新能源汽車分布式微型充電系統研究

文/王戴薇 呂祖軍

一、引言

中國政府為實現“2030 年碳達峰、2060 年碳中和”目標，在交通領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展。隨著充電式新能源汽車的迅速普及，充電設施短缺的問題逐漸顯現。充電設施布局不平衡、便利程度差、服務能力不足，充電樁建設的土地供應不足、成本高收益低、物業產權單位或管理單位拒絕合法充電設施建設申請的現象較多，嚴重阻礙了充電式新能源汽車的高效使用和進一步普及。[1-2]

為解決新能源汽車充電補能設施建設中存在的問題，加快提升充換電基礎設施服務保障能力，支撐充電式新能源汽車產業發展，國家發展改革委、國家能源局兩部委發布了《關于進一步提升充換電基礎設施服務保障能力的實施意見（發改能源規〔2022〕53號）》（以下簡稱《實施意見》）。各地方政府也出臺了相應的充電設施安裝補貼政策鼓勵充電樁建設。

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

本文就分布式微型充電設施的建設和運營做簡單探討，以期為有關部門完善新能源補能設施政策體系，建設新能源充電系統設施提供參考。

二、新能源汽車充電發展簡述

（一）充電形式和設備

充電式新能源汽車作為現階段我國主要的新能源汽車種類，其充電補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備，利用直流充電樁自帶交流轉直流整流模塊，將380V 交流電轉成高壓直流，不經過車載充電機（OBC）轉換，直接輸入電動車高壓電池包，電動車BMS 與直流充電樁做功能交互，使用電樁的直流電壓對車用動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，個別汽車廠商已經推出350kW 和500kW 的液冷大功率充電樁解決方案，并投入試點運行。

交流慢充作為新能源汽車的另一種充電式補能方式，是以交流充電設備為主，通過交流充電設備將電動汽車電網連接，為電動汽車車載充電機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，還需要連接電動汽車車載充電機，方可起到為電動汽車電池充電的作用。由于電動汽車車載充電機的功率一般都比較小，所以交流充電樁無法實現快速充電。現階段主要用于商用的交流充電設備功率為7kW，部分非商用交流充電設備可做到22kW。

充電設備尺寸因交直流充電方式、充電功率及生產廠家技術水平不同而差異巨大。直流充電樁設備的尺寸較大，以國家電網標準系列充電設備為例，其80kW 一槍一機設備尺寸達到1900mm×700mm×600mm。現有最先進的800V 直流充電樁保 時 捷EPT（Electric pit stop）充電系統，其充電終端尺寸約為300mm×300mm×2100mm， 但該系統還需同步建設一個FlexBoxes方可使用，FlexBoxes 尺寸達到1200mm×1200mm×1300mm。直流充電樁設備的自身尺寸較大，除設備安裝需要較大的空間外，設備采購安裝的價格也很高。國家電網80kW 一槍一機的單體設備采購費用約為3 萬元，而保時捷EPT 系統則由于采購量小，建設費用預估在8 萬元左右。

與直流充電設備不同，交流充電樁設備從技術本質而言僅是一個變壓設備，內部構造相對簡單，整體尺寸較小，如特斯拉提供的7kW 家用充電設備尺寸為380mm×160mm×140mm，重量僅有9 千克，可采用壁掛式安裝，而安裝完畢后的總價格僅為8000 元，遠低于直流充電樁。由于我國在新能源汽車配件領域具有較強的生產研發能力和規模優勢，市售的7kW交流充電設備的普遍尺寸小于400mm×300mm×200mm，單樁終端安裝成本可控制在2000 元以內，成本優勢顯著。

（二）充電體系發展現狀及問題

充電樁作為充電式新能源汽車的補能基礎設施，根據其終端用戶需求、建設運營成本差異和監管政策不同，存在多種建設運營模式，主要包括政府主導模式、企業商業模式、用戶自主模式。政府主導模式和用戶自主模式建設的充電樁多為7kW 交流樁，國有企業主導和純商業模式建設的充電樁多為20kW 以上的直流快充樁。我國雖然已經初步建立起新能源汽車充電補能設施體系，但仍存在一些問題。

首先從充電設備場地分布看，政府主導充電樁多建于國有產權的物業內，企業商業模式多建于核心商業圈，用戶自主模式則基本在所住小區，各類充電樁的分布并不均衡。

其次從充電設備建設運營情況看，政府主導興建的充電樁維護能力較差，使用率不高；商業模式興建的直流充電樁使用率高，但總體覆蓋面較低，且商業直流樁的建安成本高，部分直流樁建設需要對既有電力設施實施改造，實施過程復雜；用戶自建交流樁的日均使用率較低，使用對象單一，同時用戶自建樁的前期建設審批難度大，各地均有小區物業以電力設備荷載不足或安全問題為由不允許用戶建設的問題。

最后從充電設備建設主體來看，充電設施的建設多以企業和用戶個體為主。國家電網作為我國最大的電力供應商，參與充電設施建設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域的充電設施的覆蓋上推廣力度有待加強。除部分地區因政策要求需商業辦公樓開發商配建充電設施外，物業所有者極少參與公共充電設施的建設。

（三）用戶群體和消費特點

充電式新能源汽車的消費者根據使用狀況不同分為普通消費者和出租車運營者（出租車司機）兩類。兩類用車人群具有完全不同的充電補能需求，適用不同的充電補能體系。出租車司機作為充電式新能源汽車用戶中一類數量巨大的特殊人群，其對充電體系的主要要求是充電快速和價格合理。出租車司機充電地點和時間雖然不固定，但有一定的規律性，覆蓋核心商業場所、交通樞紐節點的具備24 小時服務能力的超級快充網點是出租車運營者的首選。

對于普通消費者而言，便捷、低價的補能充電體系是主要選擇，而在特殊場合如長途旅行時，超級快充則是其最佳選項。除農村居民和高端小區的住戶外，普通消費者日常生活小區和所在工作地點不具備大規模建設直流、大功率交流充電樁的硬件條件，可供選用的充電設施嚴重不足。

三、分布式微型慢充體系建設

2021 年以前，我國充電設施體系建設主要以大功率、超大充電設施建設為主，有效地推動了新能源車輛的普及，但我國幅員遼闊，地區差異較大，充電體系的形式也必須多樣。建立分布式微型充電系統是一種解決我國充電式新能源汽車補能問題的有效手段，應當進行大力推廣。

《實施意見》提出的“加快推進居住社區充電設施建設安裝，創新居住社區充電服務商業模式”，為分布式微型充電系統建設發展帶來新的機遇。

（一）分布式微型充電系統

分布式微型充電系統是指利用車輛自帶1.5kW 隨車充電變壓器，接入由國家電網或電力分銷商進行集中管控和運營的受控插座進行充電的低功率交流慢充補能方案。

分布式微型充電系統的工作電壓為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量箱。

受控插座是在普通插座的基礎上增加插卡式或者非接觸式計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。

集中式分戶計量箱是將各受控插座的用電情況進行集中計量，并接入變壓器的設備，其功能主要是對各受控插座進行計量監控匯總、安全監控和分體電流集中轉接至變壓器。

（二）系統建設運營

分布式微型充電系統與傳統的政府主導、商業推廣或用戶自建補能運營組織模式不同，其強調以國企保障、商業參與、社區用戶共同參與的方式進行建設。國家電網作為電力的主供應商負責廉價電力的供應、地區運營商負責城市區域推廣和運營、社區物業負責配合系統覆蓋網點的建設和日常簡單維護。三方通過成立合資公司的形式在小區、商業樓宇間進行具體運營。

用戶通過購買國家電網電力消費額度充卡消費，合資公司以服務費的形式收取經營費用。用戶補能電費宜按照普通居民用戶用電單價進行結算，合資公司收取的服務費不宜超過0.1 元/度。

由于以合資公司方式運營，社區和運營商共享經營利潤，可有效推動分布式微型充電系統對小區、寫字樓以及其他公共設施區域的覆蓋，是符合《實施意見》中關于“充電運營企業或居住社區管理單位接受業主委托，開展居住社區充電樁‘統建統營’，統一提供充電樁規劃、建設、運營與維護等有償服務，提高充電樁安全管理水平和綠電消費比例。鼓勵‘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新。

（三）發展機遇和優勢

政策支持分布式微型充電系統發展的同時，我國新能源汽車推廣運用成績巨大，給分布式微充系統帶來巨大機遇，使其優勢更為顯著。

1.分布式微充系統的發展機遇。截至2021 年12 月底，我國新能源汽車累計銷量達到550 萬輛，2021 年更取得了近300 萬輛的銷售業績，使得充電設施需求進一步暴漲。從現有充電樁的使用數據來看，除了核心商圈、交通節點的充電設施日使用時間高于50% 外，普通區域的商業直流樁和交流樁，以及用戶自建7kW 交流樁的日均有效時間普遍偏低。因此政府部門繼續大規模、大范圍的建設直流充電樁和7kW交流樁的實際效果是有限的，同時場地、既有變配電設施，以及建設資金都無法滿足充電設施需求的暴漲。[5]在充電式新能源充電補能體系建設過程中急需一種改造簡單、占用空間小、投資少的充電解決方案，解決充電設施短缺的問題。而分布式微充系統恰好能有效解決上述補能系統建設過程中的痛點。

充電設施場地、資金受限給分布式微充系統發展帶來機遇的同時，充電式新能源汽車客戶群體的變化也讓分布式系統發展有了巨大變化。充電式新能源汽車發展初期，主要用戶群體為出租車和網約車，其中巡游出租車規模約在150 萬輛左右，加上網約車總數不超過300 萬輛。而按照政府規劃，我國在2025 年新能源汽車銷售數量占到汽車總銷量的20%，即達到700 萬輛。[6]因此在2025 年以后，普通消費者將成為我國新能源補能體系的主要群體，該類人群的主要特點是日均使用里程較短，車輛停放范圍相對固定。

北京交通發展研究中心的研究數據表明，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年按照車輛續航400 公里，日均出行里程達到80 公里計算，每日消耗的續航里程僅為總續航里程的20%。采用普通1.5kW 微型充電設備進行補能，用戶在家或單位日均補能8 小時，即可保持車輛滿續航狀態，這為分布式微充系統的建設提供了實施可行性。[7]

2.分布式微充系統的優勢。隨著新能源客戶群體的變化和分布式微充系統自身設備的特點和組織模式，使其較快充補能體系優勢顯著。

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

二是使用安全性高，操作簡單。分布式微充系統采用1.5kW低功率充電方式對人、車具有更高的安全性。在1.5kW 低功率充電時基本不存在設備過熱引發火災的危險。采用普通220V 工作電壓，較使用400V 和800v電壓等設備的日常維修更加簡單，普通電工經基本培訓后即可操作。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，對女性用戶更加友好。

三是建設成本低，收益高。分布式微充系統設備簡單，主要為受控插座和集中式分戶計量箱。現有市售刷卡式插座價格在100 元左右，含線纜安裝等其他費用的單個充電點位費用不超過200 元。而普通市售7kW 交流慢充樁設備費用在1000 元，安裝完畢的總成本約1500元以上。以滿足1000 戶需求的小區建設為例，分布式微充系統的前期建設成本僅需20 萬元，而7kW 交流慢充樁則需150 萬元，分布式微充系統具有明顯的成本優勢。因此在同等投資強度情況下，分布式微充系統可更為廣泛的覆蓋寫字樓、小區甚至道路。由于分布式微充系統單樁建設成本低，資本收益高，單個充電點位充電時長按日均4 小時計算，每千瓦時服務費按0.1 元計算，單樁年服務費收入為219 元，1 年即可收回投資。

四、總結

分布式微充系統作為新能源充電設施的硬件和組織模式的創新是《實施意見》的重要落實。在分布式微充系統的組織實施過程中，政府部門應及時完善新能源充電設施建設的政策，組織開展分布式微充系統的試點建設，推動我國“2030 年碳達峰、2060 年碳中和”目標的實現。社會各方特別是國家電網作為系統的主要參與者，應當發揮國有企業的社會擔當，加強能源供應保障，通過合理電價政策和利益分享機制，推動分布式微充系統在各類小區、寫字樓、學校等人員長時間生活工作場所的覆蓋，進一步構建完善超充、快充、慢充、微充等補能體系，滿足不同用戶群體需求，推動新能源汽車的進一步普及。

政府部門及時完善新能源充電設施建設的政策，組織開展分布式微充系統的試點建設，推動我國“2030 年碳達峰、2060 年碳中和”目標的實現。