淺談電動汽車充電樁發展趨勢

2020年是電動汽車發展較為關鍵的一年，這一年全球新能源汽車的銷量首次突破310萬輛，歐洲更是以136萬輛的銷量超過中國奪得2020年全球新能源汽車銷售冠軍；這一年特斯拉市值超豐田成為全球第一，蔚來起死回生，市值超比亞迪成為中國第一；這一年特斯拉、比亞迪、蔚來、小鵬等電動汽車品牌越來越為普通大眾所接受，擺脫政策補貼的陰影，成為購車時的最佳選擇；這一年眾多車企都推出了1000公里續航，超快充電的車型，電動汽車不再有里程焦慮……；回顧電動汽車技術飛速發展的這五六年，電動汽車從性能低下到和燃油車勢均力敵，發展速度已經超出了原先的預期，未來10年將是電動汽車加速替代燃油車的10年，而2021年則是電動汽車應用元年。電動汽車的普及應用離不開充電樁的配套，本文則是拋磚引玉，探討一下未來充電樁的發展趨勢。

01、電動汽車的普及為歷史之必然

電動汽車替代燃油車已是不可逆轉之趨勢，首先從國家戰略層面來看，電動汽車替代燃油車可以解決我國石油對外依存度過高的問題，同時可以解決我國汽車產業技術長期落后于人的問題，實現彎道超車；其次電動汽車性能相對于燃油汽車有碾壓性優勢，30萬的model 3零到百公里加速度3.3S，可以媲美300萬的法拉利F8；再次從成本上考慮由于不需要復雜的機械傳動，電動汽車的結構比傳統燃油車簡單得多，Tesla上海工廠引入的6000噸的壓鑄機，可以將傳統車架中的需要加工再組裝70個零件，焊接1000至1500次的復雜生產過程，變成一次簡單壓鑄加工，讓焊接兩小時變成壓鑄兩分鐘，并節省20%的成本。待到電池技術的成熟，電動汽車的成本將低于燃油車；另外由于電動汽車沒有空濾、汽油濾、機油濾等傳統保養項目，僅需對電池定期檢測，維護成本也低于燃油車。

當前阻礙電動汽車普及的關鍵在于電池與充電，電池成本占到了整車40%左右。Tesla在2020年的電池會議上宣稱采用無極耳結構優化后的4680 電池后續航里程將增加 54%，成本將下降 56%；中國工程院院士陳立泉表示液態鋰電300Wh/kg是極限，全固態鋰電是趨勢，能量密度可達500Wh/kg，5到10年后即可批量應用。一旦電池的問題解決了，剩下的便是解決大功率充電設施配套的問題。

02、電動汽車充電困境

隨著電池技術的日益成熟，電動汽車充電速度越來越快，充電設施的建設在技術參數上需超前于現有車輛。早期充電樁功率多為60kW，10分鐘可增加續航66公里，當前主流充電樁功率為120kW，10分鐘可增加續航123公里，但實際上電動車輛多達不到這個充電功率。2021年新的ChaoJi標準即將發布，截至2025年市面上將停止投放老的GBT充電樁。屆時主流充電樁的功率將為240kW/350kW（單槍），滿足10分鐘增加266公里或是389公里的續航，達到油車加油般的體驗。

大功率ChaoJi充電樁在技術上進展迅速，240kW的ChaoJi充電樁已經在車廠及設備廠反復測試，Tesla批量部署的V3樁給Model3充電也可以單槍240kW輸出，而Porsche Taycan 800V的平臺所配套的350kW超充樁也已經大規模批量應用。

新能源汽車產業發展規劃(2021—2035年)：

到2025年，純電動乘用車新車平均電耗降至12.0千瓦時/百公里，新能源汽車新車銷售量達到汽車新車銷售總量的20%左右。

到2030年，新能源汽車新車銷售量將達到新車銷售總量的50%

到2035年，新能源汽車保有量將超過1億輛

大功率ChaoJi充電的瓶頸在于快充樁批量部署給電網系統帶來的壓力，如果未來深圳市800個加油站全部替換成充電站，則單個站點20個350kW快充樁需要8000kVA配電，全深圳需要640MW容量專為車輛充電，這相當于嶺澳-大亞灣核電站的全部裝機容量。另外還有輸配電系統改造以及帶來的峰谷問題。

當前我國乘用車保有量為3億輛，如果10年后其中一半車輛換成電動車，且電池容量150kWh（1000公里續航），則車載動力電池儲能可達200億kWh以上，相當于我國每天消費的總電量；如果其中10%的電動車即1500萬輛車以100kW的功率充電，那么充電功率達到15億kW，與全國電網總裝機容量相當；但如果按電能消耗來算，平均每輛車年行駛兩萬公里，1.5億輛車每天消費電量大約是10億kWh，占日電能總消費量的5%，這是完全可以接受的。

電動汽車充電的特點在于充電功率巨大，但總耗電量不大，充電波動大，同時儲能潛力也巨大，如果換個思路，用電動汽車的儲能潛力來平抑充電及電網的波動豈不是兩全其美的事？故電動汽車充電的終極解決方案得從國家的整體能源戰略來考慮。

03、新能源應用困境

充電系統的發展必須從國家能源戰略的角度來考慮：

2030年碳達峰，2060年碳中和

減碳的關鍵在于能源低碳化，即用新能源代替傳統的化石能源。目前我們中國的能源情況是富煤缺油少氣，煤、石油、天然氣加起來占整個能源的85%。我國2018年自產的原油是1.9億噸，國外進口的原油是4.6億噸，對外依存度已經是71%，這4.6億噸的原油還不夠近3億輛燃油車的消耗，所以一定要實現交通工具的電動化，這是從國家能源安全的角度來考慮。

電動化就得發電，我國的電力供應有3/4是煤電，煤電污染大，如果電力獲取方式不改變，那么電動汽車每行駛1公里帶來的碳排放與內燃機碳排放是一致的，所以必須用新能源發電來替代傳統的煤電。

新能源發電主要是指光伏和風能，水電也是無污染能源。光電、風電具有波動性大、間歇性強的先天缺陷，這給電網穩定運行帶來極大風險，導致風電、光電上網難、輸送難，上不了網的電就得丟棄掉，我國每年棄電量都超過了三峽電站的裝機量。水電也有季節性波動，為了保障旱季穩定的能源供應，我國西南部每建一座水電站都會配套建一座煤電站。以上問題都大大限制了可再生能源發電的發展。

用電動汽車巨大的儲能潛力來消納和平衡可再生能源發電是個不錯的選擇。對于分散的分布式新能源電可以用充電樁及電動汽車分布式存儲或消耗，但是對于偏遠地區像西北的光伏發電還得考慮長途輸送的問題，兩個方法，特高壓輸電和制氫。發電高峰期電能不能全部輸送就電解制氫，發電谷期再氫能發電，實現發電側的削峰填谷。同時氫氣還可以通過管道輸送或是車輛運輸的方式運送至外地，用于鋼鐵冶金、制熱以及交通這幾個傳統的煤炭應用行業，氫氣可以替代煤炭作為冶煉中的還原劑，同時氫氣的燃燒熱值高，約為汽油的3倍，酒精的3.9倍，焦炭的4.5倍，燒完了就是水，在制熱，氫燃料汽車都可以廣泛應用。

這樣我們可以看到未來能源低碳化的趨勢：新能源發電代替煤電，發的電又可以驅動電動汽車來替代燃油汽車，同時多余的電制氫用于其它高耗能行業替代煤炭，從而破解新能源應用的困境，實現新能源替代傳統化石能源的閉環應用。

所以充電系統的發展趨勢與國家的能源戰略對其自身及電動汽車的定位是一致的，大功率充電實現燃油車輛的電動化，大容量儲能加速發電的低碳化。

04、充電樁的定位

中國科學院院士歐陽明高給新能源汽車的定義是：新能源汽車是交通工具、儲能裝置和智能終端三位一體的產品。國務院辦公廳發布的《新能源汽車產業發展規劃（2021-2035年）》也提出，促進新能源汽車與可再生能源高效協同，統籌新能源汽車能源利用與風力發電、光伏發電協同調度，提升可再生能源應用比例。可見無論是從技術層面還是從國家能源戰略頂層設計層面，電動汽車都有兩個重要的屬性：高性能無污染交通工具、新能源發電的消納和儲能設備。由此我們可以推導出充電樁的兩個重要屬性：電動汽車快速充電設備、電動汽車與電網能量交互的能源路由器。

我們不妨先假想一下10年后的電動汽車使用場景：此時北上廣深等一線城市電動汽車保有量超50%，電網系統不再以傳統方式給車輛充電，而會強制車輛V2G有序充放電。電動車主會養成平時V2G充放電，應急ChaoJi充電的習慣；屆時小區、辦公樓、商場會滿配V2G充電樁，一旦停車便會插上充電槍，將車輛動力電池掛在電網上，系統會根據電網及車輛情況進行V2G有序充放電；高速公路、城市交通要道則會配置ChaoJi充電站，實現240kW/350kW的超級快充，10分鐘補電380公里。

至此我們可以看到電動汽車充電樁今后的兩個重要發展方向：大功率ChaoJi充電，實現加油般的充電體驗；能源互聯網節點，實現V2G/V2X。

05、充電樁發展趨勢

趨勢一：大功率ChaoJi充電

傳統燃油車加油時間大概為10分鐘，電動汽車若是要媲美燃油車就得實現10分鐘增加400公里續航，這大概需要350kW的充電功率，而我國當前通用的充電樁最大才750V/250A即187kW輸出，實際應用還要大打折扣，要實現大功率充電就必須用更高的電壓和更大的電流，ChaoJi充電標準可實現1500V/600A，最高900kW功率輸出。

大功率ChaoJi充電將會呈現以下幾個特點：

1、更高的電壓

充電電壓取決于電動汽車所選取的系統平臺，乘用車一般是400V的系統平臺，這就決定了國內主流乘用車一般充電功率不會超過100kW，故當前主流充電樁功率僅為120kW。采用800V系統平臺是乘用車充電發展的趨勢，Porsche、Audi、Benz、BMW、Tesla均開始了800V的高壓化進程。

電動汽車電壓平臺的高壓化必然要求充電系統的高壓化，對于乘用車來說1000V的充電平臺將會是主流，英飛源在業界首先推出基于SiC器件高可靠性充電模塊，輸出電壓范圍150V~1000V，該模塊起先是針對海外市場的高端應用，隨著國內ChaoJi標準的推廣以及SiC器件的廣泛應用，基于SiC的高壓模塊必將在國內得到更為廣泛的應用。

2、更大的電流

當前國標充電槍最大電流為250A，要想充更大的電流就得插2把槍，這對于大型工程車輛尚可，對于小型乘用車是難以實現的，其實最簡單的辦法就是采用液冷充電槍，更輕、更細，電流可達500~600A，價格也更貴。當然，隨著液冷槍的廣泛使用，價格大幅度下跌是必然的，就像當年整流模塊也有過價格過萬的歷史，現在跌去了一大半。

3、更可靠

充電樁的核心在于充電模塊，當前普通充電模塊的保修期限多為2~3年，對于充電場站來說，經營得好的話也得3年才能回本，若要持續穩定盈利的話，模塊得有5~8年的使用壽命。針對這個問題，英飛源給出了隔離風道灌膠方案。

早在2018年，英飛源在業內就率先推出了30kW隔離風道灌膠的整流模塊，該模塊有如下特點：

PCB表面除了噴三防漆，還灌膠涂敷，保護帶電器件及PCB

功率器件使用開模塑膠密封件完全密封，使之與風道隔離

風道優化設計，風只吹發熱元器件，不發熱或發熱量小的器件位于PCB和機殼之間，并被擋風條保護，從而免于粉塵污染和腐蝕。

輸出電壓50~1000V，恒功率范圍300~1000V，滿足所有車輛快速充電需求

英飛源的隔離風道灌膠模塊獲得了國網電科院、CE、UL、KC等國內外認證，被廣泛應用在海邊船用充電、工地泥頭車充電等高溫、高濕、高塵、高鹽霧的場景，可靠性得到了海內外客戶的一致認可。

4、儲能及多能源輸入

大功率充電樁的普及已經毋庸置疑，問題是大功率輸配電設施的建設。如前所述，電動汽車充電的特點是充電功率巨大，但總耗電量不大，解決這種用電負載的最佳辦法就是儲能。

儲能可以實現充電系統的動態擴容，從而無需向電網申請更多的配電容量。電動汽車充電是間歇性的：充次電10來分鐘，然后充電車輛拔槍、駛離，新的車輛停車、插槍、掃碼啟動充電。儲能電池可以在電動汽車充電的間隙從電網獲取能量給自身充電，在電動汽車充電時和電網一起給車輛充電，從而實現充電功率的倍增。

對于光照強烈且無遮擋的場地，光伏的引入也是充電系統的不二之選，尤其是高速公路服務區的站點。此時可將光伏發電直接用于車輛充電，實現充電功率的擴增，充電間隙光伏發電則可存儲于儲能電池，利用儲能電池實現光伏消納。光儲充系統將原先光伏的平價上網轉換成給車輛的峰值充電，除了動態擴容，還帶來了額外的電價收益。

針對儲能充電應用，英飛源推出了光儲充檢一體式系統及解決方案，該系統具有如下特點：

模塊化設計，可根據實際情況增減儲能、光伏及充電功率

安全可靠，電網、電池、車輛、光伏接入之間完全電氣隔離

動態擴容，通過儲能電池，光伏實現充電功率倍增

光伏消納，平衡消納光伏發電，提高光伏系統收益

峰谷套利，夜間谷期儲能電池充電，白天峰期給車輛充電，實現套利

電網治理，儲能系統可實現無功補償、有功平衡及應急供電等功能

車輛檢測，可實現車輛動力電池的滿充滿放檢測性能，節省時間及費用

這套方案已經在全國多個站點展開示范性應用。

趨勢二：能源路由器

電動汽車是我國新能源戰略中最為重要的角色，2億輛電動車的儲能就能滿足我國每天的電能消耗，風光消納、水電平衡、削峰填谷都需要電動汽車來儲能， 電動汽車簡直就是行走的充電寶。電動汽車與電網的能量交互需要充電樁來完成，有如信息互聯網，充電樁就是能源互聯網中的路由器，實現能量的自由流動。能源互聯網的發展將再一次改變我們的生活方式。

能源路由器可以實現以下功能

電動汽車通過充電樁從電網獲取能量

光伏發電通過充電樁讓電動汽車來消納光伏

風力發電通過充電樁讓電動汽車實現風電消納

車與車之間通過充電樁實現V2V

車與電網之間通過充電樁實現V2G及削峰填谷

車與微電網之間通過充電樁實現V2H

當電動汽車保有量超1億輛時，電網將不堪傳統充電方式所帶來的壓力，必將強制所有電動汽車采用V2G的方式有序充放電，屆時小區、商場所配置的7kW交流充電樁將全部無縫替換成7kW V2G充電樁，充放電時段、功率都將由電網系統統一調配，以滿足電網整體穩定性的需求。一般情況下，電動車主無需考慮車輛何時充電，只需在停車時將充電槍接入，車輛和電網會自動協商，保證用車時車輛電量滿足車主需求，若是車輛急需充電，則可去ChaoJi充電站補電10分鐘，續航380公里，而無需像油車那樣必須每次都行駛至加油站。

作為能源路由器的充電樁不僅僅實現V2G功能，更要考慮各類V2X功能的實現，隨著電動汽車儲能功能的日益強化，傳統的中心化的火力發電站將會更多的被分布式的光伏發電所替代，分布式發電、分布式儲能、分布式用電將是必然趨勢。既然是分布式發電，那傳統的中心化的集中電能管理方式就可能失效，取而代之的將是去中心化的管理方式，區塊鏈技術將在能源互聯網的應用中大放異彩。

區塊鏈技術也是能源互聯網中不可缺少的一環，V2G實現能源路由器的能量流動，區塊鏈技術則實現能量流動的記錄，區塊鏈的功能如下：

分布式能源，去中心化，實現個人能源交易

精確記賬，記錄每一度電的流通路徑

不同能源轉換的損耗、遠距離傳輸的損耗自動計算

實現了能源接入互聯網的數字化

有了區塊鏈技術，我們將清楚的知道自家樓頂發的電是給隔壁老王家用了，還是給樓下老張家的電動車充電了；也會知道今天車輛充的電是來自電網還是來自隔壁老王家發的電，或是樓下老張家的電動車。

能源路由器的核心在于V2G功能，針對V2G應用，英飛源推出了7kW及15kW的雙向能量變換模塊，并且提供7kW、15kW、30kW、60kW、120kW等全系列V2G充電樁產品及方案。英飛源的V2G充電樁已經完成了市面上主流電動車輛V2G功能的適配以及電網的V2G后臺對接，并且在全國數十個站點示范運行，英飛源的雙向變換模塊及V2G充電樁處于全球領先水平。

06、未來展望

10多年前，手機真是個手機，出門旅游還得帶相機，開車得用車載導航，打游戲還得開電腦，10年后的今天帶上手機就擁有了一切；10多年前手機充電一次續航一星期，10多年后的今天每晚手機必須插上充電器；5年前電動汽車還只是個大玩具，現在電動汽車性能可以碾壓燃油車；現在燃油車加油一次續航一星期，10年后也許我們停車沒事就插上充電槍，有事ChaoJi充電10分鐘續航380公里。一切只待習慣的改變……

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