置停車設(shè)施時應(yīng)首先考慮近期落實的難易程度和需求大小;充分結(jié)合現(xiàn)有停車場資源設(shè)置,充分利用閑置邊角地帶或?qū)⑴f有場地適當(dāng)改建利用。充電設(shè)施結(jié)合實際需求原則,其中公交充電站和路外公共充電站主要采取以快充為主、慢充輔助相結(jié)合的形式,出租車及路內(nèi)充電設(shè)施采用快充形式;公共充電站是配建充電站的補充和調(diào)節(jié),它的分布應(yīng)當(dāng)根據(jù)服務(wù)對象確定,將其重點設(shè)置在綜合性商業(yè)體、服務(wù)和活動中心、學(xué)校以及公園等公共建筑附近[9]。充電站布局不單以滿足充電需求為目標(biāo),還須綜合考慮社會經(jīng)濟、道路交通條件、土地開發(fā)利用和環(huán)境等多種因素,布局力求就近、分散、方便的原則;遵循“遠(yuǎn)近結(jié)合”的方式,充分考慮規(guī)劃公共充電站實施的可行性,既要滿足近期要求,又要為遠(yuǎn)期發(fā)展留有余地。規(guī)劃設(shè)置充電站103 處,合計充電樁6 401 個,市中心城區(qū)路外公共充電設(shè)施布局規(guī)劃如圖3 所示。

3.3 網(wǎng)絡(luò)運營服務(wù)

城市充電設(shè)施網(wǎng)絡(luò)運營服務(wù)的規(guī)劃體現(xiàn)在滿足對政府、企業(yè)及用戶的多維主體需求上,具體要求如下。

(1) 面向政府的城市充電設(shè)施網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)及服務(wù)監(jiān)管平臺:平臺系統(tǒng)是支撐整個電動汽車充放電業(yè)務(wù)的核心組成部分,也是電動汽車和互聯(lián)網(wǎng)、智能電網(wǎng)實現(xiàn)深度融合的平臺。平臺按業(yè)務(wù)架構(gòu)劃分為業(yè)務(wù)接入、業(yè)務(wù)支撐、數(shù)據(jù)交換、系統(tǒng)集成和增值服務(wù)5 個方面;主要功能包含車輛監(jiān)控、充電服務(wù)管理、用戶中心、內(nèi)容管理、基礎(chǔ)管理以及開放集成平臺等。

(2) 面向企業(yè)的城市充電設(shè)施精細(xì)化及多元化服務(wù):汽車群充電系統(tǒng)產(chǎn)品模塊化設(shè)計,所有功率模塊可自由調(diào)配,既可以滿足車輛快速補電需求,也能多路同時慢充,實現(xiàn)電池柔性充電。集中群管群控設(shè)備,實現(xiàn)功率模塊、通信模塊、并網(wǎng)模塊一體化,預(yù)留未來擴展和增容條件,實現(xiàn)集中智能環(huán)控系統(tǒng);構(gòu)建新能源微網(wǎng)系統(tǒng),實現(xiàn)光儲充一體化,消納現(xiàn)有城市光能和風(fēng)能,構(gòu)成該市新能源產(chǎn)業(yè)閉環(huán);打通充電機和電動汽車之間一對多的充電通道,實現(xiàn)居民小區(qū)多車位充電功率共享;試點共享電動汽車運營模式,推動共享充電樁服務(wù)新模式。

(3) 面向用戶的個性化充電設(shè)施服務(wù)模式:針對個體用戶,構(gòu)建一鍵式城市充電運營服務(wù)系統(tǒng),系統(tǒng)信息包含狀態(tài)、目的地、時長、價格、路線以及多方案比選等;針對公交公司,考慮分時電價并結(jié)合公交車出行規(guī)律,智能調(diào)度開啟充電時機以及充電過程中不同輸出功率,降低電網(wǎng)負(fù)荷、減少運營成本,提升經(jīng)濟效率;針對自動充電示范場景,車輛進(jìn)入充電區(qū)域內(nèi),智動柔性充電弓與車輛會自動建立通信,通過近場通信技術(shù)確定車輛到位情況,自動進(jìn)行通信對接、啟動充電和費用結(jié)算,無須人為干預(yù),實現(xiàn)自動駕駛車輛自動充電。

4 總結(jié)

本研究旨在探究城市充電設(shè)施網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃方法,并以某市相關(guān)項目為具體案例進(jìn)行實踐。項目中剖析城市充電設(shè)施發(fā)展現(xiàn)狀,指出當(dāng)前城市充電設(shè)施普遍存在服務(wù)空間范圍不足、運營服務(wù)多主體參與以及設(shè)施利用率不高等問題。對充電設(shè)施網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃進(jìn)行思考,包含如何估計充電設(shè)施需求、如何布設(shè)不同類型充電設(shè)施、如何提升運營服務(wù)模式。從車輛規(guī)模、資源約束、設(shè)施需求的角度,評估市域及中心城區(qū)充電設(shè)施及電耗需求特征,進(jìn)一步提出城市充電設(shè)施網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃的目標(biāo),按照“需求導(dǎo)向、分區(qū)分類、差異配置”的城市充電設(shè)施布局原則,提出市域和中心城區(qū)配建及路外充電設(shè)施布局規(guī)劃,并從政府監(jiān)管、企業(yè)服務(wù)及用戶需求等維度提出多維主體的城市充電設(shè)施運營服務(wù)要求。