城市充电设施网络规划方法与实践

葛 亮 ,林莉贤 ,单肖年

(1.雄安新区建设工程质量安全检测服务中心,雄安 071700;2.交通运输部规划研究院,北京 100028;3.河海大学土木与交通学院,南京 210024)

为降低机动车能耗及污染物排放总量,我国于2009 年开始实施“十城千辆节能与新能源汽车示范推广应用工程”,大力发展节能与新能源汽车[1]。截至2021 年年底,全国汽车保有量达3.02 亿辆,新能源汽车保有量达784 万辆,纯电动汽车保有量达640 万辆,且2021 年全国新注册登记新能源汽车占新注册登记汽车总量的11.25%,新能源汽车渗透率不断提升[2]。按照适度超前原则明确充电基础设施建设目标,到2020 年新增集中式充换电站超过1.2 万座,分散式充电桩超过480 万个。截至2021年年底,我国公共及私人充电桩保有量总计超过260 万台[3]。

科学合理的城市充电设施网络规划是充电设施建设的前提条件,现有关于充电设施网络规划研究多关注配建充电桩的相关要求,且较多研究城市公交车及出租车充电设施规划[4-5]。另外现有充电设施网络布局规划一般局限于基础设施的建设,缺乏对场景应用及运营服务的协同考虑[6-7]。在剖析城市充电设施网络发展现状的基础上,本项目提出城市充电设施网络规划的基本思路,并进行案例分析。研究成果对促进城市充电设施网络的科学发展具有重要价值。

1 城市充电设施网络布局规划方法

1.1 城市充电设施网络发展现状

某市2020 年全市总人口为824.73 万人,全市常住人口为720 万人,城镇化率约为64%,城镇化进程仍在加速发展。自2016 年以来该市大力发展风电项目,引入近海风发电和远海风发电等项目,目前新能源发电量占全市社会用电总量近50%。在交通基础设施方面,2020 年该市公路总里程超过24 600 km,2016 年至2020 年该市电动汽车保有量从不足4 000 辆增至1.2 万辆左右,电动汽车发展态势迅猛。在充电设施布局方面,市域范围内充电设施2 km 服务半径如图1 所示,市域充电设施普遍分布在各县区核心区,多数区域仍处在充电站2 km 服务范围之外,同时市中心城区共设有充电站67 处,其中国家电网充电站占比超过50%,全市尚未形成统一的充电设施服务网络体系。

该市中心城区既有充电设施网络布局主要问题为:充电设施总量有待提升,现有充电站67 处,充电桩不足1 000 根,2 km 站点覆盖率不足50%;充电设施空间分布不均衡,中心城区充电站由多家公司分别建设,选址规划缺乏整体考虑,空间分布极不均衡,且现有充电站主要以路外充电设施为主,缺乏路内充电设施;充电设施损坏率较高、利用效率偏低,单根充电桩日均利用时间低于2 h。另外当前城市充电设施网络运营服务能力显著不足,因首批电动汽车已到使用周期末期,车辆运行安全风险大,对充电设施运营服务安全保障需求高。城市充电设施由多个主体运营,缺乏头部企业引领作用,在设备更新换代和运维管理方面能力参差不齐。

1.2 充电设施网络规划基本思路

总结城市充电设施网络规划的基本思路,主要包含以下3 个方面。

(1) 如何预测城市充电设施需求总量。既要适度超前建设充电设施以支撑新能源汽车的发展,同时还须考虑设施建设的成本效益,不能无节制建设充电设施。合理把控城市充电设施规模有利于实现设施建设与投资运营的最大效益。

(2) 如何布设不同类型的城市充电设施。当前城市充电设施主要分为快充与慢充两种,针对不同土地利用特征及充电需求特征,应差异化配置充电设施,并进一步提出相关充电设施布局原则。

(3) 如何构建城市充电设施网络服务模式。城市充电设施建设完成后,设施的运营服务是重难点,应进一步提出面向政府管理、企业服务及用户需求的多维度城市充电设施网络运营模式。

2 城市充电设施需求预测

2.1 技术路线

为准确预测城市充电设施的需求总量,拟按照“车辆规模”→“资源约束”→“设施需求”的思路展开,新能源汽车充电设施需求预测技术路线如图2所示。

车辆规模:收集分类型道路交通汽车保有量相关数据,剖析不同类型道路交通汽车电动化适应性及政策导向,估计分类型道路交通汽车总量,进一步结合汽车电动化率发展特征,评估分年度分类型电动汽车保有量。

资源约束:分析城市电力资源发展现状及规划目标,估计高峰时段电力资源负荷度特征,剖析城市停车设施资源发展现状及国土空间资源约束性特征,进而明晰资源约束对城市充电设施发展的作用路径。

设施需求:剖析分年度分类型电动汽车充电需求特征和分类型充电设施利用率特征,进而构建基于供需平衡的充电设施发展需求预测方法,设定分类型电动汽车车桩比指标情景,估算资源约束下的多情景充电设施需求。

2.2 电动汽车总量预测

城市道路交通汽车共分为3 大类9 小类:城市客货运汽车(公共汽电车、出租车、网约车和城市配送车辆)、公路营运汽车(载客汽车和载货汽车)以及非营运汽车(私人小汽车、单位小汽车和单位大客车)。基年2020 年估计的该市分类型汽车总量为964 291 辆,与公布的统计数据(967 848辆)相比,绝对误差为3 557 辆,相对误差仅为0.4%;预测2023 年、2025 年道路交通汽车总量分别约为147 万辆和165 万辆。

研究中设置分年度分类型的道路交通汽车电动化率估计,显示城市公共交通工具及城市配送车辆电动化发展趋势,分年度分类型汽车电动化率特征如表1 所示。基年2020 年估计的分类型电动汽车总量为7 949 辆,与公布的统计数据(8 104辆)相比,绝对误差为155 辆,相对误差不足2%;预测2023 年、2025 年电动汽车总量分别约为6.78 万辆和11.99 万辆,分年度分类型电动汽车保有量估计如表2 所示。2025 年私人小汽车及城市配送车辆比例均超过30%,出租车+网约车、单位小汽车比例均为11%;公共汽电车比例从2020 年的18%下降至4%,单位大客车比例从2020 年的11%下降至6%。同样可预测2023 年、2025 年该市中心城区电动汽车总量分别约为2.16 万辆和3.59 万辆。

表1 分年度分类型汽车电动化率特征 (%)

表2 分年度分类型电动汽车保有量估计 (辆)

2.3 充电设施需求估计

为估计城市充电设施需求总量,首先需要估计电动汽车电耗特征。研究中基于ASIF(activity、structure、intensity、fuel)计算框架,估计分类型电动汽车的运营里程和能耗因子,采用自下而上的方法估计各类型电动汽车耗电量。考虑电动汽车年度购置时间的差异性,设置电耗折减系数,根据2019 年电动汽车月销售量估计折减系数为0.86。估算得到2020 年全市电动汽车耗电量约为2.06亿千瓦时,中心城区电动汽车耗电量约为0.57 亿千瓦时,2020 年分类型电动汽车电量预测如表3所示。

表3 2020 年分类型电动汽车电量预测

同样预测该市中心城区2023 年、2025 年电动汽车耗电量分别约为1.98 亿千瓦时和3.31 亿千瓦时;预测市域2023 年、2025 年电动汽车耗电量分别约为6.41 亿千瓦时和10.81 亿千瓦时。至2025年,市域及中心城区公共汽电车及城市配送车辆耗电量占比最高,其次为出租车及网约车。

进一步考虑空间约束,将分类型电动汽车划分为高中低3 种情景桩利用率特征,并估算不同类型电动汽车车桩比,突出快充与慢充的差异类型,各类型电动汽车车桩比特征如表4 所示。预测该市中心城区2023 年、2025 年充电设施分别约为12 700 个和19 800 个,其中配建设施分别约为8 100 个和12 400 个;预测市域2023 年、2025 年充电设施分别约为39 200 个和67 400 个,其中配建设施分别约为24 600 个和42 100 个;2025 年市域公共服务设施约为25 300 个,中心城区约为7 400 个。

表4 各类型电动汽车车桩比特征

3 城市充电设施网络规划实践

3.1 规划目标设定

未来城市充电设施网络将会呈现电动汽车群与智慧充电网的融合互动发展趋势,人工智能与多元场景深度交互,自动充电技术应用广泛,同时多元化的负荷与新微网互联互通,智慧停车与智能充电相辅相成。至2025 年,该市充电设施网络规划目标具体阐述如下。

目标1:设施网络安全、高效、多用。逐步建成层次多样化的城市充电设施网络,保证设施作用电池及电网安全有效,满足用户时间和空间诉求目标,目标着重表现在充电设施的建设及安全性评价。

目标2:运营服务便利、优质、可靠。建立政府运营服务数据及监管平台,拓展企业服务模式向精细化及多元化方向发展,构建面向用户需求的个性化服务模式,目标着重表现在设施建设完成后的多维度主体运营服务要求。

目标3:场景特征智慧、生态、自动。打造电动汽车群管群控智慧化平台,促进三网融合实现全环节生态贯穿,示范车辆行驶、停车及充电全自动,目标着重表现在设施服务场景的智能化、绿色化及协同化特征。

3.2 布局规划

布局规划总体按照“需求导向、分区分类、差异配置”的城市充电设施布局原则展开。

(1) 路外公共充电设施:以社会停车场、公交停保场、公交首末站、出租车停靠点为主,布设“快充+慢充”的充电设施。

(2) 路内公共充电设施:结合学校和商场等有临时停车需求的用地设置,布设以快充为主的充电设施。

(3) 配建充电设施:结合居住小区、办公单位以及公建地块等设置,布设以规模控制、快慢结合、以慢为主的充电设施。

在市域层面充电设施布局上,充电设施沿着规划的高速公路和干线公路呈现走廊型布局[8],具体是在高速公路沿线的服务区布置以快充为主的充电设施,同时在干线公路沿线加油站设置快充充电设施。

市中心城区充电设施布局表现为:各类新建建筑按照标准100%预留充电桩位置,已建建筑以车位总数的10%预建充电桩,新建建筑以车位总数的15%预建充电桩,公建地块充电设施建议对外共享以提升充电设施利用率。

中心城区路外公共充电设施布局应充分满足本市中心城区电动汽车出行需求,充电设施点位的规划布局与土地利用相适应,在设置停车设施时应首先考虑近期落实的难易程度和需求大小;充分结合现有停车场资源设置,充分利用闲置边角地带或将旧有场地适当改建利用。充电设施结合实际需求原则,其中公交充电站和路外公共充电站主要采取以快充为主、慢充辅助相结合的形式,出租车及路内充电设施采用快充形式;公共充电站是配建充电站的补充和调节,它的分布应当根据服务对象确定,将其重点设置在综合性商业体、服务和活动中心、学校以及公园等公共建筑附近[9]。充电站布局不单以满足充电需求为目标,还须综合考虑社会经济、道路交通条件、土地开发利用和环境等多种因素,布局力求就近、分散、方便的原则;遵循“远近结合”的方式,充分考虑规划公共充电站实施的可行性,既要满足近期要求,又要为远期发展留有余地。规划设置充电站103 处,合计充电桩6 401 个,市中心城区路外公共充电设施布局规划如图3 所示。

3.3 网络运营服务

城市充电设施网络运营服务的规划体现在满足对政府、企业及用户的多维主体需求上,具体要求如下。

(1) 面向政府的城市充电设施网络数据及服务监管平台:平台系统是支撑整个电动汽车充放电业务的核心组成部分,也是电动汽车和互联网、智能电网实现深度融合的平台。平台按业务架构划分为业务接入、业务支撑、数据交换、系统集成和增值服务5 个方面;主要功能包含车辆监控、充电服务管理、用户中心、内容管理、基础管理以及开放集成平台等。

(2) 面向企业的城市充电设施精细化及多元化服务:汽车群充电系统产品模块化设计,所有功率模块可自由调配,既可以满足车辆快速补电需求,也能多路同时慢充,实现电池柔性充电。集中群管群控设备,实现功率模块、通信模块、并网模块一体化,预留未来扩展和增容条件,实现集中智能环控系统;构建新能源微网系统,实现光储充一体化,消纳现有城市光能和风能,构成该市新能源产业闭环;打通充电机和电动汽车之间一对多的充电通道,实现居民小区多车位充电功率共享;试点共享电动汽车运营模式,推动共享充电桩服务新模式。

(3) 面向用户的个性化充电设施服务模式:针对个体用户,构建一键式城市充电运营服务系统,系统信息包含状态、目的地、时长、价格、路线以及多方案比选等;针对公交公司,考虑分时电价并结合公交车出行规律,智能调度开启充电时机以及充电过程中不同输出功率,降低电网负荷、减少运营成本,提升经济效率;针对自动充电示范场景,车辆进入充电区域内,智动柔性充电弓与车辆会自动建立通信,通过近场通信技术确定车辆到位情况,自动进行通信对接、启动充电和费用结算,无须人为干预,实现自动驾驶车辆自动充电。

4 总结

本研究旨在探究城市充电设施网络规划方法,并以某市相关项目为具体案例进行实践。项目中剖析城市充电设施发展现状,指出当前城市充电设施普遍存在服务空间范围不足、运营服务多主体参与以及设施利用率不高等问题。对充电设施网络规划进行思考,包含如何估计充电设施需求、如何布设不同类型充电设施、如何提升运营服务模式。从车辆规模、资源约束、设施需求的角度,评估市域及中心城区充电设施及电耗需求特征,进一步提出城市充电设施网络规划的目标,按照“需求导向、分区分类、差异配置”的城市充电设施布局原则,提出市域和中心城区配建及路外充电设施布局规划,并从政府监管、企业服务及用户需求等维度提出多维主体的城市充电设施运营服务要求。