纯电动汽车充换电技术创新与商业模式浅析

刘尚达

摘 要：随着新能源汽车技术的不断升级和充换电服务相关基础设施和行业标准的逐步完善，我国新能源汽车产业进入了高速发展期，多种新商业模式随之产生，通过介绍和分析新能源汽车充换电领域的发展现状和主要矛盾，针对不同发展阶段的主要特点预测了可能产生的新商业模式和该商业模式的主要特征，并预测了未来的发展方向。

关键词：纯电动汽车 充换电 充电桩

1 引言

随着国际地缘政治危机的加剧，传统化石能源成为了制约工业发展的关键因素，这也加速了世界各工业发达国家去化石能源行动的进程，具体到汽车工业领域，电气化成为了各汽车大国不约而同的选择，这导致逐年递增的电力需求对电力系统的“稳定性”和“恢复力”都提出了更高的要求，发展新能源汽车是我国从汽车大国走向汽车强国的必由之路，构建以新能源汽车为主体的新型电力系统，规模化的电动汽车能源应用，既是新的挑战也是新的机遇。目前大多数人只看到了新能源汽车对于传统车企和汽车服务企业的冲击，而忽视了电力系统容量这一基础因素对于新能源汽车普及和发展的限制，以及由此衍生出的全新商业模式。

2 推动纯电动汽车充换电技术发展的基础动力

2.1 双碳目标与交通电气化

2020年9月，习近平总书记在第七十五届联合国大会上宣布，“中国将提高国家自主贡献力度，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和。”伴随而来的是中国交通将实现全面电气化。目前中国的发展速度世界瞩目，工业发展是推动综合国力的重要动力，在不影响发展速度的前提下，大力推进电气化，必将带来一场能源消费的变革。

2.2 电力全面市场化

我国提出“构建清洁低碳安全高效的能源体系，控制化石能源总量，着力提高利用效能，实施可再生能源替代行动，深化电力体制改革，构建以新能源为主体的新型电力系统”。工商业用户全量入市交易，深圳等地开展直供电改革，大量新增主体涌入电力市场。纯电动汽车因本身所具有的大容量电存储能力，它的能量富余如果可以并入电网，将在电价平衡中起到关键作用[1]。

2.3 电动汽车拉动效应

实现碳中和目标要在满足经济社会可持续发展需求的前提下，以新能源为供给主体，优先考虑风、光、太阳能等绿色能量来源（在电力行业被称之为绿电），同时要满足应急保障需求。实现这一目标需要结合信息网络、大数据等多种技术手段来解决风光波动等技术问题，这也会催生出更多的新兴产业和与之配到的服务业。

3 充换电行业所面临的实际困难

3.1 用户方面

充换电时间长、充电场所少、充电桩故障率高、充电安全无保障等问题突出。尤其在二三线及以下城市更加明显[2]。对于大多数非一线城市居民来说，纯电动汽车只能是作为家庭用车的补充，而不能作为唯一的交通工具，即使是在一线城市，部分消费者购买纯电动车的目的也可能只是因为想要享受国家为了鼓励新能源汽车推广而暂时给与的优先上牌、现金补贴和税费减免等政策红利。自2023年起这部分政策红利都已经确定了终止日期，这部分用户也就自然而然的流失了。

3.2 电网方面

新能源汽车充换电对电网的负荷要求随机性大、无序、单向不可调。新能源发电“密度低”与用电负荷“高度集中”之间的矛盾导致新能源车用不上新能源电，根据国家智慧车联网技术有限公司车网互动中心预测，到2030年新能源日内最大功率波动接近5亿千瓦，超过当年常规总装机容量的23%。如果仍然依靠常规的电源进行调节的话，从技术角度讲已经很难达到平衡。急需大规模的储能技术和多种形式的需求侧资源来辅助达到电网平衡的目的。而电动汽车是目前可预见的需求侧增长最快的用电单元。目前新能源车的用电负荷与居民生活用电的负荷波动在时间上是高度一致的，结果将导致电网峰谷有最大负荷35%加剧至55%，“峰上加峰”的现象会更加严重，配电网运行压力不断加大。“储能”是目前已知解决这一问题的最直接且有效办法，但会带来高昂的成本，需要有长期稳定的盈利来平衡这一成本，无奈新能源汽车领域技术革新速度太快，存在太多的不确定性，很难保证有一个长期稳定的盈利。

3.3 运营商方面

审批困难、利用率低、营业模式单一、投资回报期长、技术更新迭代快。在换电运营体系里，电池投资占总投资的三分之二以上，但目前技术路线多样化，产业初期，技术创新活跃，如何在实现互联互通的前提下留下技术创新的空间；同时减少社会资源的重复投入；向后兼容，满足不同车型的充电需求。尽快完成电池资产的标准化和可流通体系建设，甚至完全的车电分离是未来提高资产流转效率，引进金融投资最重要的基础。

4 困难中所蕴含的商机

4.1 峰谷电差达60%

电网的总发电和总用电在同一时间必须相等，在无法储存的前提下，多余的电必须放弃掉，导致电网的发电资产闲置率达到了40%-50%，但在高峰期电量又不够用，所以近年间部分地区经常有“限电”的现象。为侧面解决这一问题，国家把电价分为峰、谷、平三挡，最高价差可达4倍 。在电价的低谷期充电，在电价的高峰期把富余的电能回馈给电网，有丰富的商业价值可以发掘，不仅是电动汽车可以完成这一资源流转，报废的回收动力电池也可以作为梯次储能的能量载体。

4.2 商用车获利潜力大

在商用车领域，首先是公交及重卡、其次是物流轻卡最后是网约车和公务车，此类车辆具有工作时间和使用场景固定的共同特点，更加符合电动汽车的使用特点，因此在电动化的普及上会优先于家庭用车，但这一市场并没有得到足够的重视，即使是在传统汽车领域，商用车也常常受到忽视，很多比较容易解决的问题仍然无人解决，比如重卡换电产业缺乏互换性标准体系，导致换电安全性无保障、电池接口不通用、通信协议不兼容等问题，始终无法形成互联互通的换电网络。而在充电站领域商用车对于空间和时间成本的要求更高，虽然需求稳定但增产空间比不上民用领域，少有资本愿意进入，反而使這一领域存在了比较大的市场空白和发展空间，竞争也相对较小。

4.3 私家车的主要活力方向为车网互动

国网智慧车联网技术有限公司副总经理王文在2022中国国际社区充电产业大会期间提到“通过社区有序充电参与电网互动，是目前最经济最具规模化推广条件的技术方案。电动汽车可通过社区有序充电、双向互动（V2G）方式实现与电网的互动，帮助电网削峰填谷，消纳清洁能源，让电动汽车成为真正的新能源车。”在这一过程中车主可以享受到电价差带来的收益，运营方可以通过保险、养护、网约车等服务产品线盈利。

5 电动汽车在电网系统中的重要作用

截止到2020年6月中国新能源汽车保有量已经突破1000万辆，根据中国汽车工程学会预测。2030年中国的新能源汽车保有量将达到8500万辆，2040年将突破3亿辆，2040年新能源汽车用电量增加2.68万亿千瓦时，占社会总用电量的17%，日充电功率可达5.87千瓦。这就意味着，新能源汽车用电将成为电网系统发展过程中不得不重点考虑的关键因素。

5.1 电动汽车可成为新型电力系统最经济的可调资源

随着电动汽车续航能力不断增加，将是一类非常好的移动储能资源，可以在电源侧和负载侧充分发挥“电力海绵”的作用。在电源侧如果把比例控制在10%-20%的住宅小区电动车参与双向充放电，则本地配电就不需要增容。在负荷侧响应方面，如果在2030年50%的电动汽车参与电网互动，可形成调峰时段1亿千瓦的调节能力[3]。从充电特性分析，电动汽车用户在居住区或者工作地一般停留时间较长，平均达到3小时以上，可控比达到30%，呈现出“充电时间有弹性、充电行为可引导”的特征，通过市场和技术手段，可实现电动汽车与电网互动。

5.2 电动汽车助力新型电力系统建设的创新实践

2020年以来国家电网智慧车联网技术有限公司通过智慧车联网平台运营系统聚合电动汽车资源，实现了错峰能力最大化，电量影响最小化。通过平台聚合充电桩27.6万个，可调容量520万千瓦，累计削峰响应91次。2022年入夏以来以江苏省为例，组织电动汽车充电桩参与实时需求响应削峰功率1.5万千瓦，解决江苏省用电负荷缺口0.5%。虽然占比不大，但新能源汽车还处于发展初期，按目前发展速度可以预测2030年，全社会充电桩参与迎峰度夏，预计削峰能力可以达到3000万千瓦。

6 新型商业模式分析

随着电动汽车数量的增长，根据电能的需求和电网的承载能力，充换电领域的发展进程可划分为三个阶段，第一个阶段为充的时代，也是我们目前正处于的阶段，在这一阶段纯电动汽车的数量并不多，对于电网的冲击并不大，利用目前电网的功率储备可以满足用户的充电需求，此阶段的充换电商业模式主要由充电桩的设计和研发方即车企来主导，少数电动车头部企业在行业内具有很大的话语权，比如特斯拉的超级充电站，在技术上设置了比较明显的壁垒，用来阻止第三方服务企业的进入，但随着产品保有量的增加，和行业间竞争的加剧，充电桩的建设成为了企业的负担，必将走向标准化的道路；第二阶段是电的时代，随着电动汽车数量的增加，在不远的将来，电网将会无法满足电动汽车的充电需求，此时需要电网针对这一新需求来重新规划布局，这一阶段的充换电模式将由电能的提供方，即各类型的电力公司尤其是“绿电”公司来主导，此时可能会由于用电量的增加而导致电价提高，直到电网在充分利用清洁能源的前提下可满足纯电汽车的用电需求；第三阶段是网的时代，此阶段电动车的数量趋于饱和，电网电力供应可准确预期，电动汽车储能方案完整，成为电网的一部分，充分融合互通，这一阶段的车、桩、路、网、电、人六个主体互联互通，充换电模式将由各方协同确定。基于这三个阶段，都会孕育出独有的商业模式。

6.1 充的时代

特点主要表现为以车企自建充电桩来满足用户充电需求，支撑不了大规模电动汽车发展。此时的充电桩主要由车企根据自身产品技术路线研发，由于技术路线不同，或车企主动设置技术壁垒，导致充电桩专车专用，在充电桩搭建上也是以家用桩为主，依赖的是现有的民用供电网络，好在目前基数不大，在大多数非一线城市对电网的冲击尚在可控的范围内，但家用充电桩存在安装成本高（虽然大多数品牌承诺免费安装，但成本是由企业自身和国家补贴承担）、利用率低、供电方不可控等弊端，不适合电动车的大规模发展，针对这一主要矛盾已经有：有序充电、微网光伏、移动储能、梯次储能、聚合售电、车网互动、碳交易等[4]。许多新概念提出来加速产业的转型。由此产生的商业模式有：共享充电桩、动力电池回收再利用、智能停车场、电动共享汽车等。

6.2 电的时代

特点表现为充电业务由电网方或第三方服务公司承接，充电桩具有通用性，可进行品牌间共享，充电过程可进行智能控制，享受峰谷电差、绿电、平衡电网等优势，达到了新能源汽车用新能源电、能源利用率高、节能环保的最终目的。

基于充电桩共享的前提条件，可实现新能源汽车充电的群控群管和综合调度，新能源车充电和车主居家生活用电负荷不再重叠，所以可以利用群控群管实现居民用电优先、剩余负荷对新能源汽车进行有序充电，实现低谷充电、安全用电。

此阶段电动汽车技术发展趋于成熟，有突破性技术革新的可能越来越小，汽车行业市场竞争开始从技术领域转移到市场营销及配套服务领域（类似于目前燃油车所处于的发展阶段），大规模的新能源发电领域、汽车充电场站、配套的新能源汽车运维服务连锁企业，将摆脱汽车主机厂的束缚，成为独立的、占有更大利润空间的商业环节，同时对于人才的需求也将会更加的综合化。

6.3 网的时代

以站+终端为链路，充电网深度链接车、电池、能源、人。充电网+微电网+储能网成为新型电力系统新载体，充电网是工业互联网最大应用场景形成高黏性高强度链接[5]。随着能源互联网的实现，将形成双向配电、分布式绿电、智慧储能、电动汽车充放电、电热转换等多会员交互管理的多元系统，此时的新能源汽车充放电系统是电网的有机组成部分，兼顾着平衡电网、错峰平谷、梯次储能等作用，而不再像前两个阶段，是电网的负荷。网络建设成熟后可在网络平台中扩展SAAS服务，从APP运营、在线支付、大数据分析等多种渠道开发商业模式。即使是已经达到经济使用寿命极限的淘汰车型，也可利用自身的富余容量和剩余存储寿命实现零成本储能和梯次儲能，这对现在亟待解决的废旧电池回收利用问题也提出了可行的解决方案。

7 可能导致市场变革的关键技术

7.1 大功率充电技术

目前主流车企所提供的换电服务可在十分钟内完成对车辆动力电池的更换，但充电站的建设成本较高，对建设场地和电力基础设施都有严格的要求，并且几乎所有车企都需要自建只针对自己产品的换电站，在电动车市场保有量不高和充电时间不集中的情况下，换电站工作效率优于充电站，但参考最近东北地区发生的低温天气集中换电难问题，可以看出这一模式有很大的缺陷，如果没有政府支持或者大资本投入，短时间内换电模式不能满足大规模使用需求。此时人们自然会把注意力转移到充电模式，中国在大功率直流输电领域具有世界领先的技术储备和基础设施建设，如果电动汽车充电技术发展到可以大幅度提高动力电池所能承受的最大功率，把充电时间缩短到15分钟之内，充电站将具有巨大的竞争优势。一直以来为了确保电动汽车的绝缘安全和降低电路制造成本，动力电池最大电压一直受到严格的控制，但随着技术的进步电动车所能承受的最高电压已经从初期的300V提高到近1000V。这为未来大功率充电技术的发展提供了可能。

7.2 有序充电技术

新能源汽车有序充电是指在满足汽车充电需求的前提下，运用经济或技术措施引导、控制新能源汽车进行充电，一定条件下，新能源汽车还可以通过带有双向充放电功能的充电桩向电网放电，从而对电网负荷曲线进行削峰填谷，使负荷曲线峰谷差减小，减少了配电设施容量建设，保证了新能源汽车与电网的协调互动发展[6]。这一技术是实现新能源汽车并入电网的关键。也是开展第三方商业服务的先决条件。但这一技术不可能由第三方服务公司开发，只能由电网方完成，且要在车企充电标准统一的前提下才能实现。

8 结语

在新能源汽车普及这一确定的未来引导下，中国已经逐步形成了十纵十横两环的高速城际快充网络，未来也将覆盖郊区、县、乡。在以创新和环保为本，从化石能源向清洁能源，从传统制造到智能制造转变的伟大进程中，商业模式的创新也将成为推动电动车产业发展和技术创新的强大动力。发展新能源汽车产业和推动国家能源转型责任重大，前景廣阔。需要我们全社会进一步加强产业间技术合作和政策协调，持续推进技术创新和商业模式探索，为助力我国新能源汽车产业持续健康发展作出积极贡献。

基金项目：吉林省教育科学“十四五”规划2022年度课题《高职新能源汽车技术专业教育与创新创业教育融合实践研究》（GH22234）。

参考文献：

[1]马彬．基于网格化的现代城市配电网精益运营技术支撑体系研究与应用.广东省，南方电网深圳供电局有限公司，2015-04-14.

[2]邹大中，李勋，黄建钟.基于图像识别的交流充电桩误差检定方法研究[J].电子测量技术，2021，44（07）：13-18.

[3]刘敦楠，王玲湘，汪伟业，李华，王文，刘明光.基于深度强化学习的大规模电动汽车充换电负荷优化调度[J].电力系统自动化，2022，46（04）：36-46.

[4]王芳.电动汽车充电兼容性关键技术研究及应用.天津市，中国汽车技术研究中心有限公司，2021-09-08.

[5]华光辉，夏俊荣，廖家齐，王会超，周磊，刘瑜俊.新能源汽车充换电及车网互动[J/OL].现代电力：1-9[2023-03-03].