“雙碳”背景下電動(dòng)汽車充電基礎(chǔ)設(shè)施軟硬件發(fā)展趨勢(shì)研究

何 蛟，張謙然

（1.重慶內(nèi)陸開放高地協(xié)同創(chuàng)新中心，重慶400000；2.Valley Christian High school，The United Statesof America Stateof California95111）

1 引言

2020-09-22，習(xí)近平總書記在第75屆聯(lián)合國大會(huì)上提出中國二氧化碳排放力爭(zhēng)于2030年前達(dá)到峰值，努力爭(zhēng)取2060年前實(shí)現(xiàn)“碳中和”。能源是經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的重要基礎(chǔ)和動(dòng)力，交通領(lǐng)域的“電能替代”與“清潔替代”成為實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰、碳中和”的必經(jīng)之路，而電動(dòng)汽車的發(fā)展又是“電能替代”與“清潔替代”必有之路。按照IEA的統(tǒng)計(jì)，過去十年來隨著電動(dòng)汽車銷量的快速增長，電動(dòng)汽車占全球汽車總數(shù)的1%左右。在可持續(xù)發(fā)展情景（SDS）中，到2030年，全球汽車中的13%將是電動(dòng)汽車，2019—2030年間年均增長36%，未來電池電動(dòng)汽車約占全球電動(dòng)汽車銷量的3/4。作為電動(dòng)汽車的重要能源基礎(chǔ)設(shè)施，充電網(wǎng)絡(luò)也同樣正處于產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展的導(dǎo)入期，設(shè)施規(guī)模不斷擴(kuò)大。“碳達(dá)峰、碳中和”背景下研究電動(dòng)汽車充電基礎(chǔ)設(shè)施軟硬件發(fā)展的趨勢(shì)有著重要的意義。IEA預(yù)測(cè)2000—2030年電動(dòng)汽車在可持續(xù)發(fā)展情景中的份額如圖1所示。

圖1 IEA預(yù)測(cè)2000—2030年電動(dòng)汽車在可持續(xù)發(fā)展情景中的份額

2 電動(dòng)汽車充電基礎(chǔ)設(shè)施硬件與技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

2.1 充電基礎(chǔ)設(shè)施硬件

充電基礎(chǔ)設(shè)施硬件主要包括城市公共充電設(shè)施、城際快充站、集中式專用充電站和分散式專用充電樁等。公共充電設(shè)施與城際快充站一般為大功率快充設(shè)施，前者安裝在公共建筑物配建停車場(chǎng)、公共停車場(chǎng)等，后者分布在高速公路沿線服務(wù)區(qū)，面向普通公眾服務(wù)。大多數(shù)公共充電設(shè)施為專業(yè)化或商業(yè)化公司擁有，結(jié)合規(guī)模建設(shè)不同類型設(shè)施，如在交通干道建設(shè)快充，在商場(chǎng)等建設(shè)慢充，以營利為目的開展經(jīng)營工作。集中式專用充電基礎(chǔ)設(shè)施主要是安裝在公共交通、環(huán)境衛(wèi)生等特殊專門場(chǎng)站建設(shè)的專有充電站，集中式專用充電基礎(chǔ)設(shè)施可以根據(jù)服務(wù)對(duì)象的充電需求和特征進(jìn)行配置和優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)高效充電服務(wù)。分散式專用基礎(chǔ)設(shè)施一般分布在單位內(nèi)部、居民小區(qū)自有停車場(chǎng)內(nèi)，將用戶的車位或車庫中進(jìn)行改造建設(shè)，一個(gè)車位配置一個(gè)充電樁，以低功率慢充為主，部分配置快充。

2.2 充電基礎(chǔ)設(shè)施的充電技術(shù)

當(dāng)前，充電基礎(chǔ)設(shè)施的充電技術(shù)主要分為交流慢充、直流快充、直接更換電池與無線充電4種方式。交流充電方式是通過小電流即0.1～0.3 C，在相對(duì)較長的時(shí)間內(nèi)對(duì)電動(dòng)汽車的蓄電池進(jìn)行慢速充電。常規(guī)蓄電池一般均采用0.1～0.3C恒壓恒流三段式充電，充電時(shí)間一般需要5～10 h。一般功率為3～7 kW，特斯拉、比亞迪均有較高功率產(chǎn)品（國標(biāo)最高支持40 kW）；充電樁結(jié)構(gòu)簡單造價(jià)低，需要使用車載整流、散熱等設(shè)備。交流充電方式的優(yōu)勢(shì)在于充電設(shè)施及其安裝成本相對(duì)較低；利用低谷電價(jià)時(shí)段進(jìn)行充電，可大幅降低充電成本。交流充電方式的劣勢(shì)是充電時(shí)間相對(duì)較長，不能滿足電動(dòng)車緊急運(yùn)行的需求。

直流充電方式是指通過1～5 C較大電流在最快0.2～1 h的短時(shí)間內(nèi)，為電動(dòng)汽車進(jìn)行快速充電的一種方式。直流充電方式一般為大功率快充，40～450 kW；充電樁需要具備較復(fù)雜的整流、散熱、通信等功能模塊，造價(jià)較高。直流充電方式優(yōu)勢(shì)在于充電時(shí)間短，提高了充電的便利性。直流充電方式的劣勢(shì)包括對(duì)電動(dòng)汽車充電的效率偏低，直流充電的充電設(shè)施及安裝成本和充電成本較高，同時(shí)由于充電電流大，將影響電動(dòng)汽車電池壽命，還可能存在一定的安全隱患。快速換電車輛補(bǔ)電時(shí)間最短，一般在5～10 min內(nèi)；換電設(shè)備造價(jià)高昂，目前支持換電的車輛類型較少，適用于公交、出租等特定場(chǎng)合。快速換電的優(yōu)勢(shì)是電能補(bǔ)充不受時(shí)間地點(diǎn)限制，電池更換時(shí)間與燃油汽車加油時(shí)間相近。快速換電的劣勢(shì)包括造價(jià)昂貴、回收周期長、商業(yè)模式需要探索等。

感應(yīng)式充電，又稱無線充電或無線供電（Wireless Power Transmission），是以電磁場(chǎng)為媒介實(shí)現(xiàn)電能傳遞的供應(yīng)方式，受限于傳輸效率低、有效距離短、位置要求高、標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范不健全等因素限制，目前還不具備大規(guī)模實(shí)用的條件。

3 充電基礎(chǔ)設(shè)施的軟件平臺(tái)與服務(wù)體系

3.1 充電基礎(chǔ)設(shè)施的軟件平臺(tái)

充電基礎(chǔ)設(shè)施軟件平臺(tái)的組成部分有手機(jī)APP等智能終端、充電設(shè)施和服務(wù)器等云端數(shù)據(jù)處理器3部分組成。通過充電基礎(chǔ)設(shè)施軟件平臺(tái)可以向用戶、第三方充電運(yùn)營商和政府（監(jiān)管部門）提供客戶服務(wù)、資費(fèi)交易、清分結(jié)算、電子商務(wù)、查詢導(dǎo)航與預(yù)約充電、資源監(jiān)控管理和增值服務(wù)等服務(wù)內(nèi)容，具體如表1所示。

表1 充電基礎(chǔ)設(shè)施的軟件平臺(tái)建設(shè)

3.2 充電基礎(chǔ)設(shè)施的服務(wù)體系

充電基礎(chǔ)設(shè)施的服務(wù)體系由基本服務(wù)和增值服務(wù)組成，如圖2所示。基本服務(wù)包括充電服務(wù)以及相關(guān)的信息服務(wù)，做好基礎(chǔ)服務(wù)是充電運(yùn)營商增強(qiáng)核心競(jìng)爭(zhēng)力，構(gòu)筑競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)壁壘的關(guān)鍵。

圖2 充電基礎(chǔ)設(shè)施基本服務(wù)體系

3.2.1 基本服務(wù)

充電基礎(chǔ)設(shè)施的基本服務(wù)包括充電服務(wù)和信息服務(wù)。

充電服務(wù)。充電服務(wù)是指為各類電動(dòng)汽車提供安全可靠充足的電能補(bǔ)給服務(wù)。充電服務(wù)包括公共充電服務(wù)和專用充電服務(wù)，公共充電服務(wù)是為城際快充站和城市公共充電設(shè)施提供服務(wù)，公共充電服務(wù)又細(xì)分為臨時(shí)充電和計(jì)劃充電。

信息服務(wù)。通過客戶端提供信息查詢，包括充換電設(shè)施位置及狀態(tài)、充電預(yù)約、支付結(jié)算和綜合信息查詢等。

3.2.2 增值服務(wù)

在基本服務(wù)基礎(chǔ)上，充電運(yùn)營企業(yè)可為用戶、相關(guān)商家以及上下游產(chǎn)業(yè)方提供更多增值服務(wù)，充分挖掘各方的潛在價(jià)值，提高綜合效益水平。增值服務(wù)包括電子商務(wù)服務(wù)、電動(dòng)汽車綜合服務(wù)和電網(wǎng)互動(dòng)與中間商服務(wù)。

電子商務(wù)服務(wù)。電子商務(wù)服務(wù)通過引進(jìn)各種媒體與商家，形成市場(chǎng)平臺(tái)，提供公益和商業(yè)廣告等服務(wù)，為充電設(shè)施場(chǎng)地方提供客源引導(dǎo)服務(wù)等。

電動(dòng)汽車綜合服務(wù)。電動(dòng)汽車綜合服務(wù)向電動(dòng)汽車服務(wù)產(chǎn)業(yè)延伸，提供車輛銷售、售后、金融、保險(xiǎn)、租賃、停車等綜合服務(wù)。

電網(wǎng)互動(dòng)與中間商服務(wù)。電網(wǎng)互動(dòng)與中間商服務(wù)提供電動(dòng)汽車參與智能電網(wǎng)互動(dòng)的代理服務(wù)，以及參與電力市場(chǎng)、碳市場(chǎng)的交易經(jīng)濟(jì)服務(wù)。

4 結(jié)論

本文總結(jié)了充電基礎(chǔ)設(shè)施由硬件和軟件構(gòu)成與發(fā)展趨勢(shì)，硬件包括城際快充站、城市公共充電設(shè)施、集中式專用充電站與分散式專用充電樁4大類充電基礎(chǔ)設(shè)施。充電技術(shù)又包括直流慢充、交流快充、直接換電以及無線充電4種主要技術(shù)。軟件主要指配套的信息服務(wù)平臺(tái)。通過信息服務(wù)平臺(tái)可以引導(dǎo)優(yōu)化用戶充電行為，是提高用戶體驗(yàn)的關(guān)鍵所在，也是對(duì)接充電運(yùn)營商、用戶、車企、商場(chǎng)等和地方、政府等相關(guān)方的重要媒介，還是創(chuàng)新商業(yè)模式、拓展增值業(yè)務(wù)的基礎(chǔ)支撐。電動(dòng)汽車充電設(shè)施與網(wǎng)絡(luò)的快速將會(huì)有利于城市能源系統(tǒng)的快速升級(jí)，也將有利于“碳達(dá)峰、碳中和”戰(zhàn)略目標(biāo)落地實(shí)施。