特邀丨丁晓华:立足长远,数据赋能,破解社区充电难题之思考

专家观点 2023-11-20

丁晓华,CCTP执行委员会委员、上海新能源汽车公共数据采集与监测研究中心(以下简称“数据中心”)创始人,从2013年开始分析上海新能源汽车消费者的出行行为与充电行为。数据中心连续10年发布《上海新能源汽车大数据研究报告》,率先提出上海社区夜间10小时插电时间,5小时充电时间的概念,率先呼吁尽快结束随车送桩,开展社区可停即可充的统一运营商概念。


2023年4月28日,中共中央政治局会议提出要巩固和扩大新能源汽车发展优势,加快推进充电桩、储能等设施建设和配套电网改造。6月2日,国务院常务会议提出要构建“车能路云”融合发展的产业生态,构建高质量充电基础设施体系。6月20日,国务院办公厅印发《关于进一步构建高质量充电基础设施体系的指导意见》。《指导意见》提出了充电基础设施体系构建的总体要求和2030年发展目标。提出2030年大中型以上城市经营性停车场具备规范充电条件的车位比例力争超过城市注册电动汽车比例;以“两区”(居住区和办公区)为重点,既有居住区固定车位应装尽装,新建居民区固定车位100%建充电或预留安装条件,积极推广慢充为主的充电设施;加快实现充电基础设施在适宜使用电动汽车的农村地区有效覆盖等要求。社区停车位可停即可充既是全面电动化转型的关键点,也是车-能互动战略落地的关键地。


本文系根据对上海新能源汽车消费者十年出行和充电大数据的监测分析,结合燃油车向电动车全面转型的关键时间点,以及车-能互动最佳落地点,就立足长远,数据赋能社区充电设施统建统营建设提出个人观点,仅供参考。


全面电动化概念与关键时间点


英国当地时间9月20日晚间,英国首相苏纳克(Rishi Sunak)将该国禁售汽油车和柴油动力新车的时间从2030年推迟到2035年实施。下图综合相关信息,展示了欧盟、英国、法国、美国加州,中国海南禁售燃油车时间表。


表1 世界主要国家及地区禁售燃油车时间表


全面电动化以禁止新售纯燃油车的时间点为标志,从全球范围看,各国禁售燃油车的时间多在2035年前后。


社区充电基础设施建设难的原因


数据中心数据显示:截至2022年底,上海私人用户拥有社区充电桩的比例从5年前约70%-80%,下降到目前的约50%。图1为不同续航里程特征组用户是否拥有社区充电桩的统计。早期的电动汽车用户多在续航里程小于400KM的组别。


图1 不同纯电续航里程组用户、不同用途以及不同区域社区充电桩拥有率


制约社区充电难的主要因素:

1) 随着纯电动用户的快速增长,社区内拥有产权车位和长租车位的用户占比不断减少,私人属性充电桩又难以在社区公共停车位上安装。多数泊车在社区地面公共停车位的电动汽车用户或只能去社会公共快充站充电,或在社区设备房/垃圾房墙上安装充电桩,但是难以真正使用,或拉飞线充电。而飞线充电现象带来巨大的安全隐患。

2) 充电进社区越来越难的另一主要问题是社区配电网容量不足。据调研,一个社区电网富余容量多数只能满足约30辆纯电动汽车充电。如果小区已有电动汽车数量较多,且处于无序充电状态,后续新增电动汽车用户申请社区充电桩报装就会遇到阻力。这种情况在上海市中心的老旧小区尤为突出。

3) 随车送桩措施,在早期起到了很好的推动作用,但大规模普及电动汽车后,私人属性充电桩的安装伴随着小区电缆铺设无序或电缆沟重复开挖、一旦充电设备质保期过后,由于随车赠送的充电桩产权属于私人所有,可能面临无人维保的局面,漏电、起火隐患加剧。业委会和物业对充电桩进社区存在抵触情绪。

4) 目前,有充电设施运营商探索小区共享充电以及统建统管商业模式。但充电运营企业须与街道、小区业委会、物业公司签订多方合作协议,各方在权利、义务和关注点存在差异。比如,充电桩建设是否收进场费,费用是多少?建成后各方的权利义务是什么?收入分成是多少?如果协商不一致,有时甚至不得不放弃可行的建设方案。


因此,立足长远,面向2040年,中国可通过全面电动化目标来提前谋划社区充电基础设施建设问题。


电动汽车与电网双向互动概念与关键时间点


电动汽车可通过有序充电、双向供电(V2G)(车-网互动)这两种主流方式实现与电网的互动。


有序充电实质是一种充电管理计划。这个管理计划包括充电起始时间的管理以及充电功率的管理。时间管理是指将到家即插即充改为在社区用电负荷较低的凌晨时段开始充电。充电功率管理是指所有电动汽车的充电功率负荷不能突破社区容许的最大剩余负荷。即可以降功率充电。最早的有序充电实践大约是在2011年,日产汽车在夏威夷开展的JSM项目。2015年,宝马在加州也开展了iChargeForward计划。


图2即为日产在夏威夷茂宜岛实施有序充电前后的电力负载曲线对比,可以看到,如果电动车在7-22点回到社区就立即插枪充电,会跟原本的负载高峰重合,加大电网的不稳定。当电动车数量越多,用电负载高峰会大增,电网就会出现不稳定,甚至很有可能会发生停电。


尤其当输入电源是绿电时,图中灰色线是风力发电消耗后的剩余电量,在凌晨最不需要用电时,剩余电量最大,因此当电动车的充电时间有序后移至23点至凌晨6点,不但能避开负载高峰,还能消耗多余的风电,可谓一举两得。


图2 日产JSM项目志愿者家庭充电行为


数据中心最近对上海社区充电调研获悉,一般社区富余的配电容量大约为200kW·h左右。假设家充桩功率均为7.5kW·h。在没有有序充电时,一个社区可容纳大约30辆电动汽车安装充电桩。超过后,新增电动汽车用户可能就无法报装社区充电桩。


国家发展改革委能源研究所刘坚的文章1指出:“有序充电投资成本最低,目前7KW智能充电桩相比同功率普通交流充电桩成本增加约1,000元,若电动乘用车全生命周期充电量80%参与有序充电,则电动汽车通过有序充电每转移1kW·h电量的成本不到5分钱,远低于目前国内电化学储能调峰辅助服务补偿水平(0.5元/kW·h以上)。”


数据中心与淘淘充公司的对上海10个社区的联合摸底调研发现,社区电动汽车保有率多数没有超过15%。因此,我们认为,在2030年前,社区配电网不太可能大规模增容改造。


因此,立足长远,其次是要尽快将交流充电桩的有序充电功能成为标配。


V2G已经成为全球关注的焦点。据公安部统计,截止2023年9月底,我国新能源汽车保有量已达到1,821万辆。按照乘用车占比80%,纯电动乘用车在乘用车中占比80%以及每辆纯电动车辆动力电池容量50kW·h估算,全国纯电动乘用车车载储电容量已超过5.8亿kW·h。展望2030年,全国电动汽车保有量将接近1亿辆,若能有效挖掘电动汽车灵活调节潜力,将对我国高比例可再生能源的发展提供关键支撑。


实现电动车辆与配电网双向供电的基础条件是车辆有足够长时间停留并与电网相连,停留初始车载动力电池SOC足够高,并且需要时,能够以较大的功率向电网供电。数据中心对上海奉贤南桥某一个以居住为主区域的抽样分析发现,区域内具备V2G功能的约1,800辆纯电动乘用车中,59%的车辆每日单次停车时长大于10小时,47%的车辆每日单次停车时长大于12小时;与此同时,这些车辆中,75%停留初始SOC大于50%,47%停留初始SOC大于75%。这些车辆的车载动力电池大多大于60度电。具备V2G的基本条件。


因此,从抽样调查数据看,随着纯电动乘用车续航里程500KM及以上成为标配,社区停车场地是最佳V2G场所,且单车有较高富余SOC可以用于先放电,后充电以参与用户侧分时电价管理、电能量现货市场交易等。如果在工作地,每辆电动汽车也能停车插电,未来就如媒体报道的欧阳明高院士所说,车网互动将使电动汽车充电免费甚至实现盈利。


图3 平均每日车次停留时长漏斗图


当然,V2G还需要低压配电网(变电箱容量、线路容量)以及双向电表和双向潮流控制等配电网端智能化改造准备;动力电池也要做好双向充放电的寿命及安全性准备;此外,由于电动车辆地域分布广泛,且属于私人资产,需要聚合平台商在技术上以及消费者培育上做好准备;最后,国家还要做好电动汽车双向充放电的电费定价准备以及相关技术标准准备。


因此,从立足长远来看,2030年前,社区有序充电应该坚决推进,越快越好;而对V2G而言,车端的双向充电功能会倒逼低压配电网的智能化升级步伐。但是由于技术标准、转供电定价机制、社区端配电网智能化改造等不会很快准备好,在2035年前,正如能源基金会交通项目高级项目主任龚慧明所说“很多时候只是停留‘数学题’上”。但是,非常关键的是,社区充电桩必须尽快从私人属性转变为企业属性,并且由专门的充电基础设施企业“统建统营”。


三位一体推进社区充电基础设施统建统营


所谓“三位一体”是指 “数据赋能+设备保障+顶层设计”。


数据中心持续十年监测数据发现,80%的纯电动乘用车用户的夜间充电时间在6-8小时以内(图4)。所以,我们认为,一个社区充电桩在7PM-7AM的12个小时时间段内,完全可以对相邻两个车位的电动车辆实施满充。


图4 不同纯电续航里程特征组用户次充电时长分布


数据中心的最新年报分析指出:400KM以上纯电动车消费者不再每天居家充电,每周充电3次以下成为多数选择(图5)。即间接解决了城市密集居住区消费者购买电动车的充电焦虑,也进一步为社区停车位不需要100%配置交流充电桩,而只需要配置“一桩双插口”充电桩或“一桩双枪”充电桩即可提供了进一步依据。图6为7KW交流双枪充电桩示意图。如果这类交流充电桩具备接收来自运营平台充电起始时间延迟与功率可调的能力,那有序充电的设备保障就到位了。


图5 不同纯电续航里程特征组用户周充电频次分布


图6 7KW交流双枪壁挂式充电桩


在社区有序充电调研中我们得知,具有有序充电功能的充电桩,可以使得一个社区的充电车辆提高2倍左右,即原有一个社区可以容纳30辆纯电动车辆充电最多提高到容纳60辆车辆充电;缺点是降功率充电时,所有车辆一视同仁地降,无法做到区别对待。但是,数据赋能的有序充电可以实现“一车一方案”,并可以同时容纳多达100辆左右的社区充电车辆。


图7为数据中心最新年报中电动汽车用户充电SOC分布监测数据。也就是说,从每一辆电动车插上充电桩开始,数据中心就知道其充电起始SOC还剩余多少。同时,还知道该车平均日均出行里程,出发时间。如果能和社区配网剩余负荷动态数据每隔5分钟或15分钟匹配一次,就能结合个人第二天出行计划(个人通过APP与平台互动),为每一辆插电车辆定制有序充电的个性化方案。最大程度提升社区可充电车辆数。


图7 上海新能源乘用车总体充电起始SOC分布


面向长远且有数据赋能的社区充电问题解决的核心是要有顶层设计。城市基础设施建设运营应该是国有企业主导的领域。例如生活用水、用气、用电、闭路电视等无不是城市级别的统一规划,统一建设,统一运营。早年,在没有大规模普及时,我们安装煤气、电话都是需要用户自付“初装费”的。今天,我们立足全面电动化来看社区充电基础设施这个问题时,也建议城市政府成立负责社区充电基础设施建设的专营公司。负责全市社区充电基础设施的“统建统管”。在建设推进过程中,可以像老旧小区建电梯一样,成熟一个社区,进入一个社区。逐步实现上海社区能停车就能充电的愿景。


社区充电时是全面电动化的重要基础设施保障,也是V2G的主场之地。如果依然实行私人属性充电桩分散报装模式,实施推进中会涉及社区居民、物业、街道、电力公司、社区充电设施安装/运营商等多参与主体;一但需要车-能互动,充电桩向电网放电的输出功率都可能不同,一个社区甚至可能有多个V2G聚合商。从长远看是难以为继的。因此。我们呼吁在近5年内,对车企而言,尽早转变“买车送桩”为“买车送装(费)/(电)费”;对桩企而言,交流慢充桩的有序充电功能应该是标配;对行业而言,尽快提炼编制相关标准;对市级政府而言,尽快组建充电基础设施专营公司。加快社区V2G试点示范,选择相对成熟社区,采用相邻车位“一桩二枪”设备,成片改造社区地上停车位充电桩。一开始不需要全面覆盖,只要做到每周2-3次能让电动车用户充上电即可。同时,有新能源汽车地方平台的地区,要充分发挥数据平台大数据分析的赋能,这种数据服务包括成熟社区筛选,充电车辆起始SOC以及每5分钟SOC数据交互等。数据赋能,从智慧有序充电逐步过渡到智慧车-能互动。


注释:1.《电动汽车车网互动发展前景与模式对比》, 刘坚 《能源思考》 2021-01。









订阅中国清洁交通伙伴关系

一个非政府、非营利、自愿性的交流、合作及观点传递平台,秉承“独立、开放、共享、包容”的理念 聚焦政策和技术创新,总结、宣传和推广国际、中国和地方先进经验,加速交通迈向零排放