摘 要： 文章通过分析全球新能源汽车充电技术，结合我国市场实际发展状况，提出我国充电桩行业发展痛点，指出发展智慧充电智能系统、实现V2G系统、实现万桩互联互通将成为我国新能源汽车充电桩发展的方向。
关键词： 新能源汽车; 充电桩; 智慧充电系统; V2G系统;
Abstract： Based on the analysis of global new energy vehicle charging technology, combined with the actual development of China's market, this paper puts forward the development pain points of China's charging pile industry, and points out that the development of smart charging intelligent system, the realization of V2 G system and the interconnection of 10000 piles will become the development direction of new energy vehicle charging pile in China.
Keyword： new energy vehicle; charging pile; intelligent charging system; V2G system;
大力发展新能源汽车是我国降低石油依赖和节能减排的重要举措之一。新能源汽车充电桩为新能源汽车提供能源供应装置，新能源汽车的发展推动其充电基础设施的发展，两者相互促进。我国新能源汽车发展较晚，充电桩行业处于发展初期，仍然存在较大缺陷，需要不断进行市场调研和技术更新。在“新基建”热潮下，充电桩行业发展将呈现诸多新趋势，研究电动汽车充电桩对于加快推进电动汽车的发展具有重要意义。
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Level1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[1]。
美国政府近几年一直致力于电动汽车与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25 843个，充电桩76 954个，电动汽车充电设施已基本覆盖全美[2]。
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27万个[3]。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简述
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，任低于预期规划“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。
2.1、 交流充电桩
交流充电桩，是一种采用国家标准的车载充电接口，采用传导式的充电方法为电动汽车车载充电机提供能源供给的装置[4]。交流充电桩系统设计图如图1所示。交流充电桩采用嵌入式模块化技术，不对电网电流进行控制，具有技术简单、安全系数较高、制造建设成本低的特点，适合私人车主与中小型公司企业使用，是我国目前应用最为广泛的一种充电方式。但因其充电速率慢、盈利能力弱、运营商后期运维能力弱，使得交流充电桩的推广与发展受到了一定阻碍。
图1 交流充电桩系统设计图
Figure 1 Design drawing of AC charging pile system
2.2、 大功率直流充电桩
图2 大功率直流充电桩系统设计图
Figure 2 Design drawing of high-power DC charging pile system
随着开关电源技术的高速发展，使得我国直流充电桩技术发展较为成熟，由于直流充电桩输入采用三相四线制交流电，通过整流升压等变换使得输出为电压电流宽范围可调的直流电，可以实现大功率快速充电，能够有效解决临时应急充电问题。但因其使用高压大电流的方式充电，为了提高其安全性使得直流充电桩研发制造成本较高，对电池使用寿命有较大影响，因此直流充电桩适用于公共交通领域与应急能源供给。随着生活节奏加快，高频大功率直流充电将是直流充电桩未来发展的方向。大功率直流充电桩在应急充电、快速充电等方面有具有一定优势，将是分布式公共充电站首选方式[5]。大功率直流充电桩系统设计图如图2所示。
2.3、 换电模式
换电模式采用换电站或换点设施对电动汽车进行车载蓄电池的更换来实现能源供给，用户无需担心电池性能，充电效率能得到大幅度提升。但换电站体型大，初期投资成本高，土地占用率大，适合于电池规格大小与有关通信接口协议标准能匹配一致的规模化公共交通邻域与物流领域。换电模式相对于传统充电模式具有两大优点：一是省去电池购买费用，降低用户初期购置成本，有效解决电池续航能力弱、性能差等问题；二是能够实现移峰换电，仅对蓄电池充电，能够大幅度降低电网负荷。
2.4、 无线充电技术
电动汽车无线充电技术源于无线电能传输技术是一种新兴的充电技术，因其安全系数高、无充电接口匹配问题、直接埋地敷设线圈无裸漏电线等优点，受到了各国重视。我国无线充电技术起步较晚，技术壁垒较高，目前暂未规模化应用于我国市场当中。随着当今世界向着高度信息化方向发展，发展电动汽车无线充电技术是大势所趋。采用无线充技术，也让电动汽车发展的道路更加宽广。同时由于无线充电设备的安装对电动汽车整体机械结构改动较大，无线充电站或无线充电线路建设成本较高，国家政策扶持力度较小，目前仍处于实验开发阶段。
四种电动汽车充电方式对比表，如表1所示。
表1 电动汽车充电桩四种充电方式对比
3、 充电桩行业发展痛点
3.1、 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。同时受改革开放影响，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。
3.2 、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。
3.3 、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。
4 、充电桩发展方向
4.1 、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通信技术的结合下使得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。
4.2 、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[6]。V2G技术可以实现电动汽车与电网之间的双向通信和能量流动，可以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[7]。
4.3 、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，企业之间并无利益纠纷，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。
5、 总结
新基建驱动着我国充电网的大规模建设，新能源充电桩作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
[1] 于进才.电动汽车快速充电站选址定容问题的研究与应用[D].哈尔滨：东北农业大学，2019.
[2] 汪晓茜，孙智，黄越.当前美国电动汽车充电设施的规划方法和实践[J].现代城市研究，2017(1):82-89.
[3] 王盛强，李婷婷.新能源光伏汽车充电站发展现状与分析[J].科技创新与应用，2016(2):106-107.
[4] 邢欢.电动汽车光伏充电站的有序充电研究[D].北京：华北电力大学，2016.
[5] 王光宇.浅析无线充电技术的主要分类及应用现状[J].中国新通信，2018,20(18):99-100.
[6] 杨勇.小区电动汽车群有序充电策略优化[D].济南：山东大学，2016.
[7] 庞江宇.我国充电桩行业盈利模式与前景分析[J].经贸实践，2018(4):172.
