淺談中國電動汽車充電設施發展現狀及研究進展

楊煥璋

摘要：本文分析了中國電動汽車充電設施的市場發展趨勢，總結了充電模式及相應發展情況，從充電設施系統設計、充電設施建設布局規劃、能源供給及電網接入、應用程序開發以及盈利模式探討等幾個方面闡述了充電設施的發展現狀及前沿研究動態，為后續的相關研究提供了一定的參考價值。

關鍵詞：電動汽車；充電設施；發展現狀；研究進展

引言

隨著社會經濟的快速發展，中國汽車保有量從2010年的7000萬輛迅增至2017年底的2.17億輛，預計2025年將達到2.5-3.4億輛[1]，這意味著未來國內石油消費將會繼續增長，對油氣能源行業造成巨大壓力，給國家帶來沉重的環境壓力[2]。因此，大力發展新能源汽車成為了中國汽車發展的主要方向之一，并且已經取得了明顯的進展。目前制約電動汽車發展的主要因素包括電動汽車續航里程難以滿足需求、電驅動裝置技術不完善、充電基礎設施尚不完善等[3]。本文著重探討了中國電動汽車充電基礎設施發展現狀，并就未來的發展趨勢進行分析。

1.中國電動汽車充電設施供需發展

充電設施的供需取決于電動汽車的市場情況，充電設施的需求量隨著電動汽車的產銷量而逐年增加。工信部的統計數據[4]表明：2017年中國新能源汽車產銷量分別達到79.4萬輛和77.7萬輛（如圖1所示），近三年連續蟬聯世界第一，累計保有量達到180萬輛，超過全球市場保有量的50%。

2011年6月南方電網在廣州、深圳、珠海等10個城市建成12座充電站和556個充電樁。到2011年底，國家電網公司就已經建成投運111座充換電站、8930臺充電機和7245個交流充電樁，覆蓋全國26個省市[5]。2012年國務院出臺《節能與新能源汽車產業發展規劃》，制定了充電基礎設施總體發展規劃、開展充電設施關鍵技術研究、探索其商業運營模式，積極推進充電設施建設，目標是到2020年充電設施建設與新能源汽車產銷規模相適應，并滿足新能源汽車在關鍵區域內或城際間的運行需要[6]。

2014 年以來，國家鼓勵資本市場發展充電樁，民間資本涌入充電設施建設市場。截至2014年底，共有780座充換電站和3.1萬個交直流充電樁投入使用，服務電動汽車12萬余輛[7]。童芳等[8]研究表明充換電站數量在2018-2020年間仍將繼續保持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%并趨于穩定，如圖2所示：

根據國家發改委出臺的《電動汽車充電基礎設施發展指南（2015-2020年）》規劃，到2020年預計超過1.2萬座集中式充換電站、超過480萬個分散式充電樁新增投入使用，可滿足500萬輛電動汽車的充電需求。這一指導文件為電動汽車充電設施的建設提供了強大的供給側驅動力。預計在未來五年內，充電設施建設產業將形成超千億的市場規模，間接帶動的市場規模甚至可達2萬億。

2.中國電動汽車充電模式發展現狀

電動汽車充電模式[9]包括：①常規充電模式（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，短時間應急充電），③機械充電模式（通過純手動形式、半自動形式更換動力電池），④無線充電模式（電磁感應、無線電波、磁共振、電場耦合等方式），⑤移動充電模式（在路面下構建充電區）。由于后幾種充電模式的設備技術尚處于研究階段，目前應用較多的為常規充電模式和快速充電模式：

常規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，設置在公共停車、公用充電點等區域。此模式易于使用和推廣，目前新能源共享汽車充電主要使用這種模式。交流充電樁[10]一般由四部分組成：計量模塊、電氣模塊、賬務管理模塊和樁體。

快速充電模式一般采用大功率直流充電樁[11]實現，其主要由人機交互觸摸屏、通訊模塊、充電模塊、控制模塊、計費模塊和樁體組成。現階段主要設于停車區域或高速的服務地段，短時間即可充電至約70%。

3.中國電動汽車充電設施主要研究方向

為滿足市場對充電樁的迫切需求，在國家政策扶持和社會資本的推動下，充電設施建設產業獲得快速發展。發展過程中眾多研究者對充電設施系統設計、充電設施建設的布局規劃、能源供給及電網接入、應用程序開發以及盈利模式探討等各個環節進行了多方位的思考。

3.1充電設施系統設計

充電設施的系統設計作為技術核心直接影響到設施的推廣模式、運營成本、經濟效益等，因此眾多學者從不同角度對其進行了研究。

王杰[12]針對傳統的充電樁服務設計理念及方式存在的問題（如充電服務場所定點難、充電樁造型呆板缺乏科技感與時代感、人樁交互性缺失等）從物聯網的角度出發，針對充電樁在設計合理性、定位準確性、使用便捷性、空間融合性等問題上，就其結構、形式、特征與空間關系加以研究和分析，進而構建了人機交互系統模型，為后續充電樁產品設計提供理論依據及方法指導。

陳靜[13]調研了太陽能充電站的可行性，引入用戶體驗的概念，運用產品系統設計思維來確定充電設施設計的實施步驟，將電動汽車充電產品系統劃分為外部系統和內部系統兩個部分，分別分析了其中的關鍵要素；并基于對用戶體驗和充電產品的調研與分析，得出優化設計策略，并設計出具體解決方案。

3.2充電設施建設布局規劃

由于電動汽車續航里程瓶頸的存在，充電設施的合理布局顯得尤為重要。充電需求、充電成本、投資規模和運營商利潤等主要因素影響著充電設施建設的布局規劃。為此，付鳳杰等[14]以自動車輛識別數據的歷史行駛路線來模擬電動汽車出行特征，并準確地計算充電需求、充電成本和運營商利潤，確定最優布局方案，同時分析了工作日/非工作日以及交通需求增長和電池發展對布局的影響。

高建樹[15]將遺傳算法應用于機場充電樁布局選址，結合機場實例，對模型和算法進行了仿真分析，確定了該機場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能源供給及電網接入

規模化電動汽車充電設施的運行也將給能源供給和電網帶來前所未有的壓力和挑戰。新的產品負荷特性和設備特點、新的用電需求給電網的建設和運行帶來了諸多新的問題[16]。為此，眾多研究者給出了不同的解決方案。

白高平[17]通過對快速充電負荷及電池更換站充電負荷的估算，基于其時間分布，估算了電動汽車充電站規模化投入使用時的充電負荷。同時利用正態分布理論，研究了自然狀態下充電負荷分布，建立了具有一定普適性的負荷模型用于對充電設施進行充電負荷估算。

段佳藝[9]提出以新能源、分布式能源（包括光伏、氫能等）為供給方式的電動汽車人性化合理化充電方式以及服務路徑。提出對過剩產能能效管理的新供給方式，以及建立城市電樁網絡布局，最終完成城市交通共享電樁的應用設計和開發。

3.4應用程序開發

目前，人們在尋找、使用充電樁時還不是很方便，盡管市場上已經出現與充電樁相關的手機應用，但是大多數應用用戶體驗較差，使用意愿不強，因此有研究者進行相應的應用程序開發。

郝文汐[18]結合用戶充電流程和用戶調查分析，分析了APP服務流程的關鍵節點，總結出改進后的APP基本功能。

尹靜文等[19]結合電動汽車充電樁充電費用結算實現方式，設計了射頻識別智能卡結算系統，利用射頻通信收發芯片實現非接觸式智能卡讀寫功能。通過通信接口讀取充電數據，并借助標準串行通信接口與控制器之間實現信息交換，具備智能卡識別、信息讀寫、消費金額計算等三重功能。

鄭業爽[20]設計了基于PLC的停車場智能監控系統，通過記錄充電樁電源開關的使用情況來反映剩余電動汽車車位數量。

3.5盈利模式探討

國外充電樁的建設相對來說較為完善。英國政府在倫敦投資建立了數十個免費汽車充電站，以滿足電動汽車的充電需求。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充電樁，并且使用費用低廉。但是從行業的長遠健康發展來看，行之有效的電動汽車充電設施盈利模式仍是急需解決的問題。

畢軍[21]結合充電站運營特點，充分考慮充電樁服務水平、用戶排隊時間、充電分布狀況和運營商運營利益等因素，以最大化實現充電站運營商的綜合效益為優化目標，提出了電動汽車充電分配模型。

許燕等[22]以漕溪站電動汽車充電站為研究對象，從技術和商業運營角度提出了充電設施和電動汽車的現有矛盾是分布式能源微網供給側和用戶需求側的不匹配，結合漕溪站內現有儲能設施情況，以分布式能源作為該方案的核心技術，方案收益和國家補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汽車充電站充電服務智能微網的前瞻性。

王珣[23]提出了電動汽車充電服務產業縱向一體化的觀點，并通過分析電動汽車充電樁運營商與設備制造商之間的供應鏈模式、利潤分配博弈等相關因素，得出“上下游合作程度越大充電樁產業的總體利潤越大，促進電動汽車充電產業縱向一體化合作是充電樁產業發展的必然要求”的結論。

4.結論及展望

電動汽車充電設施的發展隨著電動汽車的發展不斷擴張，其建設成本與現實收入不匹配等現狀也值得我們在憧憬充電行業繁榮前景的同時予以關注與探索。本文分析了充電設施的市場發展趨勢，總結了幾種充電模式及對應的發展情況，從充電設施的系統設計、充電設施建設的布局規劃、能源供給及電網接入、應用程序開發以及盈利模式探討等幾個方面闡述了中國充電設施的發展現狀及前沿研究動態，為后續的相關研究提供了一定的參考價值。

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