解读 | 电动汽车充电基础设施及其商业模式

电动汽车（EV）是指具有纯电动模式以实现无排放运行的任何车辆（汽车、公共汽车、厢式货车、卡车、飞机、拖拉机等）的总称。但凡电动汽车都需要有为其充电的基础设施。我们来看看IDTechEx一份新报告谈及的一些相关问题。

电动汽车的分类

(相关资料图)

电动汽车有不同的分类，包括电池电动汽车（BEV）、插电式混合动力汽车（PHEV）、高压混合动力电动汽车（HEV）和低压混合动力电动车辆（48V HEV）。48V轻度混合动力（MH）车辆不包括在定义中，因为它们没有发动机关闭模式，尽管它们提高了燃油经济性。

电动汽车分类

电动汽车对于车载储能装置来说也有各种技术：除了锂离子电池供电的车辆外，燃料电池电动汽车（FCEV）和超级电容电动汽车（SCEV）也是“电动汽车”。中国有一个单独的总括术语“新能源汽车”，与之类似，但不包括混合动力汽车（HEV）。

充电基础设施的难题

充电基础设施的重要性不言而喻。电动汽车有可能重塑全球交通运输行业，大幅减少碳排放，为重大气候变化扫清道路。许多电动汽车车主在家中使用壁挂式充电器为汽车充电。这种安排适用于大多数人。

不过，出现了两大困难。首先，对于一些住宅，很少配备充电基础设施，安装这样的基础设施对建筑经理来说可能成本过高。第二，电动汽车需要扩展充电基础设施，以进行需要多次停车充电的长途旅行。当涉及到更长的行程时，电动汽车车主可能会经历“里程焦虑”，即担心汽车在到达合适的充电站之前会耗尽电量。

因此，建立一个强大的公共充电站加电网络是电动汽车市场成功的关键。在家里——其次是工作场所——仍然是电动汽车充电的最佳地点。这意味着公共充电站的市场是面向移动、越野（远程）驾驶和紧急情况的直流快速充电。

这是一个经典的鸡与蛋的场景。公共充电站是否有助于推动电动汽车的采用，或者更大程度的电动汽车采用是否需要更全面的公共充电基础设施？在相当于抢地的情况下，一些收费提供商正在争夺图书馆、博物馆、公园、零售商、市政停车场以及其他任何愿意安装加油站的地方的空间。利益相关者需要放弃目前使用公共资金和赠款安装电站的模式。

从历史上看，由于前期成本较高，此类大型项目往往无法盈利；在电动汽车能够盈利之前，电动汽车的使用需要更加广泛。理想的最终状态是一个可持续的、市场驱动的行业。除非它开启了一个真正的价值主张，否则它永远不会达到这种地位。本报告分析了电力公司、私人充电公司、主机厂和物业所有者在发展充电基础设施网络中的作用。

不同充电基础设施的评估

管理电动汽车充电可能给电网带来的潜在增量能源需求至关重要。随着电动汽车的广泛使用，专家对电力需求将增加多少的评估各不相同。美国能源部预测，到2050年，电力消耗将增加38%，主要原因是电动汽车的普及率很高。智能充电技术和离网充电解决方案将在电网没有可用的过剩容量来利用现有基础设施发电的情况下变得更加有利。

是否需要350 kW？

电动汽车DC快速充电器包含一个集成整流器，允许更高的功率率。这增加了成本，导致了收益递减。特斯拉第三代增压器的工作功率为250 kW；特斯拉采用320-375 V平台，但平均电池容量正在增加，到2030年可能达到100 kWh，它下一代会采用800V平台。

从350-400V到800V以及更高电压的两个驱动因素是更高的直流快速充电（DCFC）功率水平，例如350kW，以及驱动循环效率的提高。与AC充电器相比，DCFC兼容性目前是一个相对较弱的驱动因素，因为其可用性较低，并且与800V基础设施相关的成本较高。

事实上，800V平台（及以上）的新兴趋势正在如火如荼地发展，通用、现代和大众希望与Lucid Motors等初创企业一起转型。800V平台通过减少焦耳损耗并允许高压电缆尺寸减小（减轻重量）来提高效率。新技术和新材料，即使用银烧结管芯连接材料的碳化硅MOSFET和新的冷却方法，正在实现这一转变。

未来20年，在高压平台推动下，电动汽车功率电子产品的需求将大幅增加，主要原因是BEV汽车市场的快速增长。目前，BEV汽车的加权平均电池容量在所有地区都在增加，这给电池供应链带来了压力，并造成了不确定性。结果是，驱动循环效率必须成为动力系统设计的前沿，这意味着高压宽禁带（宽禁带）功率电子（碳化硅和氮化镓）的时代已经到来。

解决安装问题

充电点位置基于一系列因素，包括当前充电点使用情况、交通量、可达性、便利设施和电网容量。需要考虑的另一个关键方面是高压电源连接可能导致配电网络沿线的电压降，根据EN50160标准，该电压降必须保持低于10%。

快速充电站对配电网的影响可以通过使用能量存储系统（ESS）来减轻，能量存储系统可以减少峰值电力需求并提供额外的网络服务。此外，ESS还可以在沿线电压降过高的情况下增加电压电平。

在商用HPC中，尽管宣传册宣传充电桩“占地面积小”，但现实是，必须安装在旁边的独立电源柜实际上会占用宝贵的房地产。为了最大限度地利用可用土地，网络运营商必须仔细考虑购买正确类型的设备，以使两个功率输出水平最大化，同时将电网负荷降至最低。

电动公交车作为公共交通的主要形式，由于其相对较大的电池和白天频繁的运行，将需要直流快速充电。充电过程可以通过常规电缆和连接器进行，这需要停车、驾驶员在公交车外操作充电基础设施和安全区域。受电弓是另一种通过将其提升至专用设施来实现快速充电的解决方案。总线电池在恢复使用前定期充电。

充电点运营的商业模式

虽然一些公司仅参与充电设备的制造，但充电点运营商（CPO）建设电动汽车充电站，从各种电动汽车供电设备（EVSE）供应商安装硬件，并确保最佳的持续电动汽车充电操作。

值得一提的是，一些EVSE供应商制造并运营自己的网络，例如特斯拉和Chargepoint。“漫游”网络的出现日益增多，其中CPO之间的合作伙伴关系允许EV用户通过使用单个帐户进行计费，在任何合作伙伴网络上进行计费。

充电网络运营商

对于私人Level 1和2 AC充电器，由于前期成本较低（Level 2家用充电器的平均成本低于800美元），商业案例很简单。不过，对于公共充电器，尤其是DC快速充电，由于前期资本和运营成本高得多，目前很难使商业案例发挥作用。

DC公共充电网络运营商的典型商业模式包括电力零售、广告和附加服务（如餐厅和娱乐）、智能停车和充电服务集成、通过地方当局授予的特许权建立公私合作伙伴关系（PPP），以及整合不同充电网络提供商的运营互操作平台。智能充电和V2H/V2G等新兴商业模式利用电动汽车电池潜力提供各种能源服务。

充电网络运营商的商业模式

主要市场参与者

IDTechEx相信，电动汽车行业不会脱轨，并将继续其惊人的势头。在未来20年，全球使用的超过1.75亿辆BEV+PHEV车辆（包括乘用车、公共汽车、卡车和面包车）将推动对充电基础设施的需求。电动汽车转型的好处至少比充电基础设施成本高出一个数量级，这使得充电基础设施成为运输行业脱碳的适度首付款。

电动汽车充电技术

电动汽车充电站技术根据充电类型/机制进行分类，目前主导和最广泛的技术是传导充电。根据能源不同，传导充电可分为与电网相关的充电和离网充电。根据充电基础设施的位置，可分为私人充电和公共充电，还有移动充电概念。

电动汽车充电基础设施

感应充电和电容充电作为电动汽车无线充电的两种主要技术，在过去几年中取得了进展，随着自动驾驶汽车的采用，预计未来会有很大的前景。

作为对车载电动汽车电池充电的替代方案，电池交换正在通过出租车车队和共享两轮车的方式复兴。

电动汽车充电技术

提高快速充电性能是关键

主要充电基础设施类型的技术包括传导充电和替代解决方案，如电池交换和无线充电，还涵盖新兴充电技术，如高功率直流快速充电、机器人和自主充电、离网充电、移动充电和车到家/电网（V2H/V2G）。

高功率充电（HPC）

高功率充电是指以50kW或更高的速率进行3级直流快速充电。为了将充电时间降低到常规加油的充电时间，这种技术将发挥至关重要的作用。由于高资本成本和所需的大安装面积，此类充电器只能公开使用。对于新的电动汽车车主来说，这意味着充电时间明显加快，通常会将几乎完全充电所需的时间缩短30%至甚至70%。利用HPC的充电功率，充电器可以提供市场上基于800 V架构的新型电动汽车所能利用的所有功率。

车队充电

公交车和卡车等电动汽车车队需要与乘用车完全不同的充电基础设施解决方案，从多兆瓦的车辆段充电到架空连接线和电池交换。尽管电动车队充电在总充电基础设施的容量中占不到10%，但由于与高功率需求相关的附加成本，电动车队充电占总市场价值的15%以上。

展望未来，共享自主交通有望最终主导城市环境中的乘客里程。由于无人能为这些自动出租车充电，移动服务公司将需要广泛部署自动充电，这样自动驾驶汽车就可以在不增加额外人工成本的情况下延长其续航里程。

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