电动汽车充电设施管理与运营研究

□文/贾斯佳 袁竞峰

（东南大学 江苏·南京）



电动汽车充电设施管理与运营研究

□文/贾斯佳 袁竞峰

（东南大学 江苏·南京）

［提要］ 本文介绍电动汽车充电设施建设现状，基于智慧城市理念和智慧城市基本构架，提出电动汽车充电设施全生命周期管理与运营系统构架及主要功能模块，并提出各个模块的解决方案，使电动汽车及充电设施能更高效、更智慧的发展。

关键词：电动汽车充电设施；智慧城市构架；管理；运营

原标题：智慧导向的电动汽车充电设施管理与运营研究

收录日期：2016年6月7日

引言

由于能源环境问题，新兴的电动汽车以良好的节能和环保特性使其迅速成为当今国家关注的焦点和汽车发展的潮流。由发改委发布的《电动汽车充电基础设施发展指南》（2015-2020年）中提出，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480万个的建设目标。在当前信息化、智慧化大发展的背景下，如此需求不能仅仅依靠传统的投资建设方式，需有智慧的管理与运营能力。

通过国家及各地方城市规划可知，智慧城市成为我国新时期城市发展的重要方向，2015年4月7日，住建部和科技部联合发布了《关于公布国家智慧城市2014年度试点名单的通知》，公布了84个试点城市，加上前两批公布的193个城市，截至目前，我国的智慧城市试点已接近300个。智慧城市为使用信息和通信技术的“城市”，使一个城市的组件和关键基础设施更感知、互动、高效（Washburn和Sindhu，2010）。而电动汽车具备智能、绿色、高效的特性，已成为智慧城市发展中的一部分，因此应符合智慧城市的规划建设（Harrison和Donnelly，2011）。而其充电设施需求量较大，需高效、智慧的管理与运营能力的特点需要智慧城市的理念及技术构架来实现。Naphade等（2011）介绍了在丹麦通过智慧网络管理系统，达到电动汽车系统与风电发电系统的负载平衡。Sarker（2015）针对电池交换站提出了优化的运营模式，以达到从点时间较短并与电力系统相协调。胡天娇（2014）、肖湘宁等（2014）结合国外电动汽车基础设施发展情况，对我国电动汽车充电设施建设和运营中的商业模式发展、标准的建立及与智能电网结合等问题进行了研究。张勇等（2014）定义了充电设施为准公共性及准经营性属性，从政府策略角度研究了建设与运营问题。目前，众多学者针对电动汽车基础设施建设运营的基本问题进行了研究，而未结合城市规划发展需求，对引用智慧城市的理念及技术对充电设施建设管理的研究较少。

本文结合智慧城市的建设构架及理念，设计了智慧型电动汽车基础设施管理与运营系统构架，其中包含了设计、决策、使用、监控四个模块，并提出包含信息平台、PPP模式的模块解决方案，形成了电动汽车充电设施的智慧的建设运营体系。

图1 基于智慧城市理念的总体架构图

一、电动汽车充电设施建设现状

（一）充电设施市场空间广阔。新能源乘用汽车正在快速发展。在《指南》中结合国家新能源汽车推广应用相关政策要求和规划目标，经测算，到2020年全国电动汽车保有量将超过500万辆。经统计，截至2014年底，全国共建成充换电站780座，交直流充电桩3.1万个，为超过12万辆电动汽车提供充换电服务，2015年新增充换电站3，600座，公共充电桩4.9万个。随着政策及充电设施等基础生态环境的不断完善，我国新能源汽车保有量还会继续上升，而这也导致了充电设施市场的需求不断增加，未来充电设施的市场规模将不断扩大。对于充电设施的建设规划应结合智慧城市建设的理念和技术，使充电设施建设布局及充电服务更加智慧、高效，更好地服务民众。

图2 电动汽车基础设施构架体系构成路线图

图3 电动汽车基础设施管理与运营系统构架

图4 充电设施及电动汽车互联网络图

（二）以充电模式为主。由于采用换电模式存在着换电站建设成本太高、各个企业的电动汽车技术标准不同和电动标准不同、各车企的技术标准私密性等问题，使得换电模式较难运行，而国内主要以充电模式为主。但换电模式具有占地面积小、效率高、成本低等优点，在电动出租车、专用车、物流车等领域采取换电模式是十分合适的，换电模式可以在这些特殊领域，作为充电模式的补充，而非竞争。

（三）多种运营模式并存。电动汽车及其充电设施的建设和发展是政府和企业关注的焦点，随着电动汽车充换电设施市场的不断开发，我国现有的充电设施运营模式根据运营主体的不同主要有五种模式：政府主导模式、企业主导模式、用户主导型模式、混合模式（政府和企业）众筹模式，从投融资模式角度分析，主要有融资租赁、PPP等模式，而后期运营模式主要有车电分离、网络智能管理、充维结合等模式，而在后期运营中。不同模式的投资建设主体不同，然而都应该遵循一定的建设规划及构架，这样才能良好、效率地发展。

二、电动汽车充电设施全生命周期智慧化管理与运营系统架构设计

系统架构的设计是在智慧城市的理念和智慧城市基本构架上，以智慧城市中电动汽车建设目标为导向，考虑电动汽车面向不同相关者全生命周期各阶段项目功能需求，提出智慧城市电动汽车管理与运营的系统构架和构架中的主要功能模块。

（一）智慧城市

1、智慧城市目标及内容。智慧城市是数字城市的发展，运用物联网、互联网及云平台等高级的信息和通信技术手段对城市的各种信息进行感应收集、分析、整合，对城市和人们生活的各个方面做出智能响应。总结欧洲智慧城市计划书中的特征，智慧城市发展在以人为本的基本理念和核心上，应具有灵活性、创新性、可及性、全面性、可持续性。

2、智慧城市总体构架。通过国内外学者对于智慧城市的研究，智慧城市的总体构架主要包含四个层面：感知层、网络层、平台层、应用层。（图1）

在感知层中主要包括各种信息感知设施；网络层主要由有线及无线网络传输设施组成，用于传输各种电动汽车相关信息；平台层主要是对数据的共享和数据的处理两个方面，通过数据的仓库技术和分组管理，形成城市的各种数据库，借助云共享功能对数据进行共享，通过云计算对数据进行处理，再通过集成地理信息系统和虚拟实现技术提供信息和技术等服务；在应用层面包括管理与运营中的各种业务，包括设计、决策、使用、监控四部分。

（二）智慧型电动汽车基础设施管理与运营系统构架设计。智慧城市是一个巨系统，涉及城市生活的各方面，对于智慧城市中的一个发展建设项目，也应进行智慧的规划和建设，促进城市的进一步发展。电动汽车及其充电设施的建设便是智慧城市中的一个项目，在智慧城市“以人为本”的理念和智慧城市基本构架上，以智慧城市中电动汽车充电设施建设目标为导向，考虑电动汽车面向不同相关者全生命周期各阶段项目功能需求，提出了智慧城市电动汽车充电设施管理与运营的系统构架和构架中的主要功能模块。（图2）

电动汽车充电设施全生命周期智慧化管理与运营的系统构架的主要内容模块图如图3所示。（图3）

由图3所示，电动汽车充电设施的管理与运营系统构架主要由设计、决策、使用、监控四大模块构成。在项目前期，设计模块主要包含电动汽车及其充电设施的设计，通过结合互联网等信息技术，为使用者提供更高效、便捷的服务；在决策模块主要包含投融资、财税优惠及智能选址定容子模块三个子模块，为建设管理者提供了项目前期规划、决策、投融资等服务。在项目使用中，使用模块中主要由充电设施信息平台及投诉调解服务子模块构成，为使用者提供充电设施配套的各种公共服务。在项目后期，在监控模块，主要是售后服务、电池回收、电池监控等，为使用者及建设管理者提供后期运营及售后的各种服务。

全生命周期的系统设计同样也是对电动汽车充电设施的产业生态链的设计，本文只列举了部分功能模块，对于每个模块都应不断链接更多创新功能，使其成为一个高效、智能、完善的生态链。而要实现一个完善的生态链需要基于智慧城市的构架，将其运用到整个系统及各个环节，而各个环节通过智慧城市的信息技术能更好的协调合作。

（三）电动汽车基础设施管理与运营系统子模块及解决方案。子模块的设计都遵循智慧城市“以人为本”的理念，由下向上进行设计，考虑服务对象的底层需求到上层的功能设计。通过智慧城市的构架及信息技术来实现这样的设计。

1、云平台。对于各个子模块的构建及整个电动汽车管理与运营体系架构的构建都应建立在智慧城市的构架体系上。电动汽车及其充电设施的建设是一个巨系统，只有基于大数据及云平台才能对各方做出考虑全局的统筹规划，只有通过大数据、云平台及智慧城市理念技术才能形成一个与政府、电力、物业、交通等大型终端及车载终端、驾驶者手机、pad、计算设备等小型终端相连的智能系统。电动汽车的规划决策应通过云计算的虚拟化技术、分布式海量数据存储、海量数据管理技术、云计算平台管理等技术对各个子模块进行构建，再通过云计算对整个管理及运营体系进行规划。利用云计算平台所提供的计算能力，并且充分考虑云计算平台所设定的限制，开发出丰富多彩的电动汽车应用。向电动汽车的规划者及使用者提供云平台的基础设施服务、平台及服务和软件及服务等功能及更多创新、智慧的服务。（图4）

2、设计子模块

（1）电动汽车功能设计。电动汽车的功能设计应服从由下向上的设计，遵从“以人为本”的理念，考虑使用者的需求偏好，为需求者提供更好的服务。对于新能源的电动汽车应该更好地结合智慧城市中的物联网及互联网技术，同时通过这些技术扩展使用者乘用期间汽车的车内功能，如联合互联网，对电动汽车加入车载信息服务，集成操作系统、大数据、通信、导航、云计算等资源，形成智能整车。车联网平台的设计便是基于智慧城市的构架及技术，实现了智能整车同其他物物相连。在感应层通过RFID设备、摄像头等设备感应获取使用者需求信息，通过互联网等网络进行信息共享，再通过云计算进行大量数据的计算，使使用者出行更便利，行驶期间车内功能更加高效。

（2）电动汽车基础设施设计。现在国际上的电动汽车充电设备主要有移动充电包、壁挂式充电器、充电桩及无线充电设施。在充电设施上应因地制宜，设计适合当地电网条件、便捷、智能的基础设施。对于家用充电设备应便捷易携带，对于充电深度应该智能提示，延长电池的使用寿命；对于室外的充电设备应符合占地面积小、安全、智能等条件。在安全方面，能智能提示安全充电距离、危险源应，能智能测控温度及电路故障，结合智慧城市感应层，提供充电设施及充电设施使用者的信息。在总体发展上，应该创新，发展无线挂充电、光伏充电等先进技术设施，与智能电网结合，通过电网负荷对充电站进行调节。

3、决策子模块

（1）系统财税优惠体系。政府的优惠政策是推动电动汽车发展的一大动力，众多欧美国家通过巨额资金投入、大量政策支持：支持技术研发创新，减免相关税收，支持充电基础设施建设、动力电池，支持关键零部件的研发和生产，给予消费者购车补贴。同样，对于我国的电动汽车市场，应因地制宜的采用相关的补贴和激励政策，对于投资的力度及补贴的比例，可以通过当地智慧城市电动汽车的大量数据和信息确定财税优惠比例，同样可以通过各方数据进行统筹决策，做出财税优惠政策的选择。通过智慧城市的运行机制，充分利用信息平台及物联网、云平台等先进技术，建立起完善的财政支持体系及后期的政策评价体系。

（2）投融资体系。电动汽车充电设施建设和配套体系建设都需要大量的资金投入，为推动新能源汽车产业的发展，应根据电动汽车市场，依靠智慧城市技术进行投融资体制的改革。在一个完善的市场经济体制下，政府的主导智能是应为投融资方提供良好的、高效的融资环境。政府应该降低进入电动汽车产业的行政壁垒，允许并鼓励民间资本涉入，将PPP模式引入充电设施的建设。对于技术优势的企业政府应该提供贷款优惠政策，对于贷款金的比例等问题，充分利用市场反馈和智慧城市大数据，进行智慧决策。通过互联网技术，在总体上形成一个竞争性、多元化的融资渠道，放松对民间资本进入金融市场的限制，使民间资本更灵活，形成高效灵活的融资环境。同样可以通过互联网等技术，建立充电设施的专项基金，政府、电网、整车企业、风投资金等，使社会资本都参与其中，还可以包括政府或国外大的投资公司建立的风险基金和非赢利性的公益基金。

图5 充电设施建设PPP模式结构图

（3）PPP模式充电设施建设。对于城市中大规模性的充电设施建设需由政府部门统一规划和建设，项目资金需求量较大，可以引入PPP模式，通过市场化的方式引入社会力量，可减少公共支出，提供更加专业、高效的服务，可以推动充电设施快速发展。（图5）

公共机构根据地方规划和需求提出充电站、充电桩的建设，采取PPP方式引入社会资本方，应具备相应充电设施建设运营资格和经验。项目合作采取社会资本方和政府资本方通过协议联合设立项目公司，政府授予项目公司特许经营权，规定经营期，期满后移交政府，并可提供建站补贴。而项目公司提供建设、运营、融资、设计等一系列服务，通过使用者付费获得回报。

4、使用子模块

（1）充电设施信息平台。智慧城市中的信息平台是构架中重要的一部分，为了减少等待时间，保证足够的充电设施，提高充电效率，信息及时性及准确性。充电设施信息平台主要针对电动汽车使用提供咨询充电设备使用情况、提前预约、智能调度、应急服务等功能：①当用户需要进行车量充电时，可以向信息平台咨询当时所在地周围充电设施的使用和排队情况及等待时间；②消费者可以在一定时间范围内向运营商进行服务预约，以确保驾驶者能在达到服务区域后短时间内获得充电服务，同时也保证充电设施的使用效率，在充电完毕后提供短信通知等服务；③通过智能调度的功能，对电网和消费者需求两方面进行考虑，加入交通情况等影响因素，进行电动汽车充电点选择及充电线路规划；④在充电设施信息平台发展较为成熟后，可在用户车辆上安装电池采用信息感应收集装置，为驾驶者合理使用及充换电需求提供指导；⑤由于电动汽车自身故障或电池续航能力不足，可能会出现中途停驶的情况，通过构建充换电站服务网络，可以为驾驶者提供应急充换电服务。

充电设施信息平台应是使用者使用较多的一个咨询平台，可以与手机APP软件结合，做到“车机一体”，驾驶者可以通过手机对电动汽车充放电情况、充电站情况进行准确及时的了解。同时咨询平台可以联通更多领域，如停车、打车、租车等相关领域。

（2）投诉调解服务系统。对于电动汽车而言，除了传统汽车发生的事故冲突外，其技术的特殊性可能发生充电故障纠纷问题、电力故障责任纠纷问题。投诉调解服务系统是一个较复杂的系统，只有在智慧城市全面感应，获得充分信息之后，才能对纠纷问题做出公平公正的解决。电动汽车的事故责任确认规章应由政府制定并不断完善。当然，服务系统还要和驾驶者、运营商、电网、交警、法院等进行多方沟通协调，这样的协调则需要依靠互联网等技术来实现。调解服务必须公平公正，充分保证纠纷双方的必要权力，才能有利于电动汽车及充电设施的发展。

5、监控子模块

（1）售后服务系统。电动汽车和传统汽车一样，在使用过程中同样会出现汽车自身故障及电池充电故障，应借鉴传统汽车的维修机构和网络，为电动汽车和电池提供维修、保养服务。为了提高维修及保养效率，同样应利用数据库等技术，建立电动汽车维修案例库，进行信息共享，提高效率。鼓励多种投资主体进行共同建设。对于电池充电故障的检查应由第三方进行建设，监测电动汽车在充换电站的充电情况，为电动汽车使用者提供信息透明化的充电换电服务，减少电池故障，维护使用者权利，具体的检测费用可以由双方协商共同承担。对于充电设施运营期间的维护维修应由拥有建设信息的建设方来进行，这样能更好地保证充电设施可持续性使用，而应用PPP模式便可以满足这种需求。

（2）电池回收及监控系统。智慧城市的目标是构建可持续发展的智慧城市，电动汽车带来了便利同样也带来了很多问题，技术尚不成熟的产业初期，频繁更换的电动汽车电池是一大难题。为了延长电池的使用寿命，对电池状态监控十分重要，电池的监控系统应具有提供提醒使用者在最优充电深度进行充电，及对不同使用状态的电池进行有效的护理。对电池回收网络应该进行逐步的规划，进行充电电池的回收利用，形成市场化的电池回收网络。

6、未来发展路径。对于充电基础设施的管理与运营系统的实现应遵循顶层设计的规划原则，在实现和建设各项业务及应用时，需考虑体制机制、信息、技术及绩效评价方面的构架建设及具体实施方案，构成全面的智慧导向型管理与运营系统，实现使用者及建设管理者的各种需求。同时，顶层设计应同底层设计相结合，在系统构架中相对应的各知识体系及建设体系应有相对应的底层设计，通过各种平台设计和应用系统设计是完成系统构建的主要路径，而云计算、物联网等先进的信息技术是其必要的支撑。

三、总结

目前，电动汽车基础设施建设未形成较好的管理运营体系，不能保证较好的充电服务而阻碍着新能源汽车的进一步发展，因此应对管理运营体系应进行智慧、系统的设计。因电动汽车及其充电设施的建设是智慧城市建设中的一个项目，本文在智慧城市“以人为本”的理念和智慧城市基本构架上，结合智慧城市的先进技术，提出了智慧城市电动汽车充电设施管理与运营的系统构架和构架中的主要功能模块，并提出了各个模块的解决方案，结合智慧城市的发展要求为电动汽车充电基础设施的规划发展提供了建议。通过这种方案设计，智慧城市的先进信息技术及构架理念可以使电动汽车及其基础设施更高效地发展，更好地与相关部门和行业相联系，形成一个高效的产业生态链，而电动汽车及其基础设施的发展也能使城市更加绿色、智慧。

主要参考文献：

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基金项目：国家自然科学基金面上项目：“PPP项目社会风险的机理分析、动态评估与综合治理研究”（71472037）；国家自然科学基金青年项目：“基础设施PPP项目残值风险动态预测与监控方法研究”（71001027）；江苏省社会科学基金资助项目：“江苏智慧城市建设与发展研究”（13G LB005）；江苏省社科联社科应用研究精品工程课题：“基于PPP的智慧养老服务体系构建研究”（15SY C－087）

中图分类号：F29

文献标识码：A