新能源汽車分布式微型充電系統(tǒng)研究

文/王戴薇 呂祖軍

一、引言

中國(guó)政府為實(shí)現(xiàn)“2030 年碳達(dá)峰、2060 年碳中和”目標(biāo)，在交通領(lǐng)域大力推行新能源汽車，以充電式鋰電新能源汽車為代表的綠色交通得以迅速發(fā)展。隨著充電式新能源汽車的迅速普及，充電設(shè)施短缺的問題逐漸顯現(xiàn)。充電設(shè)施布局不平衡、便利程度差、服務(wù)能力不足，充電樁建設(shè)的土地供應(yīng)不足、成本高收益低、物業(yè)產(chǎn)權(quán)單位或管理單位拒絕合法充電設(shè)施建設(shè)申請(qǐng)的現(xiàn)象較多，嚴(yán)重阻礙了充電式新能源汽車的高效使用和進(jìn)一步普及。[1-2]

為解決新能源汽車充電補(bǔ)能設(shè)施建設(shè)中存在的問題，加快提升充換電基礎(chǔ)設(shè)施服務(wù)保障能力，支撐充電式新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展，國(guó)家發(fā)展改革委、國(guó)家能源局兩部委發(fā)布了《關(guān)于進(jìn)一步提升充換電基礎(chǔ)設(shè)施服務(wù)保障能力的實(shí)施意見（發(fā)改能源規(guī)〔2022〕53號(hào)）》（以下簡(jiǎn)稱《實(shí)施意見》）。各地方政府也出臺(tái)了相應(yīng)的充電設(shè)施安裝補(bǔ)貼政策鼓勵(lì)充電樁建設(shè)。

但在中央及地方政府的各類政策文件中較多地鼓勵(lì)大功率直流式充電設(shè)備的建設(shè)，對(duì)分布式微型充電方案的研究和政策引導(dǎo)較少。[3]

本文就分布式微型充電設(shè)施的建設(shè)和運(yùn)營(yíng)做簡(jiǎn)單探討，以期為有關(guān)部門完善新能源補(bǔ)能設(shè)施政策體系，建設(shè)新能源充電系統(tǒng)設(shè)施提供參考。

二、新能源汽車充電發(fā)展簡(jiǎn)述

（一）充電形式和設(shè)備

充電式新能源汽車作為現(xiàn)階段我國(guó)主要的新能源汽車種類，其充電補(bǔ)能方式以充電端口出輸入電流形式的不同可分為兩類，即直流快充和交流慢充。[4]直流快充以直流充電樁為主要設(shè)備，利用直流充電樁自帶交流轉(zhuǎn)直流整流模塊，將380V 交流電轉(zhuǎn)成高壓直流，不經(jīng)過車載充電機(jī)（OBC）轉(zhuǎn)換，直接輸入電動(dòng)車高壓電池包，電動(dòng)車BMS 與直流充電樁做功能交互，使用電樁的直流電壓對(duì)車用動(dòng)力電池直接充電的一種充電方式。直流充電方式的充電功率一般較高，支持40kW、120kW、240kW 等多種高功率充電，個(gè)別汽車廠商已經(jīng)推出350kW 和500kW 的液冷大功率充電樁解決方案，并投入試點(diǎn)運(yùn)行。

交流慢充作為新能源汽車的另一種充電式補(bǔ)能方式，是以交流充電設(shè)備為主，通過交流充電設(shè)備將電動(dòng)汽車電網(wǎng)連接，為電動(dòng)汽車車載充電機(jī)提供可控的單向交流電源或三相交流電源的一種充電方式。交流充電設(shè)備（樁）本身并不具備充電功能，其只是單純提供電力輸出，還需要連接電動(dòng)汽車車載充電機(jī)，方可起到為電動(dòng)汽車電池充電的作用。由于電動(dòng)汽車車載充電機(jī)的功率一般都比較小，所以交流充電樁無法實(shí)現(xiàn)快速充電。現(xiàn)階段主要用于商用的交流充電設(shè)備功率為7kW，部分非商用交流充電設(shè)備可做到22kW。

充電設(shè)備尺寸因交直流充電方式、充電功率及生產(chǎn)廠家技術(shù)水平不同而差異巨大。直流充電樁設(shè)備的尺寸較大，以國(guó)家電網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)系列充電設(shè)備為例，其80kW 一槍一機(jī)設(shè)備尺寸達(dá)到1900mm×700mm×600mm?，F(xiàn)有最先進(jìn)的800V 直流充電樁保 時(shí) 捷EPT（Electric pit stop）充電系統(tǒng)，其充電終端尺寸約為300mm×300mm×2100mm， 但該系統(tǒng)還需同步建設(shè)一個(gè)FlexBoxes方可使用，F(xiàn)lexBoxes 尺寸達(dá)到1200mm×1200mm×1300mm。直流充電樁設(shè)備的自身尺寸較大，除設(shè)備安裝需要較大的空間外，設(shè)備采購(gòu)安裝的價(jià)格也很高。國(guó)家電網(wǎng)80kW 一槍一機(jī)的單體設(shè)備采購(gòu)費(fèi)用約為3 萬元，而保時(shí)捷EPT 系統(tǒng)則由于采購(gòu)量小，建設(shè)費(fèi)用預(yù)估在8 萬元左右。

與直流充電設(shè)備不同，交流充電樁設(shè)備從技術(shù)本質(zhì)而言僅是一個(gè)變壓設(shè)備，內(nèi)部構(gòu)造相對(duì)簡(jiǎn)單，整體尺寸較小，如特斯拉提供的7kW 家用充電設(shè)備尺寸為380mm×160mm×140mm，重量?jī)H有9 千克，可采用壁掛式安裝，而安裝完畢后的總價(jià)格僅為8000 元，遠(yuǎn)低于直流充電樁。由于我國(guó)在新能源汽車配件領(lǐng)域具有較強(qiáng)的生產(chǎn)研發(fā)能力和規(guī)模優(yōu)勢(shì)，市售的7kW交流充電設(shè)備的普遍尺寸小于400mm×300mm×200mm，單樁終端安裝成本可控制在2000 元以內(nèi)，成本優(yōu)勢(shì)顯著。

（二）充電體系發(fā)展現(xiàn)狀及問題

充電樁作為充電式新能源汽車的補(bǔ)能基礎(chǔ)設(shè)施，根據(jù)其終端用戶需求、建設(shè)運(yùn)營(yíng)成本差異和監(jiān)管政策不同，存在多種建設(shè)運(yùn)營(yíng)模式，主要包括政府主導(dǎo)模式、企業(yè)商業(yè)模式、用戶自主模式。政府主導(dǎo)模式和用戶自主模式建設(shè)的充電樁多為7kW 交流樁，國(guó)有企業(yè)主導(dǎo)和純商業(yè)模式建設(shè)的充電樁多為20kW 以上的直流快充樁。我國(guó)雖然已經(jīng)初步建立起新能源汽車充電補(bǔ)能設(shè)施體系，但仍存在一些問題。

首先從充電設(shè)備場(chǎng)地分布看，政府主導(dǎo)充電樁多建于國(guó)有產(chǎn)權(quán)的物業(yè)內(nèi)，企業(yè)商業(yè)模式多建于核心商業(yè)圈，用戶自主模式則基本在所住小區(qū)，各類充電樁的分布并不均衡。

其次從充電設(shè)備建設(shè)運(yùn)營(yíng)情況看，政府主導(dǎo)興建的充電樁維護(hù)能力較差，使用率不高；商業(yè)模式興建的直流充電樁使用率高，但總體覆蓋面較低，且商業(yè)直流樁的建安成本高，部分直流樁建設(shè)需要對(duì)既有電力設(shè)施實(shí)施改造，實(shí)施過程復(fù)雜；用戶自建交流樁的日均使用率較低，使用對(duì)象單一，同時(shí)用戶自建樁的前期建設(shè)審批難度大，各地均有小區(qū)物業(yè)以電力設(shè)備荷載不足或安全問題為由不允許用戶建設(shè)的問題。

最后從充電設(shè)備建設(shè)主體來看，充電設(shè)施的建設(shè)多以企業(yè)和用戶個(gè)體為主。國(guó)家電網(wǎng)作為我國(guó)最大的電力供應(yīng)商，參與充電設(shè)施建設(shè)的深度和廣度仍顯不足，特別是在住宅、寫字樓等主要人員工作和生活區(qū)域的充電設(shè)施的覆蓋上推廣力度有待加強(qiáng)。除部分地區(qū)因政策要求需商業(yè)辦公樓開發(fā)商配建充電設(shè)施外，物業(yè)所有者極少參與公共充電設(shè)施的建設(shè)。

（三）用戶群體和消費(fèi)特點(diǎn)

充電式新能源汽車的消費(fèi)者根據(jù)使用狀況不同分為普通消費(fèi)者和出租車運(yùn)營(yíng)者（出租車司機(jī)）兩類。兩類用車人群具有完全不同的充電補(bǔ)能需求，適用不同的充電補(bǔ)能體系。出租車司機(jī)作為充電式新能源汽車用戶中一類數(shù)量巨大的特殊人群，其對(duì)充電體系的主要要求是充電快速和價(jià)格合理。出租車司機(jī)充電地點(diǎn)和時(shí)間雖然不固定，但有一定的規(guī)律性，覆蓋核心商業(yè)場(chǎng)所、交通樞紐節(jié)點(diǎn)的具備24 小時(shí)服務(wù)能力的超級(jí)快充網(wǎng)點(diǎn)是出租車運(yùn)營(yíng)者的首選。

對(duì)于普通消費(fèi)者而言，便捷、低價(jià)的補(bǔ)能充電體系是主要選擇，而在特殊場(chǎng)合如長(zhǎng)途旅行時(shí)，超級(jí)快充則是其最佳選項(xiàng)。除農(nóng)村居民和高端小區(qū)的住戶外，普通消費(fèi)者日常生活小區(qū)和所在工作地點(diǎn)不具備大規(guī)模建設(shè)直流、大功率交流充電樁的硬件條件，可供選用的充電設(shè)施嚴(yán)重不足。

三、分布式微型慢充體系建設(shè)

2021 年以前，我國(guó)充電設(shè)施體系建設(shè)主要以大功率、超大充電設(shè)施建設(shè)為主，有效地推動(dòng)了新能源車輛的普及，但我國(guó)幅員遼闊，地區(qū)差異較大，充電體系的形式也必須多樣。建立分布式微型充電系統(tǒng)是一種解決我國(guó)充電式新能源汽車補(bǔ)能問題的有效手段，應(yīng)當(dāng)進(jìn)行大力推廣。

《實(shí)施意見》提出的“加快推進(jìn)居住社區(qū)充電設(shè)施建設(shè)安裝，創(chuàng)新居住社區(qū)充電服務(wù)商業(yè)模式”，為分布式微型充電系統(tǒng)建設(shè)發(fā)展帶來新的機(jī)遇。

（一）分布式微型充電系統(tǒng)

分布式微型充電系統(tǒng)是指利用車輛自帶1.5kW 隨車充電變壓器，接入由國(guó)家電網(wǎng)或電力分銷商進(jìn)行集中管控和運(yùn)營(yíng)的受控插座進(jìn)行充電的低功率交流慢充補(bǔ)能方案。

分布式微型充電系統(tǒng)的工作電壓為220V，最大充電功率為1.5kW，采用普通1.5 平方電線作為傳輸線纜，其核心部件為受控插座和集中式分戶計(jì)量箱。

受控插座是在普通插座的基礎(chǔ)上增加插卡式或者非接觸式計(jì)量模塊功能后改造而來的插座，用于隨車充電變壓器接入使用。

集中式分戶計(jì)量箱是將各受控插座的用電情況進(jìn)行集中計(jì)量，并接入變壓器的設(shè)備，其功能主要是對(duì)各受控插座進(jìn)行計(jì)量監(jiān)控匯總、安全監(jiān)控和分體電流集中轉(zhuǎn)接至變壓器。

（二）系統(tǒng)建設(shè)運(yùn)營(yíng)

分布式微型充電系統(tǒng)與傳統(tǒng)的政府主導(dǎo)、商業(yè)推廣或用戶自建補(bǔ)能運(yùn)營(yíng)組織模式不同，其強(qiáng)調(diào)以國(guó)企保障、商業(yè)參與、社區(qū)用戶共同參與的方式進(jìn)行建設(shè)。國(guó)家電網(wǎng)作為電力的主供應(yīng)商負(fù)責(zé)廉價(jià)電力的供應(yīng)、地區(qū)運(yùn)營(yíng)商負(fù)責(zé)城市區(qū)域推廣和運(yùn)營(yíng)、社區(qū)物業(yè)負(fù)責(zé)配合系統(tǒng)覆蓋網(wǎng)點(diǎn)的建設(shè)和日常簡(jiǎn)單維護(hù)。三方通過成立合資公司的形式在小區(qū)、商業(yè)樓宇間進(jìn)行具體運(yùn)營(yíng)。

用戶通過購(gòu)買國(guó)家電網(wǎng)電力消費(fèi)額度充卡消費(fèi)，合資公司以服務(wù)費(fèi)的形式收取經(jīng)營(yíng)費(fèi)用。用戶補(bǔ)能電費(fèi)宜按照普通居民用戶用電單價(jià)進(jìn)行結(jié)算，合資公司收取的服務(wù)費(fèi)不宜超過0.1 元/度。

由于以合資公司方式運(yùn)營(yíng)，社區(qū)和運(yùn)營(yíng)商共享經(jīng)營(yíng)利潤(rùn)，可有效推動(dòng)分布式微型充電系統(tǒng)對(duì)小區(qū)、寫字樓以及其他公共設(shè)施區(qū)域的覆蓋，是符合《實(shí)施意見》中關(guān)于“充電運(yùn)營(yíng)企業(yè)或居住社區(qū)管理單位接受業(yè)主委托，開展居住社區(qū)充電樁‘統(tǒng)建統(tǒng)營(yíng)’，統(tǒng)一提供充電樁規(guī)劃、建設(shè)、運(yùn)營(yíng)與維護(hù)等有償服務(wù)，提高充電樁安全管理水平和綠電消費(fèi)比例。鼓勵(lì)‘臨近車位共享’、‘多車一樁’等新模式”的政策要求的，是重大的組織模式創(chuàng)新。

（三）發(fā)展機(jī)遇和優(yōu)勢(shì)

政策支持分布式微型充電系統(tǒng)發(fā)展的同時(shí)，我國(guó)新能源汽車推廣運(yùn)用成績(jī)巨大，給分布式微充系統(tǒng)帶來巨大機(jī)遇，使其優(yōu)勢(shì)更為顯著。

1.分布式微充系統(tǒng)的發(fā)展機(jī)遇。截至2021 年12 月底，我國(guó)新能源汽車?yán)塾?jì)銷量達(dá)到550 萬輛，2021 年更取得了近300 萬輛的銷售業(yè)績(jī)，使得充電設(shè)施需求進(jìn)一步暴漲。從現(xiàn)有充電樁的使用數(shù)據(jù)來看，除了核心商圈、交通節(jié)點(diǎn)的充電設(shè)施日使用時(shí)間高于50% 外，普通區(qū)域的商業(yè)直流樁和交流樁，以及用戶自建7kW 交流樁的日均有效時(shí)間普遍偏低。因此政府部門繼續(xù)大規(guī)模、大范圍的建設(shè)直流充電樁和7kW交流樁的實(shí)際效果是有限的，同時(shí)場(chǎng)地、既有變配電設(shè)施，以及建設(shè)資金都無法滿足充電設(shè)施需求的暴漲。[5]在充電式新能源充電補(bǔ)能體系建設(shè)過程中急需一種改造簡(jiǎn)單、占用空間小、投資少的充電解決方案，解決充電設(shè)施短缺的問題。而分布式微充系統(tǒng)恰好能有效解決上述補(bǔ)能系統(tǒng)建設(shè)過程中的痛點(diǎn)。

充電設(shè)施場(chǎng)地、資金受限給分布式微充系統(tǒng)發(fā)展帶來機(jī)遇的同時(shí)，充電式新能源汽車客戶群體的變化也讓分布式系統(tǒng)發(fā)展有了巨大變化。充電式新能源汽車發(fā)展初期，主要用戶群體為出租車和網(wǎng)約車，其中巡游出租車規(guī)模約在150 萬輛左右，加上網(wǎng)約車總數(shù)不超過300 萬輛。而按照政府規(guī)劃，我國(guó)在2025 年新能源汽車銷售數(shù)量占到汽車總銷量的20%，即達(dá)到700 萬輛。[6]因此在2025 年以后，普通消費(fèi)者將成為我國(guó)新能源補(bǔ)能體系的主要群體，該類人群的主要特點(diǎn)是日均使用里程較短，車輛停放范圍相對(duì)固定。

北京交通發(fā)展研究中心的研究數(shù)據(jù)表明，2011 年北京市的小型私家車的年均行駛里程為1.5萬公里，折合日均50 公里。2025年按照車輛續(xù)航400 公里，日均出行里程達(dá)到80 公里計(jì)算，每日消耗的續(xù)航里程僅為總續(xù)航里程的20%。采用普通1.5kW 微型充電設(shè)備進(jìn)行補(bǔ)能，用戶在家或單位日均補(bǔ)能8 小時(shí)，即可保持車輛滿續(xù)航狀態(tài)，這為分布式微充系統(tǒng)的建設(shè)提供了實(shí)施可行性。[7]

2.分布式微充系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)。隨著新能源客戶群體的變化和分布式微充系統(tǒng)自身設(shè)備的特點(diǎn)和組織模式，使其較快充補(bǔ)能體系優(yōu)勢(shì)顯著。

一是改造安裝方便，適用性廣。分布式微充系統(tǒng)的充電終端（受控插座）可采用壁掛式安裝且末端占地面積小，改造建造簡(jiǎn)單；由于最大充電功率僅為1.5kW, 在建小區(qū)或者已建小區(qū)按戶均1∶1 增加分布式充電樁，電力荷載均可滿足使用，不會(huì)出現(xiàn)瞬間過載情況，無需擴(kuò)建現(xiàn)有的配電設(shè)備。較7kW 交流充電和直流快充，分布式微充系統(tǒng)對(duì)老舊小區(qū)和寫字樓具有很強(qiáng)的適用性。[8]

二是使用安全性高，操作簡(jiǎn)單。分布式微充系統(tǒng)采用1.5kW低功率充電方式對(duì)人、車具有更高的安全性。在1.5kW 低功率充電時(shí)基本不存在設(shè)備過熱引發(fā)火災(zāi)的危險(xiǎn)。采用普通220V 工作電壓，較使用400V 和800v電壓等設(shè)備的日常維修更加簡(jiǎn)單，普通電工經(jīng)基本培訓(xùn)后即可操作。而分布式微充的充電槍體積小、重量輕，與笨重的快充槍相比，對(duì)女性用戶更加友好。

三是建設(shè)成本低，收益高。分布式微充系統(tǒng)設(shè)備簡(jiǎn)單，主要為受控插座和集中式分戶計(jì)量箱?，F(xiàn)有市售刷卡式插座價(jià)格在100 元左右，含線纜安裝等其他費(fèi)用的單個(gè)充電點(diǎn)位費(fèi)用不超過200 元。而普通市售7kW 交流慢充樁設(shè)備費(fèi)用在1000 元，安裝完畢的總成本約1500元以上。以滿足1000 戶需求的小區(qū)建設(shè)為例，分布式微充系統(tǒng)的前期建設(shè)成本僅需20 萬元，而7kW 交流慢充樁則需150 萬元，分布式微充系統(tǒng)具有明顯的成本優(yōu)勢(shì)。因此在同等投資強(qiáng)度情況下，分布式微充系統(tǒng)可更為廣泛的覆蓋寫字樓、小區(qū)甚至道路。由于分布式微充系統(tǒng)單樁建設(shè)成本低，資本收益高，單個(gè)充電點(diǎn)位充電時(shí)長(zhǎng)按日均4 小時(shí)計(jì)算，每千瓦時(shí)服務(wù)費(fèi)按0.1 元計(jì)算，單樁年服務(wù)費(fèi)收入為219 元，1 年即可收回投資。

四、總結(jié)

分布式微充系統(tǒng)作為新能源充電設(shè)施的硬件和組織模式的創(chuàng)新是《實(shí)施意見》的重要落實(shí)。在分布式微充系統(tǒng)的組織實(shí)施過程中，政府部門應(yīng)及時(shí)完善新能源充電設(shè)施建設(shè)的政策，組織開展分布式微充系統(tǒng)的試點(diǎn)建設(shè)，推動(dòng)我國(guó)“2030 年碳達(dá)峰、2060 年碳中和”目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。社會(huì)各方特別是國(guó)家電網(wǎng)作為系統(tǒng)的主要參與者，應(yīng)當(dāng)發(fā)揮國(guó)有企業(yè)的社會(huì)擔(dān)當(dāng)，加強(qiáng)能源供應(yīng)保障，通過合理電價(jià)政策和利益分享機(jī)制，推動(dòng)分布式微充系統(tǒng)在各類小區(qū)、寫字樓、學(xué)校等人員長(zhǎng)時(shí)間生活工作場(chǎng)所的覆蓋，進(jìn)一步構(gòu)建完善超充、快充、慢充、微充等補(bǔ)能體系，滿足不同用戶群體需求，推動(dòng)新能源汽車的進(jìn)一步普及。

政府部門及時(shí)完善新能源充電設(shè)施建設(shè)的政策，組織開展分布式微充系統(tǒng)的試點(diǎn)建設(shè)，推動(dòng)我國(guó)“2030 年碳達(dá)峰、2060 年碳中和”目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。