充电桩的“前世今生”

作者:李扬、熊昱,编辑:宋盛禹、危琨,头图来自:视觉中国

一、新能源汽车充电桩的概念

在环境问题、能源问题愈发严重的今天,加强新能源汽车充电桩的开发和应用具有重要意义。

新能源充电桩是为电动汽车充电的专用电力设备,由桩体、电气模块、计量模块等部分组成, 一般具有电能计量、计费、通信、控制等功能。

按充电方式分,可分为直流桩和交流桩;按安装地点分,可分为公共桩、专用桩。相比较而言,直流充电桩更加常见。直流充电桩主要可以分为单枪充电、双枪轮充、双枪同充、分体式充电桩群充等方式。其中新能源单枪充电桩的结构和操作最为简单,成本也相对较低。但也存在一定的问题,那就是这种充电桩只能够对大功率的新能源汽车进行充电,投入设备较大,而且充电限制较强。

不仅如此,该种充电桩需要工作人员进行充电调度,对于一些小功率新能源汽车而言,十分浪费,必须要对单枪充电桩进行改造,后期的升级费用也非常高昂。而双枪轮充充电桩在一定程度上弥补了单枪充电桩的缺陷,虽然利用率有所提高,也不需要人工调度,但是无法同时进行充电,而且还会对电池寿命造成一定的负面影响。

此外,双枪同充充电桩可以同时充电,利用率得到了明显提升,但车辆多的时候也需要人工进行干预调度。最为主要的是双枪同充充电桩属于固定功率,因此成本较高。而分体式充电桩群,通过动态充电结构,可以同时对多辆新能源汽车进行充电,但是无法对电功率进行分配。

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图1 新能源汽车充电桩的构成

综合上述几点信息情况来看,需要根据地区实际情况,有针对性地选择充电桩。以小区为例,如果小区内的新能源汽车数量较少,可以安装新能源充电桩的空间较小,就可以选择双枪同充充电桩,反之就可以安装分体式充电桩群。最重要的是,可以通过小区内用电功率的科学分配,来保证充电桩的用电功率充足。在实际安装过程中要加强对充电桩的防护,避免雨雪、太阳暴晒等因素对设备造成的负面影响,并且对充电桩可以在结构、控制方面提出更高的要求。

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图2 新能源汽车充电桩的分类

(数据来源:新基建-新能源汽车充电桩发展解读)

二、新能源汽车充电桩的“昨天”

1. 国外充电桩行业发展概述

据国际能源署有关统计数据显示。2019年全球新能源汽车充电桩数量保持高速增长,涨幅约为2018年的60%,为近3年最大增幅,全球累计充电桩保有量超740万台。

美国新能源汽车充电设备可分为三类:交流Levell充电设施、交流Level2充电设施和直流Fast Charger充电设施。目前安装数量最多、分布面积最广的是交流Level2充电设施,其次是直流Fast Charger充电设施,主要分布于城际与洲际高速公路,为长途驾驶的电动汽车提供快速充电服务。美国政府近几年一直致力于电动汽车电动汽车充电技术方面的研究。截至2019年8月底,全美已建成充电站25843个,充电桩76954个,电动汽车充电设施已基本覆盖全美。

日本作为汽车生产研发制造领域的强国,新能源汽车的推广与充电桩的建设得到了政府的高度重视与大力推广,由于日本土地资源稀缺、供给能源体系发展成熟具有一套完整的运营建设标准体系、私人充电桩运营商的投资、技术门槛较高,导致私人充电桩建设数量较少,大幅度提高了公共充电桩的利用率。东京电力株式会社宣称,已顺利研发出了一种大型快速充电器。极大地减少了充电时间,为日本电动汽车的大规模应用带来了更多的便利性。最新数据显示。日本充电桩建设数量超过5万台,已超过传统燃油汽车加油站的数量。

英国充电服务提供商Charge master已在英国各地建立了相应的电动汽车充电桩,据英国交通部数据显示,英国电动汽车充电站累计建设数量已超过27万伸。随着充电桩的高速发展以及政府环保政策的推动,英国充电桩的建设与电动汽车的发展非常迅速。

2. 我国充电桩行业发展概述

近几年,科研院所与有关公司企业在新能源等有关技术领域的深入研究,我国新能源汽车充电技术得到了飞速发展,充电基础设备建设也日益壮大。但因我国人口基数大。地域发展不均。据中国电动充电基础设施促进联盟最新数据显示,我国充电基础设施累计建设超130万台,车桩比约为3.12:1,仍低于预期规划“一车一桩”的目标,充电桩缺口依然巨大。

2015年以来,国家多部委多次发布关于加快推进充电基础设施规划建设的有关政策措施,有力推动了我国新能源汽车充电设备的建设和发展。随着充电桩被纳入“新基建”后,各地也陆续出台了新一轮的补贴政策使得消费信心得以提升,汽车市场的逐渐回暖,充电桩产业将迎来新一轮的爆发。

三、新能源汽车充电桩的“今天”

1. 新能源汽车及充电设施产业的发展现状

2020年我国新能源汽车销量达136.7万辆,同比增长10.9%,新能源汽车新车销量占比由2019年的4.7%提升至5.4%(见图3)。市场规模连续六年居世界首位,但全球占比由2019年的53%下降至42%。根据公安部数据统计,截止2020年底,我国新能源汽车保有量达492万辆,占汽车总量的1.75%,基本完成《节能与新能源汽车产业发展规划(2012-2020年)》确定的500万辆保有量的目标。2020年《新能源汽车产业发展规划(2021—2035年)》提出到2025年,我国新能源汽车新车销售量达到汽车新车销售总量的20%左右。与此同时,2020年《政府工作报告》提出要加强新型基础设施建设,充电基础设施被证实纳入“新基建”范畴。

目前充电设施产业还处于初步发展阶段,根据中国电动汽车充电基础设施促进联盟统计数据,2020年,全国充电基础设施年度建设数量达到46.2万根,保有量达到168.2万根,车桩比从2019年的3.1:1下降到2.9:1,首次降至3:1以下。截至2020年底,联盟内成员单位总计上报公共充电桩保有量798114根(见图4),其中:按应用领域划分,包含公用充电桩557328根、专用充电桩240768根;按产品类型划分,包含交流充电桩464695根、直流充电桩332938根、交直流一体充电桩481根。

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图3 2013-2020年中国新能源汽车销量及占比

(数据来源:2020年中国汽车工业年鉴)

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图4 2016-2020年中国公共类充电桩保有量

(数据来源:中国电动汽车充电基础设施促进联盟)

截至2020年2月,公共充电桩保有量均超过6万个的包括江苏、广东和北京市,其中江苏保有量位居全国第一。

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图5 截至2020年2月公共充电桩保有量前十省市

(数据来源:中国电动汽车充电基础设施促进联盟)

2. 新能源汽车充电桩产业链划分

经过多年来的发展,我国新能源汽车充电桩已经形成了相对完整的产业链体系。新能源汽车产业一般分为上游原材料、中游核心零部件和下游汽车整车装配和后市场服务,充电桩狭义上是新能源汽车的配套环节,广义上属于新能源汽车的下游产业。新能源汽车充电桩产业链包括上游设备生产商、中游充电运营商和下游整体解决方案提供商。

充电桩的“前世今生”

图6 新能源汽车充电桩产业链

(数据来源:国资布局新基建新能源汽车充电桩篇)

①上游设备生产商

新能源汽车充电桩产业链上游包括充电设备生产企业及其元器件、原材料供应商,主要为充电桩和充电站的建设和运营提供包括电机、充电模块、芯片、接触器、断路器、外壳、插头插座、线缆材料等在内的设备与元器件。从成本构成来看,电机、充电模块为充电核心设备,约占充电设施总成本的45%~55%。

充电设备元器件包括充电模块、充电枪、滤波装置、断路器、接触器、熔断器、继电器等,其中充电模块决定充电的效率与稳定性,是元器件生产的核心环节。直流充电桩对额定功率要求较高,目前我国主流的充电桩整机制造企业如特锐德、许继电气等,均可自行生产充电模块核心部件IGBT等器件,仅需对外采购断路器、接触器、电缆等标准化电气附件。

配电设备元器件包括变压器、保护设备、低压开关配电设备、电度表等,配电设备生产环节企业布局稳定,头部效应明显。

管理设备元器件主要包括电池、辅助设备、监控计费装置、显示屏等,供应商众多且较为分散,市场竞争激烈。

②中游充电运营商与运营平台

新能源汽车充电桩产业链中游包括提供充电站、充电桩服务的充电运营商和平台运营商,负责充电桩和充电站的搭建和运营,提供充电服务。由于充电基础设施的建设运营对资金依赖度较高,加之充电桩选址、布线改造和运营管理等具有一定难度,为了发挥产业链协同效应,企业往往倾向于集设备生产、设施运营和方案提供多功能于一体,因此充电桩产业链中上游企业的角色存在一定重合。

充电桩、充电站运营商:

根据中国电动汽车充电基础设施促进联盟数据,我国充电桩保有量从2015年的6.6万台增至2019年的121.9万台,年均复合增长率达107.3%。其中公共充电桩保有量从5.78万台增至51.64万台;充电站保有量从2015年的1069座增至2019年的35849座,充电站数量最多的地区为珠三角,其次为长三角和京津冀地区。目前,我国充电桩运营商主要通过服务费、电费差价、政府补贴和增值服务获取收益,其中电费差价和服务费为主要盈利模式。基于充电桩、充电站等基础设施建设前期投入成本高、投资回收期长、使用率低等原因,大部分充电桩运营企业尚处于亏损状态。

平台运营商:

充电桩行业发展初期,产业链中游的运营商主要以企业为对象发展2C业务,如国家电网占据市场主导地位。随着新能源汽车市场持续扩大,充电桩需求快速增长催生不同的运营模式,部分充电运营商将业务方向转向2B市场,并逐步发展为专业化的运营平台模式。目前,我国充电桩平台运营主要包括运营商模式、车企主导模式、车桩合作模式、众筹模式、电动汽车分时租赁模式、公交公司充电桩EPC模式和房地产公司充电桩EPC模式。

③下游整体解决方案提供商

新能源汽车充电桩产业链下游主要是整体解决方案提供商,负责提供充电桩位置服务、预约支付功能、运营管理平台和解决方案等。其主要通过提供大数据平台支撑中游运营商由单一充电服务向提供增值服务拓展,在统筹上下游及客户需求的基础上对接充电桩运营商和车企,业务涵盖电动汽车销售、运维和用户出行服务等,大部分企业为轻资产经营。

四、新能源汽车充电桩面临的挑战

2020年9月22日,国家主席习近平在第七十五届联合国大会一般性辩论会上发表重要讲话时提出,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,CO2排放力争于2030年前达到峰值,努力争取2060年前实现碳中和。

在双碳背景下,新能源汽车发展迅猛,但同时问题也逐渐暴露出来,其中三点主要问题尤为突出。一是里程焦虑,即新能源汽车的驾驶里程比传统的汽车短很多;二是过长的充电时间,以电动汽车为例,电动汽车的充电时间长,直流快冲半小时可以充满80%的电量,交流慢充充满电需6至8小时;三是充电基础设施缺乏:新能源电动汽车充电桩布局的不合理性以及充电设施的缺乏。其中,第一和第二个问题的解决有赖于相关技术的革新与进步,而第三个问题则是我们当下需要应对的。

新能源汽车充电基础设施建设处于起步阶段,仍存在以下问题。

1. 回报周期长,商业模式单一,盈利不足

我国充电桩起步较晚,充电运营商运营能力较弱、商业模式单一,未找到合适的盈利模式,主要收入来源于服务手续费的收取,充电桩行业因其前期投入大、利润小、回报周期长、未形成品牌影响力、未找到有效的盈利模式,导致整个行业长期处于亏损状态。同时,大量外资企业入驻国内市场,出现群雄逐鹿的现象,加大了充电桩行业的竞争压力。我国充电桩的建设技术已日趋成熟,目前阻碍行业发展的是充电桩后期运营工作,充电桩仍呈现出供不应求的状态,不具备良好的运营服务模式和配套基础设施建设,难以形成品牌效应,严重阻碍运营商的正常运作。

2. 充电基础设施分布不均,充电桩比例失衡

我国充电桩数量严重不足,导致出现找桩难、充电难、维修难、有桩无车等现象。目前我国车桩比约为3.12:1,远低于《电动汽车充电基础设施发展指南(2015—2020)》规划的1:1的指标。

我国充电桩运营商发展初期“重数量、轻运营”,虽然多数充电桩集中分布于市区,但初期因对运营选址重视不足。部分充电桩布局在车流量较小、人烟稀少的偏远位置,导致充电高峰期车主想要找到空闲的、可使用的充电桩存在较大难度,造成充电桩整体利用率较低,难以形成良好的口碑。

充电站一次性建设投入成本高,运营模式老套,后期需较大维护成本,利用率难以匹配。此外,我国资源分布不均、人均土地利用率低、老旧小区增容改建难度大、市场监管力度不足等问题也在一定程度上制约着我国充电基础设施的进一步发展。

3. 行业标准不完善,产品质量存在安全隐患

我国电源行业发展成熟,规模壮大,但由于充电桩产业门槛低,大量资本涌入市场,行业前中期暂未形成比较完善统一的验收与监管标准,标准化的建立晚于市场发展,导致大量前期建设的充电桩产品质量参差不齐,质量问题频出,严重危及消费者的人身安全。充电桩运营企业互联互通广度和深度不够,企业之间的利益纠纷,充电设施与充电接口、通信协议、消防安全等标准暂未统一,严重阻碍了充电桩与新能源汽车的发展。

五、新能源汽车充电桩“未来”

未来,以需求和问题为导向,新能源汽车充电桩智能化程度将进一步提升,支付场景将更加丰富化和便捷化,充电装的安全性也将进一步提升。

1. 智慧充电系统

随着5G技术与物联网技术等高新技术的飞速发展,传统充电桩仅具能提供能源补给单一的功能,并且由于充电运营商商业模式单一、后期运营维护能力弱,导致用户充电难、找桩难、支付难、充电桩用率低下等一系列问题,难以满足当前我国智慧城市发展的需求。充电桩系统向着智能化、人性化的方向发展是我国充电桩产业发展的必经之路。在人工智能物联网技术、5G通信技术的结合下,智慧充电系统不但具有能源供给功能,而且还能实现环境检测、人工远程监控、灯光照明、人机交互等人性化功能。智慧充电系统能为以客户为中心,为客户提供客服人员远程监控与维护、移动支付、智能选址等诸多便利;实现了充电运营商联网操控、服务与数据管理功能,便于大规模集中部署管理,优化人员管理分配问题,大幅度提高充电桩的使用与管理效率。

2. V2G系统

电动汽车入网技术简称V2G技术(Vehicle-to-Grid)。可以实现当处于用电低谷时期,此时电网负荷较小,产生过量的电能。电动汽车作为能源存储装置,存储电网产生的多余的电能实现能源的储存。当电网处于用电高峰时期,此时电网负荷较大。电动汽车作为供电装置反向馈电给电网,实现平衡用电高峰期的电力需求。

V2G技术可以实现电动汽车与电网之问的双向通信和能量流动,大幅度减小因大规模电动汽车并网充电时对电网的冲击。有效增强了电网的稳定性,降低了电网负荷,从经济角度上超越了传统燃油汽车,实现了电动汽车与电网的互利共赢。V2G技术是一种基于电力电子技术、电力调度技术、电能计量技术、通信技术等高新技术深度结合下而衍生出的新技术,V2G技术将为我国实现电力系统智能化提供强有力的技术保障。

3. 充电平台互联互通

在技术上实现物理接口的互通并不困难,电动汽车生产厂家与充电桩制造商只需统一通信协议标准即可实现。实现各新能源汽车生产厂商、充电桩运营商之间支付方式与车桩数据信息的互联互通可以使得消费者在一款APP上便可实时监测车辆的充电状态,能够有效解决用户找桩难、支付方式繁琐等一系列问题。

总而言之,新基建驱动着我国充电网的大规模建设,新能源充电桩已成为我国城市新型基础设施建设重点方向之一。充电桩行业建设在政策支持下正推动着我国传统产业改革向网络、数字、智能化方向转型。智慧充电系统基于人工智能技术着力提升充电桩系统的高度便捷信息化水平,是实现智慧生活的重要环节。电动汽车入网技术实现电动汽车与电网之间的能源互联互通,借助V2G技术使得电动汽车具备负荷管理、调峰调度和数据共享的作用,实现电网与用户互利共赢,助力电动汽车取代传统燃油汽车进程。充电桩运营商之间实现数据信息互联互通,共享服务平台具有更人性化的服务,提升了用户的体验感,有效地解决了车主充电时的困扰。在新基建的推动下,我国充电桩产业未来发展前景良好。

参考文献

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作者:李扬、熊昱

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