“新基建”背景下电动汽车充电桩的布局方法分析

李忠　谢良甫　朱丽玲

摘 要：随着新能源汽车的发展，充电桩车桩比较高、利用率低、故障率高等因素成为制约其发展的重要因素。本文简单介绍了充电桩特点，着重从充电需求、用户出行规律、法规及经济因素等多个维度分析了充电桩布局需要考虑的因素，并给出4点合理化建议，以提高充电桩质量水平及利用率，加快车网融合布局，促进电动汽车充电桩产业的发展。

关键词：电动汽车 充电桩 充电桩布局 充电需求

Analysis on Layout Method of Electric Vehicle Charging Pile under the Background of “New Infrastructure”

Li Zhong，Xie Liangfu，Zhu Liling

Abstract：With the development of new energy vehicles， the factors of high charging pile， low utilization rate and high failure rate have become important factors restricting their development. This paper briefly introduces the characteristics of charging pile， emphatically analyzes the factors to be considered in the layout of charging pile from multiple dimensions such as charging demand， user travel law， laws and regulations and economic factors， and gives four reasonable suggestions to improve the quality level and utilization rate of charging pile， accelerate the integration layout of vehicle network and promote the development of electric vehicle charging pile industry.

Key words：electric vehicle， charging pile， charging pile layout， charging demand

1 引言

随着传统能源的枯竭与环境污染问题的加剧，电动汽车受到了越来越多的关注。国内电动汽车充电站的发展迅速，2021年，中央财经委员会第九次会议对推动碳达峰、碳中和作出了系统部署，为电动汽车的发展带来了新的机遇。2020年5月，随着“新型基础设施建设”首次被写入政府工作报告，标志着“新基建”策略正式上升到国家战略层面。电动汽车充电桩产业是我国“新基建”的重要内容，电动汽车充电桩的规划与布局是电动汽车推广过程中至关重要的环节。

目前，充电桩建设及布局正在我国各大城市飞速发展以促进电动汽车产业的扩张。但是，电动汽车的发展和充电桩的建设存在不协调的问题，全国多数地区出现电动汽车充电难、排队时间长等问题，充电桩建设的不合理及数量少不足以满足电动汽车保有量的快速增长。有的地区只注重电动汽车保有量的增长而不注重充电桩等配套设施的建设，电动汽车的增速较快，但是充电桩的建设规模严重不足。有的地区由于人们对电动汽车的接受程度不是很高加上地方保护等原因，使得电动汽车的增长总体低于政府的预期值，造成充电桩和电动汽车充电需求的不匹配，有车无桩和有桩无车的现象并存。另外，在充电桩建设中，由于缺乏经验，没有充分考虑充电桩建设多种影响因素，充电桩布局不合理，利用率低，通用性较差等问题经常出现。充电桩利用率低、故障率高、地区分布不均匀等问题成为制约整个产业发展的重要因素。

2 充电桩特点

据中国电动汽车充电基础设施促进联盟数据，截止2021年9月底我国新能源汽车保有量为678万辆，充电桩保有量222万台，其中公共类充电桩81.1万台，整体车桩比达到3.05：1，呈现出车多桩少的现象。近几年我国的车桩比呈现出逐渐下降的趋势，从2017年的3.43：1下降至2021年9月的3.05：1，虽然目前车桩比高的情况有了一定程度的缓解，但是充电桩存在着利用率低、故障率高、地区分布不均匀、用户寻桩困难、充电接口不兼容等问题，充电设施与配套的社会环境及协同机制尚未形成，与新基建战略地位相适配的行业智慧化管理水平仍待提高，制约了其发展。

电动汽车的充电桩应提供不同的充电方式和充电接口，以满足不同类型的電动汽车的充电需求。按照充电方式的不同，可以将电动汽车分为交流充电站、直流充电站。交流充电站充电的速度较慢，但占地面积小，布点灵活等，能够应用在企事业单位、居民小区等场所。直流充电站充电速度较快，输出的功率也较大，可以建设在购物中心、游览区等区域[1]。

3 充电桩布局考虑因素

充电桩布局受充电需求、用户出行规律、法规政策及经济因素、周边交通情况以及电网建设情况等因素的影响，其中充电需求对充电桩的分布和规模影响最大，是最主要的因素。

3.1 充电需求分析

充电需求受到电动汽车的数量、行驶距离、电池蓄电里程等多种因素的影响。在了解充电需求的分布以及总量的前提下，可以进一步进行充电桩的选址工作。

电动汽车充电需求分析主要包括基于用户出行特征的分析法和基于充电桩历史数据的分析法两种。基于用户出行特征的分析法一般根据电动汽车用户的出行规律拟合行驶距离及起止时间，从宏观上建立时空转移模型，考虑出行特性，进行路径模拟，得到充电需求。出行特性主要包括百公里耗电量、停车分布、出行时刻、日行驶距离、荷电状态等因素。文献[2]考虑了路况拥堵因素的影响，提出一种基于聚类分析的电动汽车充电需求分析方法。通过对行驶里程和行驶时间的出行特征数据进行聚类分析，考虑不同路况条件下道路拥堵因素的影响，并叠加到负荷预测模型中，实现电动汽车充电需求的准确预测。文献[3]考虑了多类型电动汽车充电需求，通过起始荷电状态、日行驶里程、充电时间等充电影响因素计算充电需求。

基于充电桩历史数据的分析法一般基于充电桩的历史充电数据，通过一些数据驱动的方法，如人工神经网络法、相似日法、支持向量机法等，对电动汽车的需求进行建模和预测。文献[4]为了解决目前充电桩数量有限、布局不合理等因素造成的历史充电数据和实际充电需求问题不匹配的问题，对预测区域进行网格划分，然后以网格为空间预测单元，利用预测指标和充电桩历史数据，通过BP神经网络算法建立电动汽车充电需求和各影响因素之间的函数关系，实现电动汽车充电需求分析及预测。文献[5]考虑了实际的交通分布数据和天气数据，对流量模式进行聚类分析、为了识别影响因素进行关系分析，采用决策树建立分类标准，提出了一种基于大数据技术的电动汽车充电需求预测模型。考虑到实际的交通模式和充电开始时间，以夏季、冬季工作日和周末的电动汽车充电需求为例，展示了住宅和商业场所电动汽车不同的充电负荷分布。

3.2 用户出行规律

电动汽车用户的行车驾驶习惯、行车路线、行车时间及行驶里程、出行次数等因素都会影响电动汽车的充电需求，进而对电动汽车充电桩的布局造成影响。用户的出行规律可以通过两种方式来获取，一种是对某一区域的用户进行调查来采集电动汽车信息，一种通过国家新能源汽车监管平台的云端数据得到。通过提取这些信息的特征函数，然后利用基于数据驱动的方法进行仿真可以获得电动汽车用户的充电需求分布。

3.3 法规政策及经济因素

法规政策因素是影响充电桩布局的重要因素，目前国家大力推广电动汽车充电桩的发展，国家各部委与地方政府都出台了一些法规政策，对充电基础设施的财政补贴力度很大[6]。近年来，随着电动汽车行业的迅速发展，各国在电动汽车充电站的建设方面，都在紧锣密鼓地进行着。美国白宫于2016年7月宣布了一项新的财政政策，为加大力度推动新能源汽车产业的发展，扩大了充电桩的贷款担保计划。美国能源部计划将提供45亿美元的贷款担保来支持和逐步推动电动汽车充电桩的建设和布局。2008年至2015年，美国电动汽车的电池成本下降超过了70%，充电站的数量从500座增加到超过16000座，大大促进了电动汽车产业的发展。目前，就美国的电动汽车快充装置网络，美国能源部和交通部达成了合作协议，以推动电动汽车充电桩全国范围内的整体布局，为美国快速发展的电动汽车产业提供支撑。为了推动电动汽车的普及，日本政府很早就颁布了充电桩建设政策和补助措施。2013年7月，日本的四大汽车公司——丰田汽车、本田汽车、东风日产和三菱达成了合作协议，建立了四大公司的“一卡通”，实现充电桩配置以及构建便捷充电网络服务一致。2014年5月，日本统一的充电服务公司成立，由日本的电力公司、各大汽车厂家及一些金融机构组成了这个服务公司。2020年之前日本建成了200多万个充电桩，为电动汽车的发展提供基础，实现一半新增的汽车是新能源汽车的目标。欧洲地区在2012年的充电站数为7250，2019年达到310多万座。德国、法国以及英国等国家电动汽车的销量较高，其电动汽车充电站的需求较大，对充电桩产业的快速发展提供了很多政策支持。政府通过法规及补贴政策的制定可以引导充电站行业的合理发展，进一步影响充电桩的布局。

经济因素也是影响充电桩布局的重要因素。充电桩建设前期投资成本高，回报周期长，耐压性和保护方式要求高，对电网的要求较高。充电桩建设前期投资成本主要包括占地成本、运营维护成本，主要通过电价差以及相关服务费来获取收益。充电桩作为基础设施具有商业性，不可能单纯依靠国家政策补贴，只有投资回报达到商家预期才能促进社会资本进入电动汽车充电设施建设，更好的推动电动汽车的普及[7]。

3.4 交通因素

电动汽车充电桩附近交通因素直接影响用户便利性，在路网密度高、路径通畅的地方建立充电桩，其利用率就高。选择寻找充电桩时间和用户等待时间来描述用户便利性，寻找充电桩时间越短意味着用户在路途中花费的时间越少，说明充电桩分布越广泛。用户等待时间越短，说明充电桩足够该区域的用户使用。在人口密集、城市交通枢纽、公共场所等地方建设充电桩，有利于增加用户便利性，提高利用率[8]。

3.5 电网建设情况

电动汽车主要依靠電网提供能源，快速直流充电时功率大、电流大、充电电压高，对电网的要求较高，快速充电设备复杂，会产生大量的电网谐波。电动汽车充电方式不同，直流快速充电、交流常规充电、无线充电对电网电压和电流要求不同，对电网的影响不同。大量的电动汽车同时充电也会对电网造成冲击，在一个地区当有大量的电动汽车以不同的充电方式同时接入时，会造成电网超负荷，严重时损坏电网，发生故障导致停电。为了避免这种情况，在进行电动汽车充电桩布局时，需要考虑到当地电网的容量，能不能承受同时充电对电网造成的冲击[9]。

4 电动汽车充电桩布局建议

4.1 优化充电桩建设区域布局

近年来，充电桩产业发展迅速，政府鼓励因地制宜加大电动汽车充电基础设施建设，但是目前充电设施的使用存在有固定时点排队，拥挤的现象。拥堵现象主要发生在上午9点到下午3点之间，公交车及出租车的交班时，也会发生充电桩排队的现象。充电桩合理发展、优化布局具有十分重要的意义，场地资源影响着充电桩的科学布局，为了盈利需求，充电桩建设者通常会选择在土地资源和通电成本较低的地方，在土地成本和通电成本高的地方，充电桩的建设较少，这将导致充电桩供需的区域不平衡，为了解决这个问题，可以利用一些现有的停车场地在土地成本高的区域建设充电桩，优化充电桩建设区域布局。如鼓励医院、银行、国企、学校等单位，在原有的停车场地扩大电动汽车充电桩的建设;简化公共停车场充电桩建设的审批流程，为公共停车场增加充电桩建设提供便利。

4.2 协商制定补贴政策

为了加快电动汽车充电桩的建设，各地均颁布了相应的补贴政策。2020年5月，上海颁布了《上海市促进电动汽车充（换）电设施互联互通有序发展暂行办法》，支持在居民区建设智能充电桩，对支持自（专）用桩共享改造的小区物业给予500元/桩的补贴。充电桩按建设金额的50%标准给予补贴。综合考虑出租车因油改电带来的成本增加和潜在运营损失，按度电0.4元（2020年）补贴给出租车驾驶员。上海市给予每位新能源汽车消费者5000元补贴。上海市根据公共充电桩、专用充电桩和换电设施给予充电基础设施分度电的充电量补贴。2020年2月18日，深圳出台《深圳市2019-2020年新能源汽车推广应用财政补贴实施细则》，减免新能源汽车停车费，符合准停类型的新能源汽车每日免首2小时临时停车费，并按照充电设施装机功率，给予直流交流充电设备不同标准的建设补贴。北京对充电基础设施运营进行补贴，日常奖励标准为0.1元/千瓦时，上限为1500千瓦时/千瓦·年。对单位内部的充电桩也分等级进行了相关补贴。广西明确提出在一些政府建设的公共停车场，实行对电动汽车停车费减半的政策。参考上述政策，后续相关部门和地区可以协商制定更具有普适性的优惠政策，并鼓励一些充电平台和企业加入政府合作单位，联合制定政策减免场内充电车辆的停车费用，降低电动汽车充电成本。

4.3 均衡公共场所快慢充建桩比例

慢速充电桩是在现有居民供电体系的基础上，使用5-10kW功率量级的充电器转换成直流，或者直接使用交流慢充桩，对汽车内电池进行充电，充电时间较长，需要花费7-8小时。直流快充桩半小时能充电池80%的容量，一般为大功率直流充电。在公共场所，电动汽车用户希望充电时间越短越好，一方面可以节省时间，一方面停车充电时需要缴纳停车费，快充桩的需求更大。但是直流快充桩需要配套如转换交流直流电的电源装置，安装成本高，维修复杂，电流大对电网冲击大;而慢充桩充电电流和功率都较小，对新能源车电池的使用寿命影响较小，对电网的冲击压力也不大。基于电动汽车快慢充电桩的上述特点，在“新基建”之一的公共充电桩建设中，适当增加快充桩数量，均衡公共充电桩的快慢充建桩比例，如使其大致接近为一比一。

4.4 建立充电桩信息管理平台

目前由于充电桩服务企业不同、型号各异，出现了较多电桩不匹配、利用率低、重复建设等问题，普遍存在找不到公共充电桩、充电车位被占用、充完电车辆没有及时移开、没有在规定车位上充电（如一辆车占两个车位）等现象，为了促充电桩资源优化配置，构建充电桩的信息管理平台十分必要。作为配电网的电动汽车充电桩，其结构的特殊性决定了其通信系统的特点，其通信方式往往和配电网自动化一起综合考虑，应该考虑通信的可靠性、建设费用、多业务的数据传输速率及通信的灵活性和可扩展性。随着智能电网建设的逐步深入，需要电力通信实现更大范围以及更灵活的接入。通过通信信息采集和信息监管平台定期检查充电桩是否故障，如有桩无枪线、充电设备显示不明显等问题，及时做好设备维护。利用大数据技术及人工智能技术，将不同生产商的充电桩信息如位置、分布，充放电信息、故障情况等纳入充电桩信息管理平台进行统一监测，进行充电桩的布局分析、用户行为分析、充放电数据统计以及故障维护。

5 总结与展望

本文首先对电动汽车充电桩的特点及存在问题进行了简单介绍，然后从充电需求、用户出行规律、法规及经济因素等多个维度分析了充电桩布局需要考虑的因素，并提出4点合理化建议以提高充电桩质量水平及利用率，加快车网融合布局。

参考文献：

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[2]王睿，高欣，李军良，等. 基于聚类分析的电动汽车充电负荷预测方法[J].电力系统保护与控制，2020，48（16）：43-50.

[3]AZHAR U H，CARLO C，SAADANY E. Probabilistic modeling of electric vehicle charging pattern in a residential distribution network[J].Electric Power Systems Research，2018，10：126-133.

[4]袁小溪，潘鸣宇，段大鹏，等.基于网格划分的电动汽车充电负荷预测方法[J].电力科学与技术学报，2021，36（3）：19-26.

[5]ARIAS M B，BAE S. Electric vehicle charging demand forecasting model based on big data technologies[J]. Applied Energy，2016，183：327-339.

[6]张冰，杜 慧，马玉泽，等.“新基建”促西安电动汽车充电站行业高质量发展研究[J].中国能源，2021，（2）：74-77.

[7]郭磊，王克文，文福拴，等.电动汽车充电设施规划研究综述与展望[J].电力科学与技术学报，2019（3）.

[8]王雯.北京市电动汽车公共快速充電设施选址问题研究[D].北京交通大学，2019.

[9]闻慧洁.多种类多规模纯电动汽车充电站选址问题研究[D].北京交通大学，2019.