詳細剖析純電動乘用車大功率快充技術(shù)

純電動乘用車大功率快速充電就是采用高電壓、大電流，短時間內(nèi)將電動汽車充滿電。這一功能的實現(xiàn)在很大程度上決定了用車的便利性。目前快速充電、長續(xù)駛里程是純電動乘用車用戶最為迫切的兩大需求。僅就大功率快充而言，其功能實現(xiàn)的目標會對電動汽車的產(chǎn)品設(shè)計產(chǎn)生非常大的影響。本文將就此展開一些討論。

開始前，我們先將相關(guān)層面分以下的兩部分：車輛端(EV)和充電供給端(EVSE)。在充電供給端，從企業(yè)相關(guān)性方法可以細分成地方電網(wǎng)(電網(wǎng)負荷管理)、充電運營商、充電設(shè)施集成商、充電模塊集成商、充電連接器和線纜供應(yīng)商。在車輛端，從企業(yè)上可以分為整車OEM企業(yè)、電池系統(tǒng)供應(yīng)商、電池冷卻/加熱子系統(tǒng)供應(yīng)商、充電連接器和線纜供應(yīng)商、車載充電機供應(yīng)商、驅(qū)動系統(tǒng)供應(yīng)商、電空調(diào)供應(yīng)商和DCDC供應(yīng)商還有高壓電氣系統(tǒng)供應(yīng)商等等。

以下就從充電供給端與車輛端的現(xiàn)狀、需求、技術(shù)條件與挑戰(zhàn)等角度，來談一談電動乘用車大功率快速充電的發(fā)展前景。

值得注意的是，去年底，戴姆勒、BMW、福斯、福特等四大車廠曾宣布將在歐洲聯(lián)合部署電動車的“超快速充電站”，預(yù)計設(shè)立的 400 個充電站為聯(lián)合充電系統(tǒng) (CCS) ，最大功率為 350kW。這一事件表明整車廠共同布局大功率快充從而改善消費者體驗的趨勢。

圖1 由大功率快充帶來的影響變化

一、充電供給端

1)從電網(wǎng)系統(tǒng)性考慮

電網(wǎng)是充電的源頭，考慮到電網(wǎng)運行的穩(wěn)定性，地方電網(wǎng)希望電動汽車負荷接入的不要過快，因為單點極大負荷的接入肯定會對電網(wǎng)造成很大負擔，大功率充電對于電網(wǎng)的安全性也提出了嚴峻的挑戰(zhàn)，這點就直接定下來整個基調(diào)。如果從電網(wǎng)的統(tǒng)籌考慮，大功率快充會大幅降低有序充電的可能性，導(dǎo)致電網(wǎng)負荷峰谷差升高，降低大電網(wǎng)的整體投入產(chǎn)出效益。

·開設(shè)了快充站，用戶對充電速度的預(yù)期會變得更快，很容易出現(xiàn)如同排隊加油類似的排隊充電現(xiàn)象，在上下班高峰期間，負荷管理就是大問題，因為充電開始的時候，電網(wǎng)負荷一下子就上去了，出現(xiàn)全部充電的情況，同理快充完成后也會出現(xiàn)充電在相近時間點全部停止的情況。

·在現(xiàn)有的管控模式下，以上情況推演下來，局部的配電負荷變化就會達到所接入變壓器負荷的20%甚至更高，在夏季等電力供應(yīng)緊張時期，容易出現(xiàn)過負荷問題，引起線路過熱、跳閘等，這將導(dǎo)致電網(wǎng)上大量負荷被切除。

·從時間軸上來看，由于車輛的移動特性，會加劇現(xiàn)有負荷管理的難度，節(jié)假日、氣候變化、重大活動等因素影響下，尤其是發(fā)生連鎖事故時，發(fā)生問題的可能性非常大。

由于大功率充電的布點是接近私人消費者，充電設(shè)施運營商布點就會依據(jù)現(xiàn)實的訴求而不是電網(wǎng)的情況來考慮，快充樁、快充站將會廣泛分布在居住區(qū)、辦公區(qū)、消費區(qū)和工業(yè)區(qū)。這樣的布局很容易影響商業(yè)用電穩(wěn)定，一旦電網(wǎng)因此被要求索賠怎么辦？工業(yè)區(qū)也一樣，萬一大功率電器引入影響了供電穩(wěn)定，造成了工業(yè)生產(chǎn)損失怎么辦？

2)充電設(shè)施的角度

根據(jù)充電設(shè)施促進聯(lián)盟的數(shù)據(jù)。截至2017年4月，聯(lián)盟內(nèi)成員單位總計上報公共類充電樁161193個，其中交流充電樁55956個、直流充電樁39163個、交直流一體充電樁66074個。根據(jù)這個數(shù)據(jù)考慮，10萬個直流充電樁(30~60kW)的利用率是個問題，按照這個數(shù)據(jù)考慮，為了這么多充電樁，實際付出的總投入也不小了，但是從充電設(shè)施的利用率、私人用戶快充的滿意率、單位充電樁的消耗電能來看，投入和付出沒有特別好的匹配，這客觀上把充電設(shè)施運營商推到了一個很艱難的境地。

圖2 現(xiàn)有快充功率和應(yīng)用場景

從應(yīng)用場景來看，350kW是一個長遠的考慮，在中國來看，以下幾類需求比較迫切：

·北京、上海、深圳等一線城市核心區(qū)域，寸土寸金(停車資源較少的條件下)，大功率快充是極有需求的；

·出租車/分時租賃：對補電速度有要求的，也是一個對快充時間價值的認可

·高速公路上，對運行有要求的區(qū)域

目前，充電運營商的收入是靠充電服務(wù)費和充電電費兩項，如果消費者對充電時間有更短的需求，而實際上的充電服務(wù)無法滿足這種需求，那么充電運營的實際收益是不高的。如果往快充發(fā)展，就能有效的把運營快充站和運營加油站相提并論，如果車輛端的供應(yīng)量能達到一定的數(shù)量，那么充電設(shè)施運營商會毫不猶豫跟上這個趨勢。隨著《電動汽車柔性充電堆》的標準草案和產(chǎn)品概念的升級，充電設(shè)施和充電模塊的設(shè)計方案考慮也正是往集中布置，如此就可以在不同充電終端實現(xiàn)一定的功率分享。如上面銜接的那樣，已有直流充電樁在不斷維護和將來升級改造的過程中，要跟上大功率快充的趨勢去是比較容易的。

圖3 充電堆的功率調(diào)度是個挺普遍的趨勢

3)技術(shù)細節(jié)的問題

在日前召開的“電動乘用車大功率充電技術(shù)的前景與挑戰(zhàn)”研討會上，大家在交流的幾個問題，非常值得羅列探討：

·充電電壓的問題：在200V~1000V里面，存在著比較明顯的低效率端，充電模塊輸出電壓設(shè)計需要與電動汽車的電壓平臺匹配。充電模塊需要滿足市場上的車輛，電壓優(yōu)選端還是需要車企與充電端形成一些共識再好好推進。

·充電接口和電纜：這里的問題比較大，由于現(xiàn)實的角度，安全性和兼容性要求擺在了所有問題的前兩位。GBT系列的標準在往350kW方向走的時候，如何在接口、協(xié)議、接口&線纜冷卻等問題上進行完善，是快充功能實現(xiàn)的關(guān)鍵。這方面其實國內(nèi)的標準制定者已經(jīng)開始提前布局，籌建工作組遵循IEC/ISO標準的制定規(guī)律，先出概念、制作樣品、經(jīng)過仔細的驗證才形成靠譜的標準，再往下推。

在車輛電氣化的發(fā)展趨勢來看，中國未來在亞洲范圍內(nèi)，尤其是影響東南亞的可能性是很高的，整體充電設(shè)施出口東南亞是必然的。而充電模塊和相關(guān)設(shè)備，去挑戰(zhàn)一下歐洲和美國市場還是挺有意義的，車賣不過去先把充電設(shè)施賣過去。如下圖所示，在美國10萬的LEAF保有量，對應(yīng)的也只有5千個直流充電樁，缺口不小吧。

圖4 LEAF和Chademo直流充電樁的比例

第二部分 車輛端

對于電動汽車而言，我們首要考慮的問題，是未來的電動化車輛的發(fā)展，是否是按照預(yù)想的方向來走的。

1)電動汽車的發(fā)展走向

·2017年以來，補貼下降使得A00級別電動汽車當?shù)?，在北京，這類低價格的車輛被當作是“占牌”神器，在當前上量的同時，我們需要考慮下這種發(fā)展趨勢是否是持續(xù)性的。不算開玩笑地說，等合適的電動車輛出來，分分鐘給你過牌過掉……

·從全球范圍來看，純電動汽車電池容量從20kwh到30~40kwh再到50~80kwh，續(xù)駛里程從80~100英里，再到150英里，再往200~300英里發(fā)展也是一個明顯的趨勢。

結(jié)合整車開發(fā)的周期考慮，整車企業(yè)提350kW是為將來的車考慮，推進大功率快充，也是因為今后的電動汽車(電池沖量60kwh以上)如果再用3.3和6.6kW的充電功率來充電，對消費者而言，充電速度太慢了，會發(fā)生在家充不滿電的情況，如此一來的消費體驗就會比較差了。

圖5 充電相關(guān)單元

2)現(xiàn)有的充電速度和功率

我們拿當前電池容量為30kwh的兩款車來看，充電功率正常值在40~50kW之間。在25度正常溫度下，根據(jù)電池化學(xué)體系的不同SOC的拐點不同，在不同溫度下，充電功率的降額也是不同的。

就發(fā)展趨勢而言，單體的快充特性是擺在第一位的，核心還是在窄溫度區(qū)間內(nèi)，驗證快充循環(huán)特性對容量、內(nèi)阻的影響大??；在模組化和Pack成組的過程中，對外界環(huán)境溫度和溫升的控制，也是對差異性提出了要求。

圖6 30kWh的充電功率vs SOC

圖7 現(xiàn)有的充電曲線

繼而，隨著電池系統(tǒng)容量的變大，是在既有的電壓平臺下，在電池級別并聯(lián)更大容量的電池，還是串聯(lián)更多一些往高電壓的方向走，也是值得探討的。

·從電壓等級提升來看，其實在大功率快充回路里面，電流和電壓都提高了，高壓大功率充電系統(tǒng)的使用，需要提升電池系統(tǒng)和配電系統(tǒng)的性能；

·功率電子方面，其核心是高耐壓的功率器件，國內(nèi)現(xiàn)階段乘用車行業(yè)尚未普及高壓大功率器件，因為其成本較高，可靠性也待驗證，相關(guān)法律法規(guī)、試驗標準也未健全。

材料和器件的進步，不可避免地將對整個部件的設(shè)計和部件的特性產(chǎn)生深刻的影響。所以未來汽車OEM在電氣化的過程中，是需要整合全球資源，深入到部件、器件和材料領(lǐng)域去占據(jù)先進技術(shù)和時間優(yōu)勢的。這點不可阻擋，只是說現(xiàn)階段沒辦法把這些在研究和儲備的技術(shù)直接拿出來作為量產(chǎn)車來賣。

第三、小結(jié)與建議：

要理解電動乘用車大功率快充的發(fā)展，還必須將其納入整個電動乘用車行業(yè)的發(fā)展大格局中思考：

第一，補貼政策、白名單政策、不一樣的GBT標準和認證過程，其實給國內(nèi)的新能源汽車帶來一個發(fā)展的窗口期，對混動相對消極的戰(zhàn)略，也可以理解為一種戰(zhàn)術(shù)性措施。即使不給政策不給補貼，豐田混動在國內(nèi)發(fā)展也挺迅速，無它，產(chǎn)品技術(shù)本身優(yōu)勢大，這些措施限制不住消費者真實而樸素的需求。

第二，在材料、器件和部件的特性發(fā)展過程中，純電動汽車的門檻自然而然也會抬高；在三電領(lǐng)域，在使用領(lǐng)域(充電特性和智能化領(lǐng)域)，一點點系統(tǒng)性的累加之后，未來真的把大量資源整合發(fā)展(2020~2025年)的時候，純電動汽車會發(fā)展成什么樣，僅以現(xiàn)有的技術(shù)來衡量，是會有很大的誤差的。

第三，當前的中國新能源汽車行業(yè)是有一定的系統(tǒng)風(fēng)險的，就是本土企業(yè)在有“籬笆保護”的時候，享盡現(xiàn)金補貼的實惠和數(shù)量世界第一的榮譽，卻沒看到真正的對手也是憋著勁等籬笆下來，等經(jīng)過政府和國內(nèi)企業(yè)的幾波宣導(dǎo)，完成了消費者教育，并把市場培育成熟的時候，真正的對手們就會給大家?guī)眢w驗不一樣的產(chǎn)品了。屆時，“When they go low，we go high”，這真的是讓人情何以堪。

建議：

1)充電連接器和大功率充電技術(shù)層，要充分參與和試制樣品，經(jīng)過測試驗證后建立乘用車一版真正能用，并能推向亞洲(東南亞和澳大利亞在標準界都是跟著影響力大的標準來走)國家的標準和產(chǎn)品。

在電池系統(tǒng)層，需要分解大功率充電帶來的熱管理特殊需求，然后充分把單體的快充特性在電池系統(tǒng)層面降低損耗；對于充電模塊的控制特性，需要予以定義和限制，如果電流大到限流的點，但限制不住將會對電池產(chǎn)生很大的影響

功率電子層(車載充電機和DC-DC)，SiC的MOSFET其實在國內(nèi)已有很多應(yīng)用，并不是大問題，核心的難點還在主逆變器的功率模塊上，隨著國內(nèi)很多企業(yè)投入這一領(lǐng)域，相關(guān)試制還是可以做的。