摘要
为了改善环境质量，推动可持续发展，新能源电动汽车因零排放、低噪声和低碳环保等优点得到国家的大力支持与大众的高度认可。随着新能源电动汽车的不断增加，充电桩的建设和发展便成为当前的重中之重，但现在市面上的充电桩充电速度慢、安全性差且车和桩之间无法互联互通，造成资源的浪费。为此论文对充电桩智能化、通用化技术进行了研究。论文首先描述充电桩技术的国内外发展现状，其次立足国家电网的设计标准，研究了智能充电桩的设计原理和关键技术，最后对智能充电桩的发展方向和市场前景进行了展望。
关键词：电动汽车；充电桩；设计技术；发展和规划
Abstract
In order to improve environmental quality and promote sustainable development, new energy electric vehicles have been strongly supported by the state and highly recognized by the public because of their advantages of zero emission, low noise and low carbon environmental protection.With the continuous increase of new energy electric vehicles, the construction and development of charging piles have become the top priority at present. However, now the charging piles on the market have slow charging speed, poor safety and no interconnection between cars and piles, resulting in a waste of resources.Therefore, the intelligent and universal technology of charging pile is studied.The paper first describes the development status of charging pile technology at home and abroad. Secondly, based on the design standards of State Grid, the design principle and key technology of intelligent charging pile are studied. Finally, the development direction and market prospect of intelligent charging pile are discussed.Key words: electric vehicles; charging pile; design technology; development and planning
引言
随着社会科技水平的高速进步和人们的生活水平的不断提高，人们发现自己所处的生活环境已经破败不堪，资源的不断浪费更是使地球资源接近枯竭。为了减少地球资源的浪费，改善环境质量的状态以及推动可持续发展这种形势下，新能源电动汽车所具有的零排放、低噪声，低碳环保等众多的特点就得到了国家的大力支持与大众的高度认可，成为了汽车行业的发展方向。其中充电设施可以说是在辅助电动汽车的发展，也是电动汽车发展中不可缺少的一点。充电桩模式的发展的正确性，充电桩面对不同环境时的好坏和充电桩的使用是否便捷、智能将会直接影响到电动汽车的发展。所以有一个成熟且超前的充电桩技术和一个正确合理的发展前景规划是很重要的。由于我国新能源电动汽车才刚开始发展不久，充电桩技术较美、日、法等国家严重滞后，对于充电桩的关键技术的研究也不透彻，所以存在安全性差、可靠性不高、充电速度慢等许多问题。虽然我国已经开始大力发展建设交流充电桩、电池变换站、充电站来保证电动汽车能够快速、多方面的充电，但其仍然发展缓慢。主要是现在的充电桩的安装价格昂贵、结构复杂、充电性能不高、充电模式单一。本文对电动汽车智能充电桩的设计并对其关键技术进行深入探讨，来解决传统充电桩技术存在的兼容性差，结构复杂，充电模式单一，充电速度慢等问题，保证充电桩朝着智能化、安全化、便捷化、高效化和稳定化发展，进而依靠5G、互联网＋、云计算和大数据来研究一种新型商业和管理等发展模式，对智能充电桩技术的发展模式和前景进行展望。
第一章 国内外充电桩技术发展现状
1.1国内充电桩技术发展现状
我国对电动汽车的研究起步较晚，充电桩技术相对落后，充电设施的开发建设也相对较晚。截至2022年3月，国家电网公司的智慧车联网平台接入充电桩85万左右，建成了“十纵十横两环”的快充网络。这两年，国家电网全力发展充电桩技术升级，推动“十纵十横三环”的建设。2018年2月，财政部、工信部、科技部、发改委联合发布的《完善新能源汽车推广应用和财政补贴政策通知》中指出：将充电补贴逐渐转为支持充电基础设施建设和运营、新能源汽车使用和运营等环节，把对汽车的补贴转向对充电基础设施的补贴。2020年6月22日国家能源局印发《2020年能源工作指导意见》，提出要加强充电基础设施发展，提升新能源汽车的充电保障能力。目前充电桩技术大致可分为：交流充电技术、直流快充技术、无线充电技术。交流充电技术采用220V交流电经过电动汽车充电机整流后转换成直流电为电池进行充电。这种充电方式采用小电流和恒压，一般功率都在3KW-7KW之间，也有40KW单枪沟通交流的，所以对电动汽车的充电时间很长，一般使用在小区私人充电和公交站晚上进行充电。直流快充技术可直接将220V的交流电在直流充电桩内部转化为直流电，通过充电线直接给电动汽车的电池充电。目前国内的主流直流快充充电桩功率大部分都是180KW左右，特来电大功率充电桩配置最大1200KW的充电箱，充电电压为230V-750V；奥特迅充电桩配置充电电压在220V-750V，单桩最大输出电流250A，最大充电功率180KW，支持多单元并联大功率充电。除此之外，国内企业提出研发柔性充电技术，即可根据充电实际情况灵活分配充电功率。当充电功率过大时，可协调直流充电桩内其他模块进行功率分配，从而降低输出功率；当充电车辆过多时，多个模块就可以分开给多个车辆进行充电，保证资源的节约、共享。同时去年国内充电桩设备商还与电动汽车电池厂商加紧研发，准备共同研发500KW的大功率直流充电桩，将电动汽车充电时间缩短至了7-10分钟。
无线充电技术是以电磁感应为基础，在汽车底盘上安装接收装置、在地面充电桩安装发射装置，对一定区域内的汽车进行无线电量传输。在2007年，我国中兴就开始研究无线充电技术，并在2014年建立了中兴新能源汽车。据了解国内的中兴通讯联合东风汽车、宇通客车等车企合作研究无线充电技术；吉利旗下的中欧汽车技术中心合作Momentum Dynamics研发大功率无线充电技术及自动泊车技术，将自动泊车系统与无线充电技术相结合，使车辆就能够自行完成充电操作。无线充电技术对充电效率和线圈大小及距离有着重要的关系，当线圈间距增大时，能量传输效率就会逐渐降低。据了解如果要达到现阶段的90%以上的充电效率，汽车底盘和充电桩的距离就要保持在10-20cm 之间，所以底盘高的车型不合适使用无线充电技术。
就中国现在的车企而言，小鹏汽车、蔚来汽车都发展了自己的充电桩技术，建立了自己的超级充电桩。小鹏汽车在2018年建立了首座超级充电桩，2019年9月与特来电合作，接入特来电全国系统，统一支付功能，12 月与蔚来达成合作充电协议。小鹏汽车推出开放系统的充电桩并且开发了180KW双枪直流充电技术和柔性充电技术， 其中单枪充电最高功率可达120KW，完全满足了现在电动汽车的充电需求，还保证了充电桩的通用性和兼容性。蔚来汽车研发出了210KW超充，该超充主机实行1个主机带动4个模块的配置，单枪充电最高功率限定105KW并实行动态分配。而且该超充可根据实际运营情况随时升级到270KW，来满足电动汽车电池容量升级的需求。在充电桩技术理论研究方面，北京交通大学研发了30KW单体充电机，技术比较成熟，可以保证三台充电桩同时并用。
1.2国外充电桩技术发展现状
1.2.1美国
作为发达国家中的佼佼者的美国，由于其雄厚的经济实力和强大的科技实力，所以电动汽车的数量也在世界上高居第一，关于电动汽车的技术和充电桩的建设更是在世界上遥遥领先。美国的政府为了大力发展和推进电动汽车和充电桩设施的建设，更是采取了诸多政策。在国家层面，美国政府先布局智能电网技术，再从智能电网的基础上布局充电桩设施。而且还专门制定了一系列的充电桩建设标准，目的就是鼓励和引导企业正确建设充电桩，全面地推动电动汽车的多元化发展。在充电桩建设层面，不仅美国联邦政府大力补贴充电桩建设，每个州的州政府也根据自身的实际状况制定了相应的补助政策，如：州政府向购买电动汽车及购买其他可替代燃料汽车的车主以税收抵免和退税的方式发放购车补贴；对安装家用充电桩和生产公共充电桩的成本给予税收抵免、减税和财政直接补贴的政策，加快了充电设施的建设进度。美国充电网络公司Charge Point发布Express Plus的模块化充电系统。充电桩运营商只需要安装125KW的充电桩，不论电动汽车电池组技术怎样升级，只需要升级Express Plus系统将充电桩功率进行增大就可继续使用。美国政府统一了慢充标准，放开快充标准，这种行为不仅增加新能源汽车的种类，还大力促进多种充电标准并存，促进充电桩的多样化。
1.2.2日本
2010年日本就提出了电动汽车和充电桩发展战略来，目的就为推动充电桩和电动汽车的发展建设，在世界新能源的发展上占得一席之地。在2013年，丰田、日产、本田和三菱四家车合伙共同在日本扩建充电桩网络，并预计未来将在本土共建1.2万座充电桩，来满足日益增长的电动汽车用户的需求[18]。2015年四家汽车厂商同日本政策银行一起实行电动汽车会员制，对购买该会员卡的用户可在日本任何一家充电桩进行充电，而且会在电动汽车快要没电的时候主动为会员用户发送有关附近充电设施位置的短信。而且日本还分析用户在什么时候需要充电，并在需要充电的地方建立满足用户需求的充电桩。如：在个人家中安装私人充电桩；商场和餐厅安装快速公共充电桩；各个行驶途中的加油站和高速公路服务区安装公共充电桩，让用户的电动汽车每时每刻都可以有电运作，不再为没电而烦恼。2020年底，日本政府提出面向2050年去碳化社会的“绿色增长战略”，大力推进燃油汽车向电动汽车过渡。而且日本把经济重点放在电池和充电桩等相关产业作为战略发展目标。在充电技术上，日本科技公司通过增加温度传感器，可让原本使用70mm2电缆才能进行快速充电的技术缩减到40mm2电缆，保证最大充电电流达到300A以上。如果再使用液冷的情况下，只需使用30mm2电缆就可以实现最大充电电流300A以上的快速充电。同时，CHADEMO协会目前已经制定了350KW级别快充标准。
1.2.3欧洲
大众、宝马、奥迪等整车制造企业联合成立合资公司，建立起了450座大功率快速充电桩，建设间距不超过120KW，并且联合电网公司为大功率充电设施提供电压高达1000V，充电电流500A，充电功率350KW的高效率充电。
第二章 新能源汽车智能充电桩技术分析
2.1充电桩的充电模式
目前的充电桩建设下，根据国标GB/T 18487.1-2015《电动汽车传导充电系统》要求。充电桩分为直流充电桩、交流充电桩，他们分别对应直流充电模式和交流充电模式。根据两者充电原理不同，交流充电桩可以被设计得很小很便捷，不需要什么多余的东西，因为交流充电桩无法直接连接电动汽车的电池，所以无法设置大电流充电，这就导致无法满足现在电动汽车电池的充电速度。而直流充电桩由于需要内置很多设备，所以就只能设计得很大，再加上直流充电桩直接输出给电动汽车直流电，所以不管电动汽车电池性能变得再好，充电时所需的电流再大，直流充电桩都可以随着升级，增大充电功率。因此使用直流充电桩进行充电的时间就会变得很短，也就更容易满足用户的使用的需求。
2.2充电桩的市场需求
根据中国汽车协会报道，2019年底我国的新能源汽车保有量达到382万辆，占中国汽车总量的1.4%左右，与上一年相比增长了47%。其中，电动汽车保有量310万辆，呈快速增长的趋势。虽然在2019年，电动汽车总销量97万辆， 较上一年有所下降。但随着国家对新能源电动汽车的补贴政策慢慢转为对充电基础设施的补贴政策，预计未来三年，新能源电动汽车的发展将逐渐放缓，但电动汽车充电桩的发展形势将会一片大好，以现在车桩比3:1的状况来看，电动汽车充电桩的发展会变得特别火爆。
根据我国2020年3月，政治局常务委员会提出将充电桩列入“新基建”重点领域。各地方政府纷纷响应政策大力发展充电桩，2019年12月，山东提出加快建设全省充电基础设施运营管理水平，为企业和车主提供充电补贴、土地供应和基础电价免收等社会服务。优化调整新能源产业发展规划（2018－2028年）发展任务，到2022年底前，全省充电基础设施保有量达到10万个以上，建成“车桩相随、布局合理、智能高效、保障有力”的充电基础设施体系。2020年8月，河南省研究起草《关于加快电动汽车充电基础设施建设的若干政策措施》，聚焦“落地难、找桩难、充电难”等突出问题，以满足全省电动汽车城际出行和省外过境的电动汽车充电需求为目标。提出多方位布局充电桩基础设施，增加公共充电桩数量，把服务区、公路沿线、旅游景点、公共服务地点和居民区作为充电桩重点建设区域的友好政策。从国家把充电桩列入未来发展的“新基建”重点领域和各地方政府配合发展的情况来看，在未来几年内电动汽车智能充电桩需求量将急剧上升。但就目前我国车桩比3:1的情况来看，电动汽车的充电基础设施建设与电动汽车的失调比例依旧很大。智能充电桩的建设保障了电动汽车的长时间运作，对电动汽车市场发展起着非常大的作用。
可以预想，以后随着国家对老旧小区的改造逐渐完成，小区内的固定车位将会有所增加，对充电桩和电网负荷的需求也会大幅度增加。但充电桩数量的增加，造成后期维护与管理难度增大，充电桩车位经常被燃油车占据，同时底层数据不互通，用户充电需要安装很多家充电APP。因此一种能满足安全防护水平、进行实时监控、实时数据采集和互联互通的大功率智能充电桩成为一种必然趋势。
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