□文/賈斯佳 袁競峰

（東南大學 江蘇·南京）

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電動汽車充電設施管理與運營研究

□文/賈斯佳 袁競峰

（東南大學 江蘇·南京）

［提要］ 本文介紹電動汽車充電設施建設現(xiàn)狀，基于智慧城市理念和智慧城市基本構架，提出電動汽車充電設施全生命周期管理與運營系統(tǒng)構架及主要功能模塊，并提出各個模塊的解決方案，使電動汽車及充電設施能更高效、更智慧的發(fā)展。

關鍵詞：電動汽車充電設施；智慧城市構架；管理；運營

原標題：智慧導向的電動汽車充電設施管理與運營研究

收錄日期：2016年6月7日

引言

由于能源環(huán)境問題，新興的電動汽車以良好的節(jié)能和環(huán)保特性使其迅速成為當今國家關注的焦點和汽車發(fā)展的潮流。由發(fā)改委發(fā)布的《電動汽車充電基礎設施發(fā)展指南》（2015-2020年）中提出，到2020年新增集中式充換電站超過1.2萬座，分散式充電樁超過480萬個的建設目標。在當前信息化、智慧化大發(fā)展的背景下，如此需求不能僅僅依靠傳統(tǒng)的投資建設方式，需有智慧的管理與運營能力。

通過國家及各地方城市規(guī)劃可知，智慧城市成為我國新時期城市發(fā)展的重要方向，2015年4月7日，住建部和科技部聯(lián)合發(fā)布了《關于公布國家智慧城市2014年度試點名單的通知》，公布了84個試點城市，加上前兩批公布的193個城市，截至目前，我國的智慧城市試點已接近300個。智慧城市為使用信息和通信技術的“城市”，使一個城市的組件和關鍵基礎設施更感知、互動、高效（Washburn和Sindhu，2010）。而電動汽車具備智能、綠色、高效的特性，已成為智慧城市發(fā)展中的一部分，因此應符合智慧城市的規(guī)劃建設（Harrison和Donnelly，2011）。而其充電設施需求量較大，需高效、智慧的管理與運營能力的特點需要智慧城市的理念及技術構架來實現(xiàn)。Naphade等（2011）介紹了在丹麥通過智慧網絡管理系統(tǒng)，達到電動汽車系統(tǒng)與風電發(fā)電系統(tǒng)的負載平衡。Sarker（2015）針對電池交換站提出了優(yōu)化的運營模式，以達到從點時間較短并與電力系統(tǒng)相協(xié)調。胡天嬌（2014）、肖湘寧等（2014）結合國外電動汽車基礎設施發(fā)展情況，對我國電動汽車充電設施建設和運營中的商業(yè)模式發(fā)展、標準的建立及與智能電網結合等問題進行了研究。張勇等（2014）定義了充電設施為準公共性及準經營性屬性，從政府策略角度研究了建設與運營問題。目前，眾多學者針對電動汽車基礎設施建設運營的基本問題進行了研究，而未結合城市規(guī)劃發(fā)展需求，對引用智慧城市的理念及技術對充電設施建設管理的研究較少。

本文結合智慧城市的建設構架及理念，設計了智慧型電動汽車基礎設施管理與運營系統(tǒng)構架，其中包含了設計、決策、使用、監(jiān)控四個模塊，并提出包含信息平臺、PPP模式的模塊解決方案，形成了電動汽車充電設施的智慧的建設運營體系。

圖1 基于智慧城市理念的總體架構圖

一、電動汽車充電設施建設現(xiàn)狀

（一）充電設施市場空間廣闊。新能源乘用汽車正在快速發(fā)展。在《指南》中結合國家新能源汽車推廣應用相關政策要求和規(guī)劃目標，經測算，到2020年全國電動汽車保有量將超過500萬輛。經統(tǒng)計，截至2014年底，全國共建成充換電站780座，交直流充電樁3.1萬個，為超過12萬輛電動汽車提供充換電服務，2015年新增充換電站3，600座，公共充電樁4.9萬個。隨著政策及充電設施等基礎生態(tài)環(huán)境的不斷完善，我國新能源汽車保有量還會繼續(xù)上升，而這也導致了充電設施市場的需求不斷增加，未來充電設施的市場規(guī)模將不斷擴大。對于充電設施的建設規(guī)劃應結合智慧城市建設的理念和技術，使充電設施建設布局及充電服務更加智慧、高效，更好地服務民眾。

圖2 電動汽車基礎設施構架體系構成路線圖

圖3 電動汽車基礎設施管理與運營系統(tǒng)構架

圖4 充電設施及電動汽車互聯(lián)網絡圖

（二）以充電模式為主。由于采用換電模式存在著換電站建設成本太高、各個企業(yè)的電動汽車技術標準不同和電動標準不同、各車企的技術標準私密性等問題，使得換電模式較難運行，而國內主要以充電模式為主。但換電模式具有占地面積小、效率高、成本低等優(yōu)點，在電動出租車、專用車、物流車等領域采取換電模式是十分合適的，換電模式可以在這些特殊領域，作為充電模式的補充，而非競爭。

（三）多種運營模式并存。電動汽車及其充電設施的建設和發(fā)展是政府和企業(yè)關注的焦點，隨著電動汽車充換電設施市場的不斷開發(fā)，我國現(xiàn)有的充電設施運營模式根據(jù)運營主體的不同主要有五種模式：政府主導模式、企業(yè)主導模式、用戶主導型模式、混合模式（政府和企業(yè)）眾籌模式，從投融資模式角度分析，主要有融資租賃、PPP等模式，而后期運營模式主要有車電分離、網絡智能管理、充維結合等模式，而在后期運營中。不同模式的投資建設主體不同，然而都應該遵循一定的建設規(guī)劃及構架，這樣才能良好、效率地發(fā)展。

二、電動汽車充電設施全生命周期智慧化管理與運營系統(tǒng)架構設計

系統(tǒng)架構的設計是在智慧城市的理念和智慧城市基本構架上，以智慧城市中電動汽車建設目標為導向，考慮電動汽車面向不同相關者全生命周期各階段項目功能需求，提出智慧城市電動汽車管理與運營的系統(tǒng)構架和構架中的主要功能模塊。

（一）智慧城市

1、智慧城市目標及內容。智慧城市是數(shù)字城市的發(fā)展，運用物聯(lián)網、互聯(lián)網及云平臺等高級的信息和通信技術手段對城市的各種信息進行感應收集、分析、整合，對城市和人們生活的各個方面做出智能響應?？偨Y歐洲智慧城市計劃書中的特征，智慧城市發(fā)展在以人為本的基本理念和核心上，應具有靈活性、創(chuàng)新性、可及性、全面性、可持續(xù)性。

2、智慧城市總體構架。通過國內外學者對于智慧城市的研究，智慧城市的總體構架主要包含四個層面：感知層、網絡層、平臺層、應用層。（圖1）

在感知層中主要包括各種信息感知設施；網絡層主要由有線及無線網絡傳輸設施組成，用于傳輸各種電動汽車相關信息；平臺層主要是對數(shù)據(jù)的共享和數(shù)據(jù)的處理兩個方面，通過數(shù)據(jù)的倉庫技術和分組管理，形成城市的各種數(shù)據(jù)庫，借助云共享功能對數(shù)據(jù)進行共享，通過云計算對數(shù)據(jù)進行處理，再通過集成地理信息系統(tǒng)和虛擬實現(xiàn)技術提供信息和技術等服務；在應用層面包括管理與運營中的各種業(yè)務，包括設計、決策、使用、監(jiān)控四部分。

（二）智慧型電動汽車基礎設施管理與運營系統(tǒng)構架設計。智慧城市是一個巨系統(tǒng)，涉及城市生活的各方面，對于智慧城市中的一個發(fā)展建設項目，也應進行智慧的規(guī)劃和建設，促進城市的進一步發(fā)展。電動汽車及其充電設施的建設便是智慧城市中的一個項目，在智慧城市“以人為本”的理念和智慧城市基本構架上，以智慧城市中電動汽車充電設施建設目標為導向，考慮電動汽車面向不同相關者全生命周期各階段項目功能需求，提出了智慧城市電動汽車充電設施管理與運營的系統(tǒng)構架和構架中的主要功能模塊。（圖2）

電動汽車充電設施全生命周期智慧化管理與運營的系統(tǒng)構架的主要內容模塊圖如圖3所示。（圖3）

由圖3所示，電動汽車充電設施的管理與運營系統(tǒng)構架主要由設計、決策、使用、監(jiān)控四大模塊構成。在項目前期，設計模塊主要包含電動汽車及其充電設施的設計，通過結合互聯(lián)網等信息技術，為使用者提供更高效、便捷的服務；在決策模塊主要包含投融資、財稅優(yōu)惠及智能選址定容子模塊三個子模塊，為建設管理者提供了項目前期規(guī)劃、決策、投融資等服務。在項目使用中，使用模塊中主要由充電設施信息平臺及投訴調解服務子模塊構成，為使用者提供充電設施配套的各種公共服務。在項目后期，在監(jiān)控模塊，主要是售后服務、電池回收、電池監(jiān)控等，為使用者及建設管理者提供后期運營及售后的各種服務。

全生命周期的系統(tǒng)設計同樣也是對電動汽車充電設施的產業(yè)生態(tài)鏈的設計，本文只列舉了部分功能模塊，對于每個模塊都應不斷鏈接更多創(chuàng)新功能，使其成為一個高效、智能、完善的生態(tài)鏈。而要實現(xiàn)一個完善的生態(tài)鏈需要基于智慧城市的構架，將其運用到整個系統(tǒng)及各個環(huán)節(jié)，而各個環(huán)節(jié)通過智慧城市的信息技術能更好的協(xié)調合作。

（三）電動汽車基礎設施管理與運營系統(tǒng)子模塊及解決方案。子模塊的設計都遵循智慧城市“以人為本”的理念，由下向上進行設計，考慮服務對象的底層需求到上層的功能設計。通過智慧城市的構架及信息技術來實現(xiàn)這樣的設計。

1、云平臺。對于各個子模塊的構建及整個電動汽車管理與運營體系架構的構建都應建立在智慧城市的構架體系上。電動汽車及其充電設施的建設是一個巨系統(tǒng)，只有基于大數(shù)據(jù)及云平臺才能對各方做出考慮全局的統(tǒng)籌規(guī)劃，只有通過大數(shù)據(jù)、云平臺及智慧城市理念技術才能形成一個與政府、電力、物業(yè)、交通等大型終端及車載終端、駕駛者手機、pad、計算設備等小型終端相連的智能系統(tǒng)。電動汽車的規(guī)劃決策應通過云計算的虛擬化技術、分布式海量數(shù)據(jù)存儲、海量數(shù)據(jù)管理技術、云計算平臺管理等技術對各個子模塊進行構建，再通過云計算對整個管理及運營體系進行規(guī)劃。利用云計算平臺所提供的計算能力，并且充分考慮云計算平臺所設定的限制，開發(fā)出豐富多彩的電動汽車應用。向電動汽車的規(guī)劃者及使用者提供云平臺的基礎設施服務、平臺及服務和軟件及服務等功能及更多創(chuàng)新、智慧的服務。（圖4）

2、設計子模塊

（1）電動汽車功能設計。電動汽車的功能設計應服從由下向上的設計，遵從“以人為本”的理念，考慮使用者的需求偏好，為需求者提供更好的服務。對于新能源的電動汽車應該更好地結合智慧城市中的物聯(lián)網及互聯(lián)網技術，同時通過這些技術擴展使用者乘用期間汽車的車內功能，如聯(lián)合互聯(lián)網，對電動汽車加入車載信息服務，集成操作系統(tǒng)、大數(shù)據(jù)、通信、導航、云計算等資源，形成智能整車。車聯(lián)網平臺的設計便是基于智慧城市的構架及技術，實現(xiàn)了智能整車同其他物物相連。在感應層通過RFID設備、攝像頭等設備感應獲取使用者需求信息，通過互聯(lián)網等網絡進行信息共享，再通過云計算進行大量數(shù)據(jù)的計算，使使用者出行更便利，行駛期間車內功能更加高效。

（2）電動汽車基礎設施設計。現(xiàn)在國際上的電動汽車充電設備主要有移動充電包、壁掛式充電器、充電樁及無線充電設施。在充電設施上應因地制宜，設計適合當?shù)仉娋W條件、便捷、智能的基礎設施。對于家用充電設備應便捷易攜帶，對于充電深度應該智能提示，延長電池的使用壽命；對于室外的充電設備應符合占地面積小、安全、智能等條件。在安全方面，能智能提示安全充電距離、危險源應，能智能測控溫度及電路故障，結合智慧城市感應層，提供充電設施及充電設施使用者的信息。在總體發(fā)展上，應該創(chuàng)新，發(fā)展無線掛充電、光伏充電等先進技術設施，與智能電網結合，通過電網負荷對充電站進行調節(jié)。

3、決策子模塊

（1）系統(tǒng)財稅優(yōu)惠體系。政府的優(yōu)惠政策是推動電動汽車發(fā)展的一大動力，眾多歐美國家通過巨額資金投入、大量政策支持：支持技術研發(fā)創(chuàng)新，減免相關稅收，支持充電基礎設施建設、動力電池，支持關鍵零部件的研發(fā)和生產，給予消費者購車補貼。同樣，對于我國的電動汽車市場，應因地制宜的采用相關的補貼和激勵政策，對于投資的力度及補貼的比例，可以通過當?shù)刂腔鄢鞘须妱悠嚨拇罅繑?shù)據(jù)和信息確定財稅優(yōu)惠比例，同樣可以通過各方數(shù)據(jù)進行統(tǒng)籌決策，做出財稅優(yōu)惠政策的選擇。通過智慧城市的運行機制，充分利用信息平臺及物聯(lián)網、云平臺等先進技術，建立起完善的財政支持體系及后期的政策評價體系。

（2）投融資體系。電動汽車充電設施建設和配套體系建設都需要大量的資金投入，為推動新能源汽車產業(yè)的發(fā)展，應根據(jù)電動汽車市場，依靠智慧城市技術進行投融資體制的改革。在一個完善的市場經濟體制下，政府的主導智能是應為投融資方提供良好的、高效的融資環(huán)境。政府應該降低進入電動汽車產業(yè)的行政壁壘，允許并鼓勵民間資本涉入，將PPP模式引入充電設施的建設。對于技術優(yōu)勢的企業(yè)政府應該提供貸款優(yōu)惠政策，對于貸款金的比例等問題，充分利用市場反饋和智慧城市大數(shù)據(jù)，進行智慧決策。通過互聯(lián)網技術，在總體上形成一個競爭性、多元化的融資渠道，放松對民間資本進入金融市場的限制，使民間資本更靈活，形成高效靈活的融資環(huán)境。同樣可以通過互聯(lián)網等技術，建立充電設施的專項基金，政府、電網、整車企業(yè)、風投資金等，使社會資本都參與其中，還可以包括政府或國外大的投資公司建立的風險基金和非贏利性的公益基金。

圖5 充電設施建設PPP模式結構圖

（3）PPP模式充電設施建設。對于城市中大規(guī)模性的充電設施建設需由政府部門統(tǒng)一規(guī)劃和建設，項目資金需求量較大，可以引入PPP模式，通過市場化的方式引入社會力量，可減少公共支出，提供更加專業(yè)、高效的服務，可以推動充電設施快速發(fā)展。（圖5）

公共機構根據(jù)地方規(guī)劃和需求提出充電站、充電樁的建設，采取PPP方式引入社會資本方，應具備相應充電設施建設運營資格和經驗。項目合作采取社會資本方和政府資本方通過協(xié)議聯(lián)合設立項目公司，政府授予項目公司特許經營權，規(guī)定經營期，期滿后移交政府，并可提供建站補貼。而項目公司提供建設、運營、融資、設計等一系列服務，通過使用者付費獲得回報。

4、使用子模塊

（1）充電設施信息平臺。智慧城市中的信息平臺是構架中重要的一部分，為了減少等待時間，保證足夠的充電設施，提高充電效率，信息及時性及準確性。充電設施信息平臺主要針對電動汽車使用提供咨詢充電設備使用情況、提前預約、智能調度、應急服務等功能：①當用戶需要進行車量充電時，可以向信息平臺咨詢當時所在地周圍充電設施的使用和排隊情況及等待時間；②消費者可以在一定時間范圍內向運營商進行服務預約，以確保駕駛者能在達到服務區(qū)域后短時間內獲得充電服務，同時也保證充電設施的使用效率，在充電完畢后提供短信通知等服務；③通過智能調度的功能，對電網和消費者需求兩方面進行考慮，加入交通情況等影響因素，進行電動汽車充電點選擇及充電線路規(guī)劃；④在充電設施信息平臺發(fā)展較為成熟后，可在用戶車輛上安裝電池采用信息感應收集裝置，為駕駛者合理使用及充換電需求提供指導；⑤由于電動汽車自身故障或電池續(xù)航能力不足，可能會出現(xiàn)中途停駛的情況，通過構建充換電站服務網絡，可以為駕駛者提供應急充換電服務。

充電設施信息平臺應是使用者使用較多的一個咨詢平臺，可以與手機APP軟件結合，做到“車機一體”，駕駛者可以通過手機對電動汽車充放電情況、充電站情況進行準確及時的了解。同時咨詢平臺可以聯(lián)通更多領域，如停車、打車、租車等相關領域。

（2）投訴調解服務系統(tǒng)。對于電動汽車而言，除了傳統(tǒng)汽車發(fā)生的事故沖突外，其技術的特殊性可能發(fā)生充電故障糾紛問題、電力故障責任糾紛問題。投訴調解服務系統(tǒng)是一個較復雜的系統(tǒng)，只有在智慧城市全面感應，獲得充分信息之后，才能對糾紛問題做出公平公正的解決。電動汽車的事故責任確認規(guī)章應由政府制定并不斷完善。當然，服務系統(tǒng)還要和駕駛者、運營商、電網、交警、法院等進行多方溝通協(xié)調，這樣的協(xié)調則需要依靠互聯(lián)網等技術來實現(xiàn)。調解服務必須公平公正，充分保證糾紛雙方的必要權力，才能有利于電動汽車及充電設施的發(fā)展。

5、監(jiān)控子模塊

（1）售后服務系統(tǒng)。電動汽車和傳統(tǒng)汽車一樣，在使用過程中同樣會出現(xiàn)汽車自身故障及電池充電故障，應借鑒傳統(tǒng)汽車的維修機構和網絡，為電動汽車和電池提供維修、保養(yǎng)服務。為了提高維修及保養(yǎng)效率，同樣應利用數(shù)據(jù)庫等技術，建立電動汽車維修案例庫，進行信息共享，提高效率。鼓勵多種投資主體進行共同建設。對于電池充電故障的檢查應由第三方進行建設，監(jiān)測電動汽車在充換電站的充電情況，為電動汽車使用者提供信息透明化的充電換電服務，減少電池故障，維護使用者權利，具體的檢測費用可以由雙方協(xié)商共同承擔。對于充電設施運營期間的維護維修應由擁有建設信息的建設方來進行，這樣能更好地保證充電設施可持續(xù)性使用，而應用PPP模式便可以滿足這種需求。

（2）電池回收及監(jiān)控系統(tǒng)。智慧城市的目標是構建可持續(xù)發(fā)展的智慧城市，電動汽車帶來了便利同樣也帶來了很多問題，技術尚不成熟的產業(yè)初期，頻繁更換的電動汽車電池是一大難題。為了延長電池的使用壽命，對電池狀態(tài)監(jiān)控十分重要，電池的監(jiān)控系統(tǒng)應具有提供提醒使用者在最優(yōu)充電深度進行充電，及對不同使用狀態(tài)的電池進行有效的護理。對電池回收網絡應該進行逐步的規(guī)劃，進行充電電池的回收利用，形成市場化的電池回收網絡。

6、未來發(fā)展路徑。對于充電基礎設施的管理與運營系統(tǒng)的實現(xiàn)應遵循頂層設計的規(guī)劃原則，在實現(xiàn)和建設各項業(yè)務及應用時，需考慮體制機制、信息、技術及績效評價方面的構架建設及具體實施方案，構成全面的智慧導向型管理與運營系統(tǒng)，實現(xiàn)使用者及建設管理者的各種需求。同時，頂層設計應同底層設計相結合，在系統(tǒng)構架中相對應的各知識體系及建設體系應有相對應的底層設計，通過各種平臺設計和應用系統(tǒng)設計是完成系統(tǒng)構建的主要路徑，而云計算、物聯(lián)網等先進的信息技術是其必要的支撐。

三、總結

目前，電動汽車基礎設施建設未形成較好的管理運營體系，不能保證較好的充電服務而阻礙著新能源汽車的進一步發(fā)展，因此應對管理運營體系應進行智慧、系統(tǒng)的設計。因電動汽車及其充電設施的建設是智慧城市建設中的一個項目，本文在智慧城市“以人為本”的理念和智慧城市基本構架上，結合智慧城市的先進技術，提出了智慧城市電動汽車充電設施管理與運營的系統(tǒng)構架和構架中的主要功能模塊，并提出了各個模塊的解決方案，結合智慧城市的發(fā)展要求為電動汽車充電基礎設施的規(guī)劃發(fā)展提供了建議。通過這種方案設計，智慧城市的先進信息技術及構架理念可以使電動汽車及其基礎設施更高效地發(fā)展，更好地與相關部門和行業(yè)相聯(lián)系，形成一個高效的產業(yè)生態(tài)鏈，而電動汽車及其基礎設施的發(fā)展也能使城市更加綠色、智慧。

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基金項目：國家自然科學基金面上項目：“PPP項目社會風險的機理分析、動態(tài)評估與綜合治理研究”（71472037）；國家自然科學基金青年項目：“基礎設施PPP項目殘值風險動態(tài)預測與監(jiān)控方法研究”（71001027）；江蘇省社會科學基金資助項目：“江蘇智慧城市建設與發(fā)展研究”（13G LB005）；江蘇省社科聯(lián)社科應用研究精品工程課題：“基于PPP的智慧養(yǎng)老服務體系構建研究”（15SY C－087）

中圖分類號：F29

文獻標識碼：A