探索创新开发充电补能模式加快道路交通减碳降碳

文/赵忠山 赵曦 邵伟 韩芒 毕竞超

随着社会经济和工业化快速发展，全球气候变暖不断加速，已经严重影响了人们的生活和生存环境。交通领域作为温室气体与空气污染物排放源之一，占全球温室气体排放量的15%，并保持持续增长。我国是交通运输大国，交通运输是四大重点碳排放行业之一，碳排放量大约占我国碳排放总量的10%。近年来，随着社会经济的快速发展和私人汽车的进一步普及，交通运输领域碳排放也快速增加。虽然我国大力发展新能源汽车并取得了显著成果，产销量连续9年位居全球第一，但由于充电补能设施发展相对滞后，制约了新能源乘用车的进一步普及，尤其是碳排放占比较大的新能源商用车发展缓慢，导致道路交通领域减碳效果难以满足“双碳”要求，亟需创新充电补能模式，进一步加快新能源汽车发展速度，从而大幅度提高道路交通减碳降碳能力。

本文介绍了我国新能源汽车发展现状及减碳情况，剖析了充电补能设施现状及存在的主要问题，提出了创新充电补能模式的初步思路和建议。

一、我国新能源汽车发展现状及减碳情况

（一）我国新能源汽车现状

经过多年努力，我国新能源汽车行业取得了快速发展。据中国汽车工业协会发布的数据，2023年，我国新能源汽车产量和销量分别完成958.7万辆和949.5万辆，同比分别增长35.8%和37.9%，市场占有率达到31.6%，高于上年同期5.9个百分点。其中，纯电动汽车销售668.5万辆，同比增长24.6%；插电式混合动力汽车销量280.4万辆，同比增长84.7%；燃料电池汽车销售0.6万辆，同比增长72%。新能源商用车销量44.7万辆，占新能源汽车销量的4.7%。新能源商用车产量和销量分别占商用车产量和销量比例为11.5%和11.1%，新能源乘用车产量和销量分别占乘用车产量和销量比例为34.9%和34.7%。

（二）我国新能源汽车发展存在的问题

由以上数据可以看出，我国新能源汽车行业发展取得了长足进步，但距离满足“双碳”目标要求仍有较大差距。主要原因一是乘用车市场渗透率，特别是纯电动汽车的渗透率有待进一步提高；二是占碳排放大头的商用车，特别是重型卡车新能源车市场渗透率增长缓慢；三是适宜长途出行的新能源汽车较少，这些都制约了道路交通减碳降碳的力度和效果。

1.纯电动汽车占比有待进一步提高

不论从理论上还是实际情况来看，纯电动汽车相比混合动力汽车减碳效果更好。虽然从总量来看近几年纯电动汽车每年都在增加，但由于充电设施不完善，混合动力汽车增长势头更为迅猛，在新能源汽车中占比不断提高，从而导致纯电动汽车占比的下降。比如2022年纯电动汽车销量占新能源汽车销量的77.9%，2023年则为70.4%，插电式混合动力汽车占比则相应增加了7.5个百分点。这对减碳来说是不利的。

2.商用车新能源渗透率提高缓慢

商用车在交通领域扮演着重要的角色。尽管商用车的保有量只占汽车保有量的12%，但其碳排放量占汽车碳排放总量的50%以上。因此，如何解决商用车层面的碳达峰和碳中和问题成为亟需解决的课题。

商用车，特别是重型卡车虽然数量不多，但碳排放量却超过了乘用车，因此应该是减排的重点。但由于其装载电池重量和体积较大，造价和成本较高，充电时间较长等原因，新能源商用车渗透率提高较为缓慢，影响了减碳进程。2022年新能源商用车销量33.8万辆，占新能源汽车销量的4.9%，占商用车总销量的10.2%。2023年新能源商用车销量44.7万辆，占新能源汽车销量的4.7%，占商用车总销量的11.1%。新能源商用车销量占商用车总销量的比例仅提高了0.9个百分点，新能源商用车销量占新能源汽车销量的比例甚至下降了0.2个百分点。

3.长途出行的新能源汽车较少

由于目前电动汽车实际续航里程的限制和公路沿线充电设施不足等原因，长途出行的新能源汽车，特别是纯电动汽车数量较少，纯电动商用车更是少之又少。如果设置一个新能源汽车高速公路行驶渗透率指标（单位时间内通过某一道路断面的新能源汽车数量与通过这一断面汽车数量之比），将会远远低于新能源汽车市场渗透率指标。

（三）我国新能源汽车减碳情况

国际能源署（IEA）统计数据和中汽数据有限公司数据显示，1990-2021年，我国交通领域碳排放量增长了9倍，2021年我国汽车直接碳排放约7.7亿吨，商用车碳排放占比超过一半。交通运输领域中公路运输碳排放量最大，碳减排压力也最大。公路运输碳排放量占交通领域碳排放总量的87%。

有关部门根据2012年-2021年汽车（包含乘用车和商用车）碳排放平均历史数据测算，每增加100万辆新能源汽车，汽车领域全生命周期碳排放降低728万吨，直接碳排放（只考虑燃料直接燃烧）降低1280万吨。另据公安部发布的数据，截至2023年底，全国新能源汽车保有量2041万辆。按照以上数据推算，由于新能源汽车替代燃油汽车所产生的全生命周期碳排放减少了约1.5亿吨，直接碳排放减少了约2.6亿吨。从长远发展看，根据《中共中央国务院关于全面推进美丽中国建设的意见》中45%渗透率计算，每年我国新能源汽车增量将达到1500万辆左右，全生命周期碳排放可减少约1.1亿吨，直接碳排放可减少约1.9亿吨。其减碳潜力十分巨大。

虽然我国新能源汽车近年来得到了迅猛发展，但新能源商用车发展相对缓慢，2022年、2023年新能源商用车销量占新能源汽车销量均不到百分之五，因此其减碳效果可以说是“微不足道”。由于新能源商用车市场渗透率太低，因此还存在着数亿吨的碳减排空间。

二、我国充电设施现状及存在的问题

（一）充电设施概况

近年来，我国已建成世界上数量最多、辐射面积最大的充电基础设施体系，目前充电桩、充电站和换电站的数量均居世界第一。据中国电动汽车充电基础设施促进联盟发布的数据显示，截至2023年底，我国充电基础设施保有量达到了859.6万台，同比增长了65.0%；2023年充电基础设施增量为338.6万台。其中，公共充电桩增量为92.9万台，同比上升42.7%；随车配建私人充电桩增量为245.8万台，同比上升26.6%。主要城市换电站超过3600座。

充电基础设施与电动汽车对比情况，2022年充电基础设施与新能源汽车的桩车增量比为1∶2.7。2023年桩车增量比为1∶2.8。

（二）充电模式概况

目前我国新能源汽车充电模式主要是充电桩充电和换电站换电两种形式。根据充电功率和速度的不同，充电桩大致分为超充、快充和慢充。充电桩充电模式的优点是充电方便、保护环境、投资较少，但充电时间相对较长，维护成本较高；换电模式的优点是补能速度快，有利于车网互动、补能体验好，但建设投资较大，不同车型之间无法实现互换，目前在部分车企的坚持下也在稳步推进。国家有关部门近日也发文鼓励发展换电模式。其他充电方式还有无线充电、无人机充电、机器人充电等，但均不成熟，难以大规模推广使用。

（三）充电技术发展趋势

为了提高充电速度，目前部分车企向高压充电和大电流充电的方向发展。比亚迪、蔚来、小鹏等企业采用800V高压平台，特斯拉采用大电流充电方式。800V高压充电能够大幅度缩短充电时间，5分钟可以充电150-200公里，10-15分钟可以充电400-500公里，在补能时间上已经显著缩小了同燃油车的差距。还有更多的车企正在开发制造800V甚至更高电压等级的产品，据预测，2024年将有上百款高压充电车型上市。

换电方面，在国家政策的支持下，不断有企业加入建设换电站的阵营中，甚至有些头部加油企业也参与进来。主导换电的蔚来公司已经开发出更加高效节能且投资相对较低的第三代换电站并已开始投入建设运营。

（四）现有充电技术存在的主要问题

经过多年发展，我国充换电等新能源汽车补能设施取得了长足进步，促进了新能源汽车的快速发展，但还存在着许多问题，制约了新能源汽车的进一步发展。

1.充换电设施分布不够合理

一是大多数充换电设施分布在东部发达地区的大中城市，中西部三四线以下城市和县乡镇等农村地区充电设施较少，限制了新能源汽车的普及。二是高速公路等长途出行道路充电设施的建设相对滞后。高速服务区及公路沿线充电设施建设是新能源汽车远距离出行的保障。截至2023年底，全国已建设充电停车位的服务区共计6000余个，累计建成充电桩2万余个。以目前的设施情况，东部经济发达地区平时出行基本能够满足充电需要，但节假日则远远不够，形成充电困难，一桩难求的局面，导致大部分车主不敢在高峰时段驾驶电动汽车长途出行。随着新能源汽车的快速发展，这种状况将会进一步加剧，单纯依靠增加充换电设施的数量是难以解决的。

2.充电自动化程度低成为制约新能源汽车发展的主要因素

目前的充电系统基本都是人工操作，需要多次插拔充电枪，开合充电插口盖，比较繁琐，充电体验不佳。从技术上来讲，完全可以实现自动化。目前已经有研发和制造企业开发出自动充电机械臂和充电机器人，但由于成本较高，受充电场所限制，难以大规模推广使用，需要开发新的自动充电模式，提高用户的充电体验。

此外，发展新能源汽车的初衷是节能减排，但当其发展到一定规模时，还具有作为储能系统调节电网峰谷、利用峰谷差价盈利的功能。也就是说，在用电低峰期电价较低时进行充电，在高峰期高电价时向电网充电（反向充电），既能够对电网“削谷填峰”，调节电网，还可以利用差价增加收益。但目前的充电桩充电方式每次充放电都需要人工插枪拔枪，而电网用电低谷期在夜间，制约了车网互动的普及。因此大规模推广使用自动充电是车网互动的需要。

3.高压充电和换电的经济局限性难以彻底解决补能问题

由于高压充电系统造价高，因此多用于售价较高的车型，难以在中低价位车型上使用，这就限制了大批新能源汽车的补能速度提升。换电站由于建设投资大、运营成本高、增加了车辆的复杂性等原因，从新能源汽车发展总体来看，也只能起到辅助补能的作用。

4.不能满足商用车的补能需要

由于动力电池能量密度的制约，新能源商用车，特别是重型卡车需要装载较大的电池，导致载货量减少，售价较高，特别是充电补能时间较长，这也是新能源商用车发展缓慢的主要原因。而目前的充电技术，即便是高压充电也不能较好地解决这个问题。由于电池体积和重量较大，换电模式难以解决经济问题，也无法大规模应用。

总之，现有充电技术和设施无法满足井喷式增长的新能源汽车，尤其是新能源商用车的补能需求，亟需创新研发新的补能方式方法。

三、创新充电补能模式的初步思路和建议

（一）探索开发道路移动充电模式

目前广泛使用的充电桩和换电站都属于固定充电模式，存在着占用土地资源，充电效率相对较低，难以解决长途出行“潮汐充电”等不足。道路无线充电建设成本高、充电效率低，难以大规模应用；无人机随车充电也受制于成本只能小范围使用。因此，笔者建议探索开发道路移动充电系统。具体来讲就是开发建设“道路区间有线充电系统”，也可以称之为“充电走廊”。该系统由架设在道路上方的充电线、安装在车辆上的飞行充电槽及输电线、自动寻的系统、自动通信和计费系统等组成。在高速公路或其他公路上每间隔一段距离设置一个“充电走廊”，使新能源汽车在行驶过程中完成充电。该系统主要是借鉴城市无轨电车输电线传输电力的形式，在道路上方架设二条充电线，在汽车车身上安装可飞行升降的充电装置（类似于充电枪，可以称为“飞行充电槽”），飞行充电槽与车辆之间由输电线相连，相当于无轨电车的受电弓，起传输电力的作用。飞行充电槽借鉴无人机的原理，可在四个旋翼的推动下飞向充电线。当新能源汽车驶入“充电走廊”需要充电时，飞行充电槽在寻的系统的引导下飞向充电线，并与之相接，车辆开始边行驶边充电并计费。当驶离“充电走廊”或结束充电时，飞行充电槽飞回车辆。在道路上方可以根据车道数量设置多条充电线，使多辆车辆同时充电，实现“边走边充”。该充电系统能够显著增加同时充电车辆的数量，大幅度提高充电效率，节省土地，结合现有固定充电设施，应该可以解决新能源汽车，特别是新能源商用车长途出行的“充电焦虑”和“里程焦虑”。如果推广使用，不仅可以减少车载电池的数量，降低成本和售价，提高驾驶性能；还能够使能量密度相对较低，但资源丰富，性能更好的新型电池（比如钠电池等）的应用范围进一步扩大。

（二）研发顶置自动充电系统

随着新能源汽车的快速增长，充换电设施与供电网络的关系日益紧密。国家发展改革委等部门近日颁布了关于加强新能源汽车与电网融合互动的实施意见，要求到2030年，我国车网互动实现规模化应用，智能有序充电全面推广，新能源汽车成为电化学储能体系的重要组成部分。无论是车网互动，还是智能有序充电都需要自动充电技术为支撑。

目前的充电桩充电基本都是侧置式，也就是说充电装置安装在车辆的侧面或后侧。为了便于实现自动充电，从车辆顶部安装充电装置更为有利。建议开发顶置自动充电系统。该系统由车载飞行充电头（相当于充电枪）及输电线、安装在车辆上方空间的固定充电装置（相当于充电桩，借鉴充电桩的命名，可以称之为“充电云”）、充放电自动决策系统、自动寻的系统、自动通信和计费系统等组成。飞行充电头由四旋翼无人机和充电头组成。当车辆停在停车场所时，充放电自动决策系统根据电池的电量和当时的电网峰谷期自动发出充放电指令，飞行充电头在寻的系统的引导下飞向充电云，并插入其中接入电网开始充电或放电。当充放电结束时，飞行充电头飞回车辆顶部的底座上。该系统完全省掉了人工操作和充电桩占地，具有充放电体验好、节省用地、安装范围广（只要能够停车的地方，比如路边、小区停车场等都可以安装）、无人值守、经营成本低等优点。如果能够推广使用，与现有充换电设施结合起来，形成充电补能的“天罗地网”，真正实现“走到哪充到哪”，能够更好的解决城市充电难的问题，从而显著提高新能源汽车的接受度。

四、结束语

综上所述，只要坚持创新，不断丰富充电补能的方式方法，并与现有充电补能设施相结合，就能够构建符合我国国情的充电补能技术体系，消除电动汽车用户的“里程焦虑”和“充电焦虑”，显著提高充电体验，为将来大规模实施“车网互动”、建设新型电网奠定良好基础，从而加速形成乘用车商用车齐头并进、迅猛发展的局面，推动全汽车行业整体向电动化转型，促进我国新能源汽车更快更好发展，使其真正成为减碳降碳的生力军。