新能源汽车充电桩技术发展分析

　　近年来，我国大力提升可再生能源利用、推动低碳交通发展，新能源汽车产业发展受到了社会广泛关注。然而影响推广新能源汽车出行使用最重要问题，就是充电服务的供给和需求不匹配。国家为推广新能源汽车出行，陆续出台了相关政策支持充电桩相关技术、模式和机制创新，电动汽车快速充电、及时准确找到充电桩将为用户带来顺畅的消费体验，消除他们的“续航忧虑”。

　　充电桩呈持续攀升状态

　　2020年5月国务院发布《2020年政府工作报告》，首次提出“新基建”（新型基础设施建设）概念，将新能源汽车充电桩列为七大新基建领域之一。“十四五”以来，作为智慧城市基础设施的重要组成部分，我国充电基础设施建设取得明显进展。据统计，截至2022年12月底，我国各类充电桩保有量达到521万个，相较2020年增加353万个。其中，公共及专用充电桩保有量为180万台，私人充电桩保有量为340万台。

　　

　　2016-2022 年中国私人和公共充电桩保有量

　　根据EVCIPA数据，我国充电桩市场规模从2018年的124.3亿元增长至2021年的418.7亿元，3年复合增长率为 50%。预计2025年将有望达2000亿元，3年复合增长率为31%。

　　

　　中国充电桩市场规模及测算

　　新能源汽车充电模式

　　新能源汽车的充电模式主要通过充电桩对新能源汽车动力电池进行充电，充电桩又分为交流充电桩和直流充电桩。

　　交流充电桩:交流充电桩只提供电力输出，需连接车载充电机(OBC)方可实现充电，无法直接为动力电池充电。一般采用小电流(低于10A)在交流220V电压下进行充电，由车载充电机OBC将电网交流电进行变压整流，转换为直流电后对车电池充电，一般无需对电网进行特殊改造，主要面向个人、家庭用电动汽车，充满电需要6至8小时。

　　直流充电桩:直流充电桩采用三相四线制供电，可提供足够功率,输出高电压及大电流,满足快充需求。直流桩自带AC/DC充电模块变压整流，可直接转换为直流为车充电，具备高电压、大功率(100-300KW)、充电快的特点，能够实现10-15min百公里充电速度。直流桩对电网要求较高，需建设专用网络，因此多配备于集中式公共充电站内。
　

　

　　充电桩的直流模块可以通过提高功率密度和提高充电电压两个方向升级。前者需要高性能实时微控制器和支持更高开关频率的功率器件，而后者需要的是功率器件更高耐压以及更高的转换效率，第三代宽禁带半导体功率器件将会是很好的选择。而且随着第三代半导体开关频率的提高，需要更复杂的电源拓扑和控制算法，因此对于实时控制器的需求也进一步提高。

　　智能充电桩兴起

　　智能充电桩是新能源汽车行业发展的重要推动力之一。它不仅解决了传统充电设施存在的诸多问题和痛点，而且为用户带来了更好的体验和价值。智能充电桩可以自动识别车辆类型、电池容量和剩余电量的设备，它可以根据车辆的需求和充电桩的状态，智能地调节充电速度和时间，从而提高充电效率和安全性。智能充电桩可以利用大数据技术，对用户行为、设备状态、市场动态等进行深度挖掘和分析，为业务创新和决策支持提供数据支撑。同时，智能充电桩可以利用人工智能技术，对用户需求进行预测和推荐，为用户提供个性化和差异化的服务。智能充电桩还可以通过云平台实现远程监控、故障诊断、数据分析等功能，提升运维效率和服务质量。

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　　智能充电桩概念图

　　智能充电桩整体主要包括了控制系统、人机交互系统、安全防护系统等组成。控制系统作为最重要的一部分，其下包括了控制系统的充电单元，电源模块单元以及微型处理器工作单元三个部分。

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　　智能充电桩模块化结构

　　充电桩成本构成

　　充电桩硬件设备成本是充电桩的主要成本，占比90%以上。其中充电模块是充电桩的核心设备和主要成本来源，占充电桩硬件成本的50%左右。充电模块的主要功能为将交流电网中的交流电转换为可以为电池充电的直流电，关系到充电桩整体性能与充电安全。其中，IGBT功率器件是充电模块的关键组成部分，是在充电过程中起着电力转换与传输作用的核心器件，占据充电模块成本的20%以上。由于IGBT技术含量较高，加工难度较大，目前国内桩企对IGBT的进口依赖度较高。

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　　充电桩典型成本占比

　　充电桩未来数字化发展

　　1、新能源汽车充电桩的智慧管理平台

　　充电桩智慧管理平台通过采集充电过程信息，监控整个充电流程，对充电安全进行分析，实现充电桩的智能配电管理、安全火灾防控，从而为用户提供一个安全、便捷的充电管理服务模式，增强电动汽车充电桩的方便性、安全性和智能性。

　　智能配电管理：利用智能管理平台，根据根据智能识别充电桩中的待充电汽车的车型、功率、以往充电功率、速度、时长等数据，采用大数据技术、数据挖掘和云计算等技术进行分析，快速调整并分配充电桩的功率，实现充电汽车的快速充电。

　　安全火灾防控：全面实时监测充电安全状态，通过大数据自动分析电气的工作运行状态，发出设备维修预警，防止主电源线路因过载导致设备绝缘破坏，保护线路或充电器的短路；若充电过程温度异常升高，立即发出预警，预防电气火灾。

　　2、私人充电桩共享

　　目前，已建成的私人桩因桩主使用率低导致大量时间闲置，私人桩资源未得到充分利用，基于物联网和移动互联技术，可以打造私人桩充电分享平台，提高闲置桩资源利用率，增加车主充电便利和桩主分享收益。

　　3、充电桩的充储结合、柔性化

　　在城市配电网中，充电负荷的急剧增加，电网峰谷差日益加大。在未来的智能配电网中，充电桩需要具备柔性接入与调节能力，容无论是集中式充电场站还是分散式充电设施，均可利用储能系统与充电桩相结合，提升充电设施的弹性，降低对电网的峰值功率需求，平抑电网峰谷差，实现充电桩的柔性接入电网。

　　参考文献

　　1、方正证券研究所2023年4月研究报告；

　　2、黄秀瑜，赋能新能源汽车快速发展，全球需求共振向上；

　　3、东吴证券，2023年1月研究报告；

　　4、武浩等，储能赛道的璀璨明珠，充电桩出海的领先者；

　　5、刘涛，电动汽车智能充电桩的设计与研究，2017；

　　6、林凯斌，电动汽车智能充电桩设计及关键技术研究，2021；

　　7、国家信息中心相关文章；

　　8、赵榜阳，电动汽车智能充电桩的设计与实现。