充电桩“举步唯钱”,技术突破和创新才是出路

摘要:真的要把产业推向成熟,还是要靠技术和资本的外部助力,尤其是技术的创新和突破,光是国家一头猛扎显然远远不够。

近日,随着《新能源汽车产业发展规划(2021-2035年)》的到来,国家给予作为公共设施的充电桩基础建设的财政投拨达到了空前的力度。而在此之前另外两个重要的信号标志一个是去年3月四部委明确新能源车补贴退坡转战投拨充电基础设施“短板”建设和配套运营服务。另一个是全年12月关于上述《规划》征求意见稿的的公开发布。此次《规划》的到来,透过现象看本质,其实进一步印证了在国内要去填上电动汽车产业发展的关键一环并非那么简单。公安部统计数据显示,截止到今年9月末,国内(不含台港澳)的汽车保有量已达到2.75亿辆,同时国际能源署(IEA)预计,2030年全球电动汽车保有量将达1.25亿辆。这意味着,如果国内要完成初步的关键环建设,可预计的公共充电桩量化需求超千万,市场投资规模超十万亿级。那么问题来了,对于新能源车如此重要的充电桩基建究竟为何会那么“举步唯钱”?

 

首当其冲的第一个原因就是高技术费用。稍微懂一点充电桩的人士都了解,充电桩按技术区分可分为交流充电桩和直流快速充电桩。交流(AC)充电桩,俗称“慢充”,其实只是个交流供电装置,附加一些供电控制或计费功能,负载通常几个kW。完成充电功能所借助的车载充电机功率不大,不能快速充电。直流(DC)充电桩:俗称“快充”,是固安装在车外的充电机,连接交流电网,输出直流电直接用于电动汽车的动力电池充电。负载50kW甚至更高。




两者在充电速度上差别究竟多大?按照百公里耗电15kWh来估算,一辆普通纯电动汽车充满毛估需要8个小时。换种说法,交流充电每小时的续航不会超过50公里;而负载50kW的直流快充电桩仅需个把小时就能满充。目前市场标杆是30分钟做到80%续航。

这还不够,我们都知道充电桩的本质其实就是“加油站”。而对标加油站,八分钟“超冲”更是让人欲罢不能。国外电动汽车行业提出了super-fast-charging的目标,8分钟充满100kWh(450miles)。对应充电桩的负载功率,考虑到一桩单枪、双枪、甚至一拖4等情况,可以高达240kW。毫无疑问,对于习惯加油站充能模式的国人来说,直流电快充充电桩一定是对公共充电桩配置的必然刚需。而从成本上看,交流电充电桩单桩价格可以控制在1800元,但正因为充电时间弥长,只能配置在对充电时效要求较低的小区或者类似环境里。直流电充电桩单桩的总价在5万元-8万元不等,相较交流电翻了27-44倍,这个价格不可谓不骇人,要知道这个价格还不包括土地位置占有、输电扩容、运营管理、后续零部件采购维修等关联费用!

 

但如果用显微镜单独瞄准直流电充电桩的技术结构,似乎又会对价格有一点释然。撇开充电桩的辅助设备成本,例如监控设备、电池维护设备、配电的柜箱等,两个最重要的成本源,一个来自于充电机,一个来自于直流充电系统。充电机的成本占比最高,一般要占到充电桩总成本的50%左右,而直流充电系统,包含电缆部分则会占到40%以上。我们分开来看,充电机的“贵”是属于没道理的“流氓溢价”。核心IGBT部件,也就是绝缘栅双极型晶体管,主要依赖于进口,在国内尽管早已把IGBT列为国家战略性新兴产业,但是真要做到国产化替代,那还有一段较长的路要走,这也就让充电机的成本控制相对比较被动,因为没有选择。所以这也让充电桩的成本压缩聚焦在了直流充电系统上下功夫,至少在大家目所能及的范围里,行业内存在一些具有多年直流充电相关技术的上市公司。但事实真的那么简单吗?成本那么好压缩吗?

就这个问题,我特地去咨询了行业内的电源工程师。据工程师介绍,直流充电系统(下图)原理是将电网中低频交流电滤波整流成直流,再通过开关电源中的功率管,将整流得到的直流电“开关成”高频交流,然后经高频变压器,变压到合适的充电电压,整流滤波成合适的直流充电电流。



直流充电系统示意


工程师拿其中一个部件——变压器来举例。变压器是直流充电系统中占空间最大的器件之一,并且影响到整个系统的散热设计。即使在第三代半导体材料(如碳化硅Sic或者氮化镓GaN)开关部件的扶持下,变压器构造要么带来高频损耗和散热问题,要么系统设计就不得不采取多个变压器以及复杂的散热管理。这时候就需要创新变压器技术,大幅度降低大功率变压器的直流损耗,同时提升空间利用率。而从目前情况看,国内普遍的做法依然是选择使用Litz线缠绕或者Tape Wound缠绕的变压器,这就让成本再一次难以压缩。直到最新的日本村田pdqb绕线技术出来,才让这个两难选题变得有径可寻。该绕线技术可以在高达250kHz的频率下工作,并拥有99.5%效率,从而大大减小电源体积,完美契合了直流电充电系统的硬性需求。至此,大家对于直流充电系统的成本压缩和技术创新难度可管中窥豹了,靠这个省钱显然也难如登天。




第二个“举步唯钱”的原因自然是国内对于充电桩需求的体量级。根据中国充电联盟数据显示,截至2020年9月,联盟内成员单位总计上报中国充电桩目前总保有量为141.8万台,公共类充电桩60.6万台。其中AC充电桩35.0万台、DC充电桩25.5万台、交直流一体充电桩488台。同时,另一家研究机构给出测算,公共DC充电桩 2025 年累计可达 210 万个,2030 年可达 750 万个。结合上文提到的单桩成本,我们不难换算出DC快充充电桩的缺口投入规模,未来10年光是DC充电桩这一个费用投入超过5千亿!这还只是一隅,尚且不包含AC电充电桩、直流交流一体化充电桩,以及区别于公共基础设施的私人充电桩配套建设和专用充电桩配套建设,全部加在一起,万亿级投入分分钟耗尽。

这就完了吗?显然还不止!国内第一阶段对于新能源车车桩比的目标预期是达到1:1的水平。截至2020年8月,全国累计推广新能源车辆约466万辆,这个数字因为部分地区最新外牌限制政策刺激还在短期内节节攀升,这个跨越式的暴增保守估计要持续到2021年,谁又能知道2021年之后还会有什么样的“春风”刮过来,继续刺激新能源车的市场覆盖。这个暂且不论,目前市面上车桩比例超过3.8:1,如果计算上新能源车的平均增量速度,按10年规划来算,真要达到1:1,届时到了2030年也远远不止750万的充电桩规模可以满足,缺口还在增大!

算完了成本,我们再来看一下“赔本”。141.8万的国内充电桩保有量,带来的利用率是多少?有报道称不到15%,我告诉你这15个点哪里来的。根据充电桩使用需求和合理化布局来说,一定会存在相对集中和分散的布局区域,这也造就了充电桩的基础建设一定会区分出公共部分、私人部分和专用部分。也很显然,对于私人用和专用来说,充电桩的功率利用率一定会远远高出公共部分。从充电桩布局最广的北上广区域来看,查一下地图,就可以发现同时存在1KM内好几个公共充电桩,以及几公里内共享1个充电桩的情况。如果混在一起算利用率显然就和沈腾的段子一样了,月薪3500是不到十亿?滑稽又讽刺。据内部功率消耗统计,真实公共充电桩的利用率不管怎么算都超不了9%,极限时不足6%!我们现实一点,如果把这个数据同时纳入全周期成本的计算考量内,包括设备维护、新老折旧等,每年收益能是正数就已经谢天谢地了!当然,好的一面是,利用率确实在提升。只要可以实现正收益,这个赔出去的本总还是回得来的。

其实,我们都看得到国家表露出来对于建设新能源车产业基础设施的决心,而且再清晰不过。但真的要把产业推向成熟,还是要靠技术和资本的外部助力,尤其是技术的创新和突破,光是国家一头猛扎显然远远不够。作为民众和消费者,我们当然期待汽车产业升级和绿色消费的同调落地,也相信所有新能源车的守望者们一定会为了所有付出者的努力而买单!


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