新能源汽车分布式微型充电系统研究

文/王戴薇 吕祖军

一、引言

中国政府为实现“2030 年碳达峰、2060 年碳中和”目标，在交通领域大力推行新能源汽车，以充电式锂电新能源汽车为代表的绿色交通得以迅速发展。随着充电式新能源汽车的迅速普及，充电设施短缺的问题逐渐显现。充电设施布局不平衡、便利程度差、服务能力不足，充电桩建设的土地供应不足、成本高收益低、物业产权单位或管理单位拒绝合法充电设施建设申请的现象较多，严重阻碍了充电式新能源汽车的高效使用和进一步普及。[1-2]

为解决新能源汽车充电补能设施建设中存在的问题，加快提升充换电基础设施服务保障能力，支撑充电式新能源汽车产业发展，国家发展改革委、国家能源局两部委发布了《关于进一步提升充换电基础设施服务保障能力的实施意见（发改能源规〔2022〕53号）》（以下简称《实施意见》）。各地方政府也出台了相应的充电设施安装补贴政策鼓励充电桩建设。

但在中央及地方政府的各类政策文件中较多地鼓励大功率直流式充电设备的建设，对分布式微型充电方案的研究和政策引导较少。[3]

本文就分布式微型充电设施的建设和运营做简单探讨，以期为有关部门完善新能源补能设施政策体系，建设新能源充电系统设施提供参考。

二、新能源汽车充电发展简述

（一）充电形式和设备

充电式新能源汽车作为现阶段我国主要的新能源汽车种类，其充电补能方式以充电端口出输入电流形式的不同可分为两类，即直流快充和交流慢充。[4]直流快充以直流充电桩为主要设备，利用直流充电桩自带交流转直流整流模块，将380V 交流电转成高压直流，不经过车载充电机（OBC）转换，直接输入电动车高压电池包，电动车BMS 与直流充电桩做功能交互，使用电桩的直流电压对车用动力电池直接充电的一种充电方式。直流充电方式的充电功率一般较高，支持40kW、120kW、240kW 等多种高功率充电，个别汽车厂商已经推出350kW 和500kW 的液冷大功率充电桩解决方案，并投入试点运行。

交流慢充作为新能源汽车的另一种充电式补能方式，是以交流充电设备为主，通过交流充电设备将电动汽车电网连接，为电动汽车车载充电机提供可控的单向交流电源或三相交流电源的一种充电方式。交流充电设备（桩）本身并不具备充电功能，其只是单纯提供电力输出，还需要连接电动汽车车载充电机，方可起到为电动汽车电池充电的作用。由于电动汽车车载充电机的功率一般都比较小，所以交流充电桩无法实现快速充电。现阶段主要用于商用的交流充电设备功率为7kW，部分非商用交流充电设备可做到22kW。

充电设备尺寸因交直流充电方式、充电功率及生产厂家技术水平不同而差异巨大。直流充电桩设备的尺寸较大，以国家电网标准系列充电设备为例，其80kW 一枪一机设备尺寸达到1900mm×700mm×600mm。现有最先进的800V 直流充电桩保 时 捷EPT（Electric pit stop）充电系统，其充电终端尺寸约为300mm×300mm×2100mm， 但该系统还需同步建设一个FlexBoxes方可使用，FlexBoxes 尺寸达到1200mm×1200mm×1300mm。直流充电桩设备的自身尺寸较大，除设备安装需要较大的空间外，设备采购安装的价格也很高。国家电网80kW 一枪一机的单体设备采购费用约为3 万元，而保时捷EPT 系统则由于采购量小，建设费用预估在8 万元左右。

与直流充电设备不同，交流充电桩设备从技术本质而言仅是一个变压设备，内部构造相对简单，整体尺寸较小，如特斯拉提供的7kW 家用充电设备尺寸为380mm×160mm×140mm，重量仅有9 千克，可采用壁挂式安装，而安装完毕后的总价格仅为8000 元，远低于直流充电桩。由于我国在新能源汽车配件领域具有较强的生产研发能力和规模优势，市售的7kW交流充电设备的普遍尺寸小于400mm×300mm×200mm，单桩终端安装成本可控制在2000 元以内，成本优势显著。

（二）充电体系发展现状及问题

充电桩作为充电式新能源汽车的补能基础设施，根据其终端用户需求、建设运营成本差异和监管政策不同，存在多种建设运营模式，主要包括政府主导模式、企业商业模式、用户自主模式。政府主导模式和用户自主模式建设的充电桩多为7kW 交流桩，国有企业主导和纯商业模式建设的充电桩多为20kW 以上的直流快充桩。我国虽然已经初步建立起新能源汽车充电补能设施体系，但仍存在一些问题。

首先从充电设备场地分布看，政府主导充电桩多建于国有产权的物业内，企业商业模式多建于核心商业圈，用户自主模式则基本在所住小区，各类充电桩的分布并不均衡。

其次从充电设备建设运营情况看，政府主导兴建的充电桩维护能力较差，使用率不高；商业模式兴建的直流充电桩使用率高，但总体覆盖面较低，且商业直流桩的建安成本高，部分直流桩建设需要对既有电力设施实施改造，实施过程复杂；用户自建交流桩的日均使用率较低，使用对象单一，同时用户自建桩的前期建设审批难度大，各地均有小区物业以电力设备荷载不足或安全问题为由不允许用户建设的问题。

最后从充电设备建设主体来看，充电设施的建设多以企业和用户个体为主。国家电网作为我国最大的电力供应商，参与充电设施建设的深度和广度仍显不足，特别是在住宅、写字楼等主要人员工作和生活区域的充电设施的覆盖上推广力度有待加强。除部分地区因政策要求需商业办公楼开发商配建充电设施外，物业所有者极少参与公共充电设施的建设。

（三）用户群体和消费特点

充电式新能源汽车的消费者根据使用状况不同分为普通消费者和出租车运营者（出租车司机）两类。两类用车人群具有完全不同的充电补能需求，适用不同的充电补能体系。出租车司机作为充电式新能源汽车用户中一类数量巨大的特殊人群，其对充电体系的主要要求是充电快速和价格合理。出租车司机充电地点和时间虽然不固定，但有一定的规律性，覆盖核心商业场所、交通枢纽节点的具备24 小时服务能力的超级快充网点是出租车运营者的首选。

对于普通消费者而言，便捷、低价的补能充电体系是主要选择，而在特殊场合如长途旅行时，超级快充则是其最佳选项。除农村居民和高端小区的住户外，普通消费者日常生活小区和所在工作地点不具备大规模建设直流、大功率交流充电桩的硬件条件，可供选用的充电设施严重不足。

三、分布式微型慢充体系建设

2021 年以前，我国充电设施体系建设主要以大功率、超大充电设施建设为主，有效地推动了新能源车辆的普及，但我国幅员辽阔，地区差异较大，充电体系的形式也必须多样。建立分布式微型充电系统是一种解决我国充电式新能源汽车补能问题的有效手段，应当进行大力推广。

《实施意见》提出的“加快推进居住社区充电设施建设安装，创新居住社区充电服务商业模式”，为分布式微型充电系统建设发展带来新的机遇。

（一）分布式微型充电系统

分布式微型充电系统是指利用车辆自带1.5kW 随车充电变压器，接入由国家电网或电力分销商进行集中管控和运营的受控插座进行充电的低功率交流慢充补能方案。

分布式微型充电系统的工作电压为220V，最大充电功率为1.5kW，采用普通1.5 平方电线作为传输线缆，其核心部件为受控插座和集中式分户计量箱。

受控插座是在普通插座的基础上增加插卡式或者非接触式计量模块功能后改造而来的插座，用于随车充电变压器接入使用。

集中式分户计量箱是将各受控插座的用电情况进行集中计量，并接入变压器的设备，其功能主要是对各受控插座进行计量监控汇总、安全监控和分体电流集中转接至变压器。

（二）系统建设运营

分布式微型充电系统与传统的政府主导、商业推广或用户自建补能运营组织模式不同，其强调以国企保障、商业参与、社区用户共同参与的方式进行建设。国家电网作为电力的主供应商负责廉价电力的供应、地区运营商负责城市区域推广和运营、社区物业负责配合系统覆盖网点的建设和日常简单维护。三方通过成立合资公司的形式在小区、商业楼宇间进行具体运营。

用户通过购买国家电网电力消费额度充卡消费，合资公司以服务费的形式收取经营费用。用户补能电费宜按照普通居民用户用电单价进行结算，合资公司收取的服务费不宜超过0.1 元/度。

由于以合资公司方式运营，社区和运营商共享经营利润，可有效推动分布式微型充电系统对小区、写字楼以及其他公共设施区域的覆盖，是符合《实施意见》中关于“充电运营企业或居住社区管理单位接受业主委托，开展居住社区充电桩‘统建统营’，统一提供充电桩规划、建设、运营与维护等有偿服务，提高充电桩安全管理水平和绿电消费比例。鼓励‘临近车位共享’、‘多车一桩’等新模式”的政策要求的，是重大的组织模式创新。

（三）发展机遇和优势

政策支持分布式微型充电系统发展的同时，我国新能源汽车推广运用成绩巨大，给分布式微充系统带来巨大机遇，使其优势更为显著。

1.分布式微充系统的发展机遇。截至2021 年12 月底，我国新能源汽车累计销量达到550 万辆，2021 年更取得了近300 万辆的销售业绩，使得充电设施需求进一步暴涨。从现有充电桩的使用数据来看，除了核心商圈、交通节点的充电设施日使用时间高于50% 外，普通区域的商业直流桩和交流桩，以及用户自建7kW 交流桩的日均有效时间普遍偏低。因此政府部门继续大规模、大范围的建设直流充电桩和7kW交流桩的实际效果是有限的，同时场地、既有变配电设施，以及建设资金都无法满足充电设施需求的暴涨。[5]在充电式新能源充电补能体系建设过程中急需一种改造简单、占用空间小、投资少的充电解决方案，解决充电设施短缺的问题。而分布式微充系统恰好能有效解决上述补能系统建设过程中的痛点。

充电设施场地、资金受限给分布式微充系统发展带来机遇的同时，充电式新能源汽车客户群体的变化也让分布式系统发展有了巨大变化。充电式新能源汽车发展初期，主要用户群体为出租车和网约车，其中巡游出租车规模约在150 万辆左右，加上网约车总数不超过300 万辆。而按照政府规划，我国在2025 年新能源汽车销售数量占到汽车总销量的20%，即达到700 万辆。[6]因此在2025 年以后，普通消费者将成为我国新能源补能体系的主要群体，该类人群的主要特点是日均使用里程较短，车辆停放范围相对固定。

北京交通发展研究中心的研究数据表明，2011 年北京市的小型私家车的年均行驶里程为1.5万公里，折合日均50 公里。2025年按照车辆续航400 公里，日均出行里程达到80 公里计算，每日消耗的续航里程仅为总续航里程的20%。采用普通1.5kW 微型充电设备进行补能，用户在家或单位日均补能8 小时，即可保持车辆满续航状态，这为分布式微充系统的建设提供了实施可行性。[7]

2.分布式微充系统的优势。随着新能源客户群体的变化和分布式微充系统自身设备的特点和组织模式，使其较快充补能体系优势显著。

一是改造安装方便，适用性广。分布式微充系统的充电终端（受控插座）可采用壁挂式安装且末端占地面积小，改造建造简单；由于最大充电功率仅为1.5kW, 在建小区或者已建小区按户均1∶1 增加分布式充电桩，电力荷载均可满足使用，不会出现瞬间过载情况，无需扩建现有的配电设备。较7kW 交流充电和直流快充，分布式微充系统对老旧小区和写字楼具有很强的适用性。[8]

二是使用安全性高，操作简单。分布式微充系统采用1.5kW低功率充电方式对人、车具有更高的安全性。在1.5kW 低功率充电时基本不存在设备过热引发火灾的危险。采用普通220V 工作电压，较使用400V 和800v电压等设备的日常维修更加简单，普通电工经基本培训后即可操作。而分布式微充的充电枪体积小、重量轻，与笨重的快充枪相比，对女性用户更加友好。

三是建设成本低，收益高。分布式微充系统设备简单，主要为受控插座和集中式分户计量箱。现有市售刷卡式插座价格在100 元左右，含线缆安装等其他费用的单个充电点位费用不超过200 元。而普通市售7kW 交流慢充桩设备费用在1000 元，安装完毕的总成本约1500元以上。以满足1000 户需求的小区建设为例，分布式微充系统的前期建设成本仅需20 万元，而7kW 交流慢充桩则需150 万元，分布式微充系统具有明显的成本优势。因此在同等投资强度情况下，分布式微充系统可更为广泛的覆盖写字楼、小区甚至道路。由于分布式微充系统单桩建设成本低，资本收益高，单个充电点位充电时长按日均4 小时计算，每千瓦时服务费按0.1 元计算，单桩年服务费收入为219 元，1 年即可收回投资。

四、总结

分布式微充系统作为新能源充电设施的硬件和组织模式的创新是《实施意见》的重要落实。在分布式微充系统的组织实施过程中，政府部门应及时完善新能源充电设施建设的政策，组织开展分布式微充系统的试点建设，推动我国“2030 年碳达峰、2060 年碳中和”目标的实现。社会各方特别是国家电网作为系统的主要参与者，应当发挥国有企业的社会担当，加强能源供应保障，通过合理电价政策和利益分享机制，推动分布式微充系统在各类小区、写字楼、学校等人员长时间生活工作场所的覆盖，进一步构建完善超充、快充、慢充、微充等补能体系，满足不同用户群体需求，推动新能源汽车的进一步普及。

政府部门及时完善新能源充电设施建设的政策，组织开展分布式微充系统的试点建设，推动我国“2030 年碳达峰、2060 年碳中和”目标的实现。