探索創(chuàng)新開發(fā)充電補能模式加快道路交通減碳降碳

文/趙忠山 趙曦 邵偉 韓芒 畢競超

隨著社會經(jīng)濟和工業(yè)化快速發(fā)展，全球氣候變暖不斷加速，已經(jīng)嚴重影響了人們的生活和生存環(huán)境。交通領(lǐng)域作為溫室氣體與空氣污染物排放源之一，占全球溫室氣體排放量的15%，并保持持續(xù)增長。我國是交通運輸大國，交通運輸是四大重點碳排放行業(yè)之一，碳排放量大約占我國碳排放總量的10%。近年來，隨著社會經(jīng)濟的快速發(fā)展和私人汽車的進一步普及，交通運輸領(lǐng)域碳排放也快速增加。雖然我國大力發(fā)展新能源汽車并取得了顯著成果，產(chǎn)銷量連續(xù)9年位居全球第一，但由于充電補能設(shè)施發(fā)展相對滯后，制約了新能源乘用車的進一步普及，尤其是碳排放占比較大的新能源商用車發(fā)展緩慢，導(dǎo)致道路交通領(lǐng)域減碳效果難以滿足“雙碳”要求，亟需創(chuàng)新充電補能模式，進一步加快新能源汽車發(fā)展速度，從而大幅度提高道路交通減碳降碳能力。

本文介紹了我國新能源汽車發(fā)展現(xiàn)狀及減碳情況，剖析了充電補能設(shè)施現(xiàn)狀及存在的主要問題，提出了創(chuàng)新充電補能模式的初步思路和建議。

一、我國新能源汽車發(fā)展現(xiàn)狀及減碳情況

（一）我國新能源汽車現(xiàn)狀

經(jīng)過多年努力，我國新能源汽車行業(yè)取得了快速發(fā)展。據(jù)中國汽車工業(yè)協(xié)會發(fā)布的數(shù)據(jù)，2023年，我國新能源汽車產(chǎn)量和銷量分別完成958.7萬輛和949.5萬輛，同比分別增長35.8%和37.9%，市場占有率達到31.6%，高于上年同期5.9個百分點。其中，純電動汽車銷售668.5萬輛，同比增長24.6%；插電式混合動力汽車銷量280.4萬輛，同比增長84.7%；燃料電池汽車銷售0.6萬輛，同比增長72%。新能源商用車銷量44.7萬輛，占新能源汽車銷量的4.7%。新能源商用車產(chǎn)量和銷量分別占商用車產(chǎn)量和銷量比例為11.5%和11.1%，新能源乘用車產(chǎn)量和銷量分別占乘用車產(chǎn)量和銷量比例為34.9%和34.7%。

（二）我國新能源汽車發(fā)展存在的問題

由以上數(shù)據(jù)可以看出，我國新能源汽車行業(yè)發(fā)展取得了長足進步，但距離滿足“雙碳”目標(biāo)要求仍有較大差距。主要原因一是乘用車市場滲透率，特別是純電動汽車的滲透率有待進一步提高；二是占碳排放大頭的商用車，特別是重型卡車新能源車市場滲透率增長緩慢；三是適宜長途出行的新能源汽車較少，這些都制約了道路交通減碳降碳的力度和效果。

1.純電動汽車占比有待進一步提高

不論從理論上還是實際情況來看，純電動汽車相比混合動力汽車減碳效果更好。雖然從總量來看近幾年純電動汽車每年都在增加，但由于充電設(shè)施不完善，混合動力汽車增長勢頭更為迅猛，在新能源汽車中占比不斷提高，從而導(dǎo)致純電動汽車占比的下降。比如2022年純電動汽車銷量占新能源汽車銷量的77.9%，2023年則為70.4%，插電式混合動力汽車占比則相應(yīng)增加了7.5個百分點。這對減碳來說是不利的。

2.商用車新能源滲透率提高緩慢

商用車在交通領(lǐng)域扮演著重要的角色。盡管商用車的保有量只占汽車保有量的12%，但其碳排放量占汽車碳排放總量的50%以上。因此，如何解決商用車層面的碳達峰和碳中和問題成為亟需解決的課題。

商用車，特別是重型卡車雖然數(shù)量不多，但碳排放量卻超過了乘用車，因此應(yīng)該是減排的重點。但由于其裝載電池重量和體積較大，造價和成本較高，充電時間較長等原因，新能源商用車滲透率提高較為緩慢，影響了減碳進程。2022年新能源商用車銷量33.8萬輛，占新能源汽車銷量的4.9%，占商用車總銷量的10.2%。2023年新能源商用車銷量44.7萬輛，占新能源汽車銷量的4.7%，占商用車總銷量的11.1%。新能源商用車銷量占商用車總銷量的比例僅提高了0.9個百分點，新能源商用車銷量占新能源汽車銷量的比例甚至下降了0.2個百分點。

3.長途出行的新能源汽車較少

由于目前電動汽車實際續(xù)航里程的限制和公路沿線充電設(shè)施不足等原因，長途出行的新能源汽車，特別是純電動汽車數(shù)量較少，純電動商用車更是少之又少。如果設(shè)置一個新能源汽車高速公路行駛滲透率指標(biāo)（單位時間內(nèi)通過某一道路斷面的新能源汽車數(shù)量與通過這一斷面汽車數(shù)量之比），將會遠遠低于新能源汽車市場滲透率指標(biāo)。

（三）我國新能源汽車減碳情況

國際能源署（IEA）統(tǒng)計數(shù)據(jù)和中汽數(shù)據(jù)有限公司數(shù)據(jù)顯示，1990-2021年，我國交通領(lǐng)域碳排放量增長了9倍，2021年我國汽車直接碳排放約7.7億噸，商用車碳排放占比超過一半。交通運輸領(lǐng)域中公路運輸碳排放量最大，碳減排壓力也最大。公路運輸碳排放量占交通領(lǐng)域碳排放總量的87%。

有關(guān)部門根據(jù)2012年-2021年汽車（包含乘用車和商用車）碳排放平均歷史數(shù)據(jù)測算，每增加100萬輛新能源汽車，汽車領(lǐng)域全生命周期碳排放降低728萬噸，直接碳排放（只考慮燃料直接燃燒）降低1280萬噸。另據(jù)公安部發(fā)布的數(shù)據(jù)，截至2023年底，全國新能源汽車保有量2041萬輛。按照以上數(shù)據(jù)推算，由于新能源汽車替代燃油汽車所產(chǎn)生的全生命周期碳排放減少了約1.5億噸，直接碳排放減少了約2.6億噸。從長遠發(fā)展看，根據(jù)《中共中央國務(wù)院關(guān)于全面推進美麗中國建設(shè)的意見》中45%滲透率計算，每年我國新能源汽車增量將達到1500萬輛左右，全生命周期碳排放可減少約1.1億噸，直接碳排放可減少約1.9億噸。其減碳潛力十分巨大。

雖然我國新能源汽車近年來得到了迅猛發(fā)展，但新能源商用車發(fā)展相對緩慢，2022年、2023年新能源商用車銷量占新能源汽車銷量均不到百分之五，因此其減碳效果可以說是“微不足道”。由于新能源商用車市場滲透率太低，因此還存在著數(shù)億噸的碳減排空間。

二、我國充電設(shè)施現(xiàn)狀及存在的問題

（一）充電設(shè)施概況

近年來，我國已建成世界上數(shù)量最多、輻射面積最大的充電基礎(chǔ)設(shè)施體系，目前充電樁、充電站和換電站的數(shù)量均居世界第一。據(jù)中國電動汽車充電基礎(chǔ)設(shè)施促進聯(lián)盟發(fā)布的數(shù)據(jù)顯示，截至2023年底，我國充電基礎(chǔ)設(shè)施保有量達到了859.6萬臺，同比增長了65.0%；2023年充電基礎(chǔ)設(shè)施增量為338.6萬臺。其中，公共充電樁增量為92.9萬臺，同比上升42.7%；隨車配建私人充電樁增量為245.8萬臺，同比上升26.6%。主要城市換電站超過3600座。

充電基礎(chǔ)設(shè)施與電動汽車對比情況，2022年充電基礎(chǔ)設(shè)施與新能源汽車的樁車增量比為1∶2.7。2023年樁車增量比為1∶2.8。

（二）充電模式概況

目前我國新能源汽車充電模式主要是充電樁充電和換電站換電兩種形式。根據(jù)充電功率和速度的不同，充電樁大致分為超充、快充和慢充。充電樁充電模式的優(yōu)點是充電方便、保護環(huán)境、投資較少，但充電時間相對較長，維護成本較高；換電模式的優(yōu)點是補能速度快，有利于車網(wǎng)互動、補能體驗好，但建設(shè)投資較大，不同車型之間無法實現(xiàn)互換，目前在部分車企的堅持下也在穩(wěn)步推進。國家有關(guān)部門近日也發(fā)文鼓勵發(fā)展換電模式。其他充電方式還有無線充電、無人機充電、機器人充電等，但均不成熟，難以大規(guī)模推廣使用。

（三）充電技術(shù)發(fā)展趨勢

為了提高充電速度，目前部分車企向高壓充電和大電流充電的方向發(fā)展。比亞迪、蔚來、小鵬等企業(yè)采用800V高壓平臺，特斯拉采用大電流充電方式。800V高壓充電能夠大幅度縮短充電時間，5分鐘可以充電150-200公里，10-15分鐘可以充電400-500公里，在補能時間上已經(jīng)顯著縮小了同燃油車的差距。還有更多的車企正在開發(fā)制造800V甚至更高電壓等級的產(chǎn)品，據(jù)預(yù)測，2024年將有上百款高壓充電車型上市。

換電方面，在國家政策的支持下，不斷有企業(yè)加入建設(shè)換電站的陣營中，甚至有些頭部加油企業(yè)也參與進來。主導(dǎo)換電的蔚來公司已經(jīng)開發(fā)出更加高效節(jié)能且投資相對較低的第三代換電站并已開始投入建設(shè)運營。

（四）現(xiàn)有充電技術(shù)存在的主要問題

經(jīng)過多年發(fā)展，我國充換電等新能源汽車補能設(shè)施取得了長足進步，促進了新能源汽車的快速發(fā)展，但還存在著許多問題，制約了新能源汽車的進一步發(fā)展。

1.充換電設(shè)施分布不夠合理

一是大多數(shù)充換電設(shè)施分布在東部發(fā)達地區(qū)的大中城市，中西部三四線以下城市和縣鄉(xiāng)鎮(zhèn)等農(nóng)村地區(qū)充電設(shè)施較少，限制了新能源汽車的普及。二是高速公路等長途出行道路充電設(shè)施的建設(shè)相對滯后。高速服務(wù)區(qū)及公路沿線充電設(shè)施建設(shè)是新能源汽車遠距離出行的保障。截至2023年底，全國已建設(shè)充電停車位的服務(wù)區(qū)共計6000余個，累計建成充電樁2萬余個。以目前的設(shè)施情況，東部經(jīng)濟發(fā)達地區(qū)平時出行基本能夠滿足充電需要，但節(jié)假日則遠遠不夠，形成充電困難，一樁難求的局面，導(dǎo)致大部分車主不敢在高峰時段駕駛電動汽車長途出行。隨著新能源汽車的快速發(fā)展，這種狀況將會進一步加劇，單純依靠增加充換電設(shè)施的數(shù)量是難以解決的。

2.充電自動化程度低成為制約新能源汽車發(fā)展的主要因素

目前的充電系統(tǒng)基本都是人工操作，需要多次插拔充電槍，開合充電插口蓋，比較繁瑣，充電體驗不佳。從技術(shù)上來講，完全可以實現(xiàn)自動化。目前已經(jīng)有研發(fā)和制造企業(yè)開發(fā)出自動充電機械臂和充電機器人，但由于成本較高，受充電場所限制，難以大規(guī)模推廣使用，需要開發(fā)新的自動充電模式，提高用戶的充電體驗。

此外，發(fā)展新能源汽車的初衷是節(jié)能減排，但當(dāng)其發(fā)展到一定規(guī)模時，還具有作為儲能系統(tǒng)調(diào)節(jié)電網(wǎng)峰谷、利用峰谷差價盈利的功能。也就是說，在用電低峰期電價較低時進行充電，在高峰期高電價時向電網(wǎng)充電（反向充電），既能夠?qū)﹄娋W(wǎng)“削谷填峰”，調(diào)節(jié)電網(wǎng)，還可以利用差價增加收益。但目前的充電樁充電方式每次充放電都需要人工插槍拔槍，而電網(wǎng)用電低谷期在夜間，制約了車網(wǎng)互動的普及。因此大規(guī)模推廣使用自動充電是車網(wǎng)互動的需要。

3.高壓充電和換電的經(jīng)濟局限性難以徹底解決補能問題

由于高壓充電系統(tǒng)造價高，因此多用于售價較高的車型，難以在中低價位車型上使用，這就限制了大批新能源汽車的補能速度提升。換電站由于建設(shè)投資大、運營成本高、增加了車輛的復(fù)雜性等原因，從新能源汽車發(fā)展總體來看，也只能起到輔助補能的作用。

4.不能滿足商用車的補能需要

由于動力電池能量密度的制約，新能源商用車，特別是重型卡車需要裝載較大的電池，導(dǎo)致載貨量減少，售價較高，特別是充電補能時間較長，這也是新能源商用車發(fā)展緩慢的主要原因。而目前的充電技術(shù)，即便是高壓充電也不能較好地解決這個問題。由于電池體積和重量較大，換電模式難以解決經(jīng)濟問題，也無法大規(guī)模應(yīng)用。

總之，現(xiàn)有充電技術(shù)和設(shè)施無法滿足井噴式增長的新能源汽車，尤其是新能源商用車的補能需求，亟需創(chuàng)新研發(fā)新的補能方式方法。

三、創(chuàng)新充電補能模式的初步思路和建議

（一）探索開發(fā)道路移動充電模式

目前廣泛使用的充電樁和換電站都屬于固定充電模式，存在著占用土地資源，充電效率相對較低，難以解決長途出行“潮汐充電”等不足。道路無線充電建設(shè)成本高、充電效率低，難以大規(guī)模應(yīng)用；無人機隨車充電也受制于成本只能小范圍使用。因此，筆者建議探索開發(fā)道路移動充電系統(tǒng)。具體來講就是開發(fā)建設(shè)“道路區(qū)間有線充電系統(tǒng)”，也可以稱之為“充電走廊”。該系統(tǒng)由架設(shè)在道路上方的充電線、安裝在車輛上的飛行充電槽及輸電線、自動尋的系統(tǒng)、自動通信和計費系統(tǒng)等組成。在高速公路或其他公路上每間隔一段距離設(shè)置一個“充電走廊”，使新能源汽車在行駛過程中完成充電。該系統(tǒng)主要是借鑒城市無軌電車輸電線傳輸電力的形式，在道路上方架設(shè)二條充電線，在汽車車身上安裝可飛行升降的充電裝置（類似于充電槍，可以稱為“飛行充電槽”），飛行充電槽與車輛之間由輸電線相連，相當(dāng)于無軌電車的受電弓，起傳輸電力的作用。飛行充電槽借鑒無人機的原理，可在四個旋翼的推動下飛向充電線。當(dāng)新能源汽車駛?cè)搿俺潆娮呃取毙枰潆姇r，飛行充電槽在尋的系統(tǒng)的引導(dǎo)下飛向充電線，并與之相接，車輛開始邊行駛邊充電并計費。當(dāng)駛離“充電走廊”或結(jié)束充電時，飛行充電槽飛回車輛。在道路上方可以根據(jù)車道數(shù)量設(shè)置多條充電線，使多輛車輛同時充電，實現(xiàn)“邊走邊充”。該充電系統(tǒng)能夠顯著增加同時充電車輛的數(shù)量，大幅度提高充電效率，節(jié)省土地，結(jié)合現(xiàn)有固定充電設(shè)施，應(yīng)該可以解決新能源汽車，特別是新能源商用車長途出行的“充電焦慮”和“里程焦慮”。如果推廣使用，不僅可以減少車載電池的數(shù)量，降低成本和售價，提高駕駛性能；還能夠使能量密度相對較低，但資源豐富，性能更好的新型電池（比如鈉電池等）的應(yīng)用范圍進一步擴大。

（二）研發(fā)頂置自動充電系統(tǒng)

隨著新能源汽車的快速增長，充換電設(shè)施與供電網(wǎng)絡(luò)的關(guān)系日益緊密。國家發(fā)展改革委等部門近日頒布了關(guān)于加強新能源汽車與電網(wǎng)融合互動的實施意見，要求到2030年，我國車網(wǎng)互動實現(xiàn)規(guī)?；瘧?yīng)用，智能有序充電全面推廣，新能源汽車成為電化學(xué)儲能體系的重要組成部分。無論是車網(wǎng)互動，還是智能有序充電都需要自動充電技術(shù)為支撐。

目前的充電樁充電基本都是側(cè)置式，也就是說充電裝置安裝在車輛的側(cè)面或后側(cè)。為了便于實現(xiàn)自動充電，從車輛頂部安裝充電裝置更為有利。建議開發(fā)頂置自動充電系統(tǒng)。該系統(tǒng)由車載飛行充電頭（相當(dāng)于充電槍）及輸電線、安裝在車輛上方空間的固定充電裝置（相當(dāng)于充電樁，借鑒充電樁的命名，可以稱之為“充電云”）、充放電自動決策系統(tǒng)、自動尋的系統(tǒng)、自動通信和計費系統(tǒng)等組成。飛行充電頭由四旋翼無人機和充電頭組成。當(dāng)車輛停在停車場所時，充放電自動決策系統(tǒng)根據(jù)電池的電量和當(dāng)時的電網(wǎng)峰谷期自動發(fā)出充放電指令，飛行充電頭在尋的系統(tǒng)的引導(dǎo)下飛向充電云，并插入其中接入電網(wǎng)開始充電或放電。當(dāng)充放電結(jié)束時，飛行充電頭飛回車輛頂部的底座上。該系統(tǒng)完全省掉了人工操作和充電樁占地，具有充放電體驗好、節(jié)省用地、安裝范圍廣（只要能夠停車的地方，比如路邊、小區(qū)停車場等都可以安裝）、無人值守、經(jīng)營成本低等優(yōu)點。如果能夠推廣使用，與現(xiàn)有充換電設(shè)施結(jié)合起來，形成充電補能的“天羅地網(wǎng)”，真正實現(xiàn)“走到哪充到哪”，能夠更好的解決城市充電難的問題，從而顯著提高新能源汽車的接受度。

四、結(jié)束語

綜上所述，只要堅持創(chuàng)新，不斷豐富充電補能的方式方法，并與現(xiàn)有充電補能設(shè)施相結(jié)合，就能夠構(gòu)建符合我國國情的充電補能技術(shù)體系，消除電動汽車用戶的“里程焦慮”和“充電焦慮”，顯著提高充電體驗，為將來大規(guī)模實施“車網(wǎng)互動”、建設(shè)新型電網(wǎng)奠定良好基礎(chǔ)，從而加速形成乘用車商用車齊頭并進、迅猛發(fā)展的局面，推動全汽車行業(yè)整體向電動化轉(zhuǎn)型，促進我國新能源汽車更快更好發(fā)展，使其真正成為減碳降碳的生力軍。