支撐電動汽車充電網(wǎng)的17項關(guān)鍵技術(shù)

新能源汽車憑借其環(huán)保等優(yōu)勢，受到不少市民的青睞。在國家大力支持新能源汽車發(fā)展，以及環(huán)保理念越來越深入人心的當(dāng)下，新能源汽車的發(fā)展前景似乎一片光明，但其充電問題則是長期以來廣大用戶最關(guān)心的問題之一。

據(jù)有關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計，到2030年，我國電動汽車規(guī)模有望達到1億輛，屆時電動汽車充電負荷將占到城市居民負荷的30%以上，僅僅依靠小區(qū)和企事業(yè)單位電網(wǎng)的能力完全無法承受如此大規(guī)模充電樁的無序充電！建立滿足規(guī)?；妱悠嚸刻斐潆姷摹俺潆娋W(wǎng)”成為破解這一難題的關(guān)鍵。

與充電樁單一的充放電功能不同，充電網(wǎng)其實是一個小型復(fù)雜的微電網(wǎng)：對上連接著配電網(wǎng)，和電網(wǎng)間通過微調(diào)度形成智能互動；對下和電動汽車間形成安全智能充電和汽車大數(shù)據(jù)應(yīng)用；對客戶通過互聯(lián)網(wǎng)鏈接需求和個性體驗，在能源端實現(xiàn)低谷充電、高峰賣電，實現(xiàn)新能源車充新能源電。

目前，全球業(yè)界尚未建立對充電網(wǎng)完整技術(shù)體系的認識，其原因是充電網(wǎng)涉及技術(shù)的多學(xué)科、控制的多系統(tǒng)、問題的多維度、應(yīng)用的多場景，形成了高度復(fù)雜的汽車、能源、人之間的技術(shù)和應(yīng)用的新鏈接、新融合。

只有真正掌握了支撐電動汽車充電網(wǎng)的17項關(guān)鍵技術(shù)，即新型高效電力電子器件應(yīng)用技術(shù)；充放電雙向靈活變換和控制技術(shù)；充電網(wǎng)和汽車間的主動安全防護及故障隔離技術(shù)；大功率柔性充電及電池壽命提升技術(shù)；基于大數(shù)據(jù)的群管群控有序充電及車主、電網(wǎng)智能互動技術(shù)；車、充、網(wǎng)、平臺的高可靠通信及控制技術(shù)；充電網(wǎng)和新能源微電網(wǎng)的直流柔性融合和能量路由技術(shù)；充電網(wǎng)的故障分析、隔離與快速恢復(fù)技術(shù)；面向無人駕駛的人工智能充電弓和無線充電技術(shù)；規(guī)?；妱悠嚦潆姷碾娋W(wǎng)互動協(xié)同技術(shù)；跨平臺的互聯(lián)互通及信息安全防護技術(shù)；超大規(guī)模云平臺高并發(fā)與高可用技術(shù)；基于充電網(wǎng)的汽車工業(yè)大數(shù)據(jù)分析診斷技術(shù)；基于海量傳感器和人工智能的透明充電網(wǎng)在線診斷與智能運維技術(shù)；基于大數(shù)據(jù)云平臺的能源系統(tǒng)和充電體系的深度融合技術(shù)；基于區(qū)塊鏈的計量、計費和分布式交易結(jié)算技術(shù)；變電、配電、充電、放電、光伏、儲能一體化集成技術(shù)，才有望切實解決“充電難”這一世界級難題。

新型高效電力電子器件應(yīng)用技術(shù)。電力電子器件是汽車充電網(wǎng)中實現(xiàn)電能變換和控制的核心，是影響充電網(wǎng)的效率、可靠性、安全性及性價比的關(guān)鍵基礎(chǔ)，規(guī)?；潆娋W(wǎng)的建設(shè)需要不斷探索和充分應(yīng)用電力電子器件的發(fā)展成果。以碳化硅（SiC）和氮化鎵（GaN）為代表的第三代寬禁帶新型電力電子器件的設(shè)計及應(yīng)用技術(shù)，帶來了充電網(wǎng)功率模塊在更高電壓等級（1000V+）、更高功率密度（60W/in3）和更高效率（98%）等諸多方面的突破，需要以新型高效電力電子器件為基礎(chǔ)持續(xù)改進充電用電力電子模塊的基本拓撲、結(jié)構(gòu)封裝以及綜合集成技術(shù)。

充放電雙向靈活變換和控制技術(shù)。未來的規(guī)?；妱悠嚦俗鳛楸憬莸慕煌üぞ咄?，還將成為支撐電網(wǎng)運行的分布式移動儲能資源，低谷充電、高峰買電，車和電網(wǎng)之間的雙向能量交互式是必然趨勢，充電模塊必須支持能量的雙向變換及智能控制。相比于傳統(tǒng)的單向變換技術(shù)，雙向充放電技術(shù)在系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)和控制技術(shù)上變得更加復(fù)雜，設(shè)計中的邊界約束條件更多。雙向LLC，CLLC及DAB等雙向拓撲及四象限控制技術(shù)逐步取代現(xiàn)有的單向拓撲控制技術(shù)。雙向變換的充電模塊需要提供更寬的功率變換范圍，能夠支持對端口電壓、電流及其變化速率等進行更靈活的調(diào)整，能夠適應(yīng)并改善電池側(cè)的不均衡性，適應(yīng)并改善電網(wǎng)側(cè)的電能質(zhì)量。

充電網(wǎng)和汽車間的主動安全防護及故障隔離技術(shù)。電動汽車的充電安全是一個復(fù)雜的系統(tǒng)工程，這個系統(tǒng)中包含了車輛、電池、用戶、電網(wǎng)、環(huán)境等因素。但遺憾是傳統(tǒng)的電動汽車充電安全僅僅通過電池BMS實現(xiàn)，所以導(dǎo)致了很多的電動汽車充電事故的發(fā)生。主動防護安全技術(shù)從系統(tǒng)的角度出發(fā)，構(gòu)建了互為備份，協(xié)同互動的安全保護策略，同時實現(xiàn)了電池安全、車輛安全、人身安全、充電設(shè)施安全及電網(wǎng)的安全，使得系統(tǒng)安全性大幅提高。同時，故障隔離技術(shù)實現(xiàn)了單一故障的及時檢測、保護和分離，防止故障的蔓延。故障隔離技術(shù)包含了車與車之間、車與樁之間，樁與人之間及樁與電網(wǎng)之間的故障隔離。

大功率柔性充電及電池壽命提升技術(shù)。充電安全和電池壽命在任何時候都是充電網(wǎng)首先要考慮的兩個最重要因素，特別是對于大功率充電，最核心的技術(shù)之一就是如何保證充電安全和電池壽命的延長，并避免對電網(wǎng)的沖擊，包括智能檢測技術(shù)、電池管理核心算法，大數(shù)據(jù)應(yīng)用技術(shù)及自學(xué)習(xí)人工智能技術(shù)等。主要的難點在于，針對各種不同車型、不同電池類型和不同的工況，計算出不同的充電策略和保護策略；快速的電壓電流調(diào)節(jié)；歷史充電信息提取，電池類型的自識別，不同類型電池專家系統(tǒng)的建立等。除此之外，需要解決的問題就是大電流、高電壓帶來的系統(tǒng)發(fā)熱及拉弧等自身安全問題。

基于大數(shù)據(jù)的群管群控有序充電及車主、電網(wǎng)智能互動技術(shù)。規(guī)?；l(fā)展的電動汽車對電網(wǎng)既是寶貴的資源，更是巨大的挑戰(zhàn)。電動汽車充電服務(wù)需要利用充電負荷可調(diào)節(jié)的特性，通過有序充電錯開電網(wǎng)中其他負荷的高峰；在更大的范圍來看，電動汽車需要為電網(wǎng)的調(diào)峰、調(diào)頻提供支撐，特別隨著波動性強的風(fēng)、光新能源發(fā)電比例不斷提高，分布式電動汽車儲能需要通過和新能源發(fā)電虛擬組網(wǎng)參與調(diào)峰調(diào)頻。另外實現(xiàn)移動儲能資源的利用，還涉及到人和社會的因素，需要以市場機制為基礎(chǔ)，基于大數(shù)據(jù)分析，在確保車輛的基本出行需求的基礎(chǔ)上把電網(wǎng)對輔助服務(wù)的需求和電動汽車移動儲能的供給有效的連接起來，充分激勵電動汽車的擁有者釋放出移動儲能資源。

車、充、網(wǎng)、平臺的高可靠通信及控制技術(shù)。電動汽車在短時間內(nèi)完成一次方便快捷的充電體驗的背后，是一個復(fù)雜可靠的廣域互聯(lián)充電網(wǎng)支撐體系。融合小微傳感器的智能檢測裝備，借力物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，實現(xiàn)電動汽車、充電設(shè)備、移動通信、分布式微網(wǎng)、配電網(wǎng)的全維度狀態(tài)精確感知。同時基于高并發(fā)通信處理框架與負載均衡的物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)橋接器，為海量傳感數(shù)據(jù)接入提供了穩(wěn)定可靠的通訊服務(wù)。大功率充電時的電流電壓快速、精準、安全實時控制、大功率充電弓的精準定位，有效支撐了柔性充電、電網(wǎng)互動的可靠執(zhí)行。輔以車、充、網(wǎng)、平臺的通信全過程監(jiān)控診斷技術(shù)，能在充電異常出現(xiàn)的第一時間自動推送運維工單排查解決。

充電網(wǎng)和新能源微電網(wǎng)的直流柔性融合和能量路由技術(shù)。電動汽車充電網(wǎng)是新能源車與新能源微網(wǎng)的有效連接載體，新能源微電網(wǎng)采用柔性交互的交直流設(shè)計方案，實現(xiàn)各種源和負載之間快速的交互和響應(yīng)，大幅提高系統(tǒng)的柔性和可靠性。基于直流母線系統(tǒng)和高效的電力電子變換器，實現(xiàn)電動汽車、儲能及光伏等能源與負載間的高效交互，通過減少光伏逆變再整流等環(huán)節(jié)提升能源綜合利用率10%~15%。高級微網(wǎng)控制器實現(xiàn)微網(wǎng)的控制、保護、在線安全分析、智能傳感器接入、電能質(zhì)量監(jiān)測、云端互動等功能，運用雙向直流計量、智能傳感等技術(shù)等實現(xiàn)新能源微電網(wǎng)各載體間能量、信息的雙向、透明、友好交互，實現(xiàn)多端口靈活變換的能量路由器。

充電網(wǎng)的故障分析、隔離和快速恢復(fù)技術(shù)。相較于傳統(tǒng)的電氣設(shè)備，充電網(wǎng)把車、能源、人、數(shù)據(jù)、支付均交織與一起，其物理結(jié)構(gòu)更復(fù)雜，大量的電力電子模塊既增加了故障的概率，又為局部故障的快速隔離提供了可能。充電設(shè)備中，首先需要基于模塊自身的防護控制和系統(tǒng)級的分析判斷，準確定位故障的位置，精準快速隔離和切除故障的單元，保障系統(tǒng)級的運行不受局部故障的影響；還要能夠智能分析故障的屬性，對于可能是瞬時性故障的，嘗試重新投入，對于確認為永久性故障的，要及時切入備用的模塊，確保車輛能夠及時充電。

面向無人駕駛的人工智能充電弓和無線充電技術(shù)。今天的充電技術(shù)必須充分考慮未來無人駕駛技術(shù)的需求。對于公交車和大型物流車等無人駕駛車的大功率充電需求，人工智能充電弓技術(shù)是一個最合適的方案。該方案需要解決車輛定位、充電弓對位已經(jīng)相應(yīng)的防誤閉鎖等問題，需要提高人工智能的方法持續(xù)監(jiān)測觸頭壓力、接觸電阻、溫度等指標，確?？煽拷佑|并解決除塵、除雪等困難。對于乘用車和部分場合的商用車，無線充電技術(shù)可提供最便捷的無人化充電方案，需要解決充電過程中的活物和異物檢測，無線充電的電磁兼容，無線充電的互操作性等困難，持續(xù)提升無線充放電效率，尋找和優(yōu)化綜合的無線充電解決方案。

規(guī)?；蠊β势嚦浞烹姷碾娋W(wǎng)互動協(xié)同技術(shù)。大量采用電力電子器件的電動汽車充電基礎(chǔ)設(shè)施，在群管群控、有序充電的同時，需要有效控制諧波、紋波等有害成分，最大限度減少對電能質(zhì)量的損害并主動治理。充電過程中，能夠合理安排充電啟停和功率調(diào)整，控制和電網(wǎng)交互總功率的變化速率，抑制浪涌和下陷產(chǎn)生，減小對電網(wǎng)運行的沖擊；主動感知所連接交流電網(wǎng)的電壓，為電網(wǎng)提供合適的無功電壓支撐；感知交流電網(wǎng)的頻率變化，在大電網(wǎng)故障過程時能夠為減緩故障的發(fā)展以及故障之后的恢復(fù)提供支撐；在充電過程中具備足夠的高電壓穿越能力，放電過程中具備足夠的低電壓穿越能力。

跨平臺的互聯(lián)互通及信息安全防護技術(shù)。通過與政府監(jiān)管機構(gòu)、主機廠、車輛運營商、電網(wǎng)公司、新能源發(fā)電企業(yè)等外部監(jiān)控和運營系統(tǒng)以及地圖、支付等互聯(lián)網(wǎng)平臺進行互聯(lián)互通，實現(xiàn)充電安全監(jiān)管、充電站信息共享以及電網(wǎng)輔助服務(wù)和能源交易。提升充電客戶充電體驗，提高充電站利用率，發(fā)揮充電網(wǎng)對智能電網(wǎng)的重要支撐作用?；ヂ?lián)互通的實施過程中，需建立系統(tǒng)化、標準化的安全技術(shù)和管理體系，無縫覆蓋認證鑒權(quán)、信息加密、安全審計等各個環(huán)節(jié)，確保公共基礎(chǔ)設(shè)施運行安全、用戶支付、隱私信息等數(shù)據(jù)安全。

超大規(guī)模云平臺高并發(fā)與高可用技術(shù)。在充電網(wǎng)絡(luò)上有規(guī)模化的能源數(shù)據(jù)、汽車工業(yè)數(shù)據(jù)、人的行為數(shù)據(jù)等，云平臺系統(tǒng)需要具備高并發(fā)、易擴展、海量數(shù)據(jù)處理的互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)特性,同時又需要具備實時性強、可靠性高的工業(yè)控制系統(tǒng)特性。底層公共技術(shù)平臺要滿足系統(tǒng)的可用性、高性能、可靠性、安全性、易用性等多個維度的需求，支持微服務(wù)、分布式、平臺化的理念設(shè)計，能夠快速構(gòu)建創(chuàng)新型互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用。平臺需要支持包括充電數(shù)據(jù)、汽車工業(yè)數(shù)據(jù)、智能硬件數(shù)據(jù)、訂單數(shù)據(jù)、能源交易和結(jié)算數(shù)據(jù)等異構(gòu)多源海量數(shù)據(jù)的采集、清洗與分析，為智能充電、能源管理和精細化運營、設(shè)備智能運維等領(lǐng)域提供保障。

基于充電網(wǎng)的汽車工業(yè)大數(shù)據(jù)分析診斷技術(shù)。充電網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、能源網(wǎng)和交通網(wǎng)相融合而積累的海量數(shù)據(jù)，需要利用數(shù)據(jù)挖掘、機器學(xué)習(xí)、聚類分析等處理技術(shù)使得數(shù)據(jù)不斷“透明”，將顯性化的數(shù)據(jù)進一步轉(zhuǎn)化為直觀、可理解的信息，利用應(yīng)用建模、仿真測試、驗證等技術(shù)建立模型。通過將相關(guān)的多源信息進行融合，突破傳統(tǒng)的閾值報警和窮舉式專家知識庫運維模式。同時要將運行決策和維護建議反饋到控制系統(tǒng)，構(gòu)建“數(shù)據(jù)—知識—應(yīng)用—數(shù)據(jù)”的良性循環(huán)，不斷提升模型的自主認知、學(xué)習(xí)、記憶和重構(gòu)的能力。

基于海量傳感器和人工智能的透明充電網(wǎng)在線診斷與智能運維技術(shù)。充電基礎(chǔ)設(shè)施具有高度分散分布及戶外運行的特點，若不能實現(xiàn)遠程運維，將會帶來高昂的現(xiàn)場運維成本。非常有必要實現(xiàn)充電設(shè)備的在線檢測、遠程監(jiān)控和智能運維等。因此充電網(wǎng)絡(luò)需要基于狀態(tài)監(jiān)測及人工智能的策略，運用海量智能傳感技術(shù)，實現(xiàn)信息采集、數(shù)據(jù)獲取、故障預(yù)警、趨勢預(yù)測、主動運維等功能，做到全景信息透明。在設(shè)備端智能微傳感器也會大量應(yīng)用，除了采集傳統(tǒng)的電氣量以外，還能夠采集溫濕度、壓力、磁場等多類型的環(huán)境狀態(tài)以及絕緣、氣體成分等設(shè)備狀態(tài)信息。基于微傳感的原始信息和工業(yè)大數(shù)據(jù)平臺，結(jié)合因果關(guān)系的建模和人工智能方法，反演出傳感數(shù)據(jù)背后所代表的設(shè)備和系統(tǒng)運行狀態(tài)，直接用于進一步的設(shè)備健康狀態(tài)診斷和故障預(yù)警等功能。機器學(xué)習(xí)算法建立設(shè)備故障預(yù)測模型，基于積累的海量數(shù)據(jù)，針對非常規(guī)信息預(yù)測系統(tǒng)及部件在未來時間段可能出現(xiàn)故障的時間和發(fā)生故障類型，提前做出維護作業(yè)計劃，實現(xiàn)由故障引起的被動維護向設(shè)備智能化主動運維升級；結(jié)合社會化運維系統(tǒng)，提高運維效率、設(shè)備可用率，降低運維成本。

基于大數(shù)據(jù)云平臺的能源系統(tǒng)和充電體系的深度融合技術(shù)。規(guī)?；某潆娋W(wǎng)將和能源系統(tǒng)形成相互支撐、相互依賴的關(guān)系，能源系統(tǒng)作為充電網(wǎng)的能量來源，規(guī)?；潆娋W(wǎng)為能源系統(tǒng)提供巨大的調(diào)節(jié)資源，兩者將深度融合，形成物理上分離分布、運行上協(xié)同互動的有機整體。需要大數(shù)據(jù)云平臺為電動汽車的出行需求和放電能力提供精準預(yù)測，將其中的可調(diào)節(jié)能力和能源網(wǎng)的計劃及交易系統(tǒng)相銜接，進行聯(lián)合優(yōu)化，實現(xiàn)有效平抑能源網(wǎng)中多時間尺度的波動，防御和應(yīng)對能源網(wǎng)中各種規(guī)模的擾動。

基于區(qū)塊鏈的計量、計費和分布式交易結(jié)算技術(shù)。電動汽車充電網(wǎng)是連接分布式移動儲能資源和電網(wǎng)的智能關(guān)口，需要對能源流動的方向、大小、時間、價格以及各主體之間的交易合約等信息進行準確、完整、連續(xù)且可追溯的記錄，為交易各方提供可靠的結(jié)算和交易依據(jù)。蓬勃發(fā)展的區(qū)塊鏈技術(shù)具有安全、透明、高效和去中心化的特點，為分布式的計量、計費、結(jié)算流程提供了全新的分布式記賬支撐，電動汽車充放電相關(guān)的能源交易或共享以及碳足跡標定和交易是適應(yīng)區(qū)塊鏈技術(shù)的典型應(yīng)用場景，隨著區(qū)塊鏈技術(shù)的不斷深入，將在充電網(wǎng)的中涌現(xiàn)出越來越靈活豐富的交易模式。

變電、配電、充電、放電、光伏、儲能一體化集成技術(shù)。上述各項關(guān)鍵技術(shù)決定了充電基礎(chǔ)設(shè)施高度復(fù)雜，需要將變電、配電、充放電、光伏、儲能進行戶外一體化箱式結(jié)構(gòu)設(shè)計，內(nèi)部采用模塊化設(shè)計，提高系統(tǒng)的的集成度和能量轉(zhuǎn)換效率，減小設(shè)備占地空間并實現(xiàn)工廠預(yù)裝。需要交直流雙母線系統(tǒng)對不同源荷進行有效組合，高壓側(cè)接入交流配電網(wǎng)，低壓側(cè)通過交流母線接傳統(tǒng)交流負荷，交直流母線間通過四象限變換器耦合，分布式光伏、電池儲能及電動汽車充放電連接直流母線系統(tǒng)，整個系統(tǒng)構(gòu)成交直流混聯(lián)微網(wǎng)系統(tǒng)。模塊化的功率分配單元（PDU）采用矩陣式連接，大大提高了電力電子模塊的利用率，并使功率輸出和分配更具柔性，并能對每個功能模塊實現(xiàn)智能運維；功率模塊需要良好的散熱，同時又需要干凈干燥的運行環(huán)境，這對充電箱變的環(huán)控設(shè)計提出了更高的要求，以提高充電系統(tǒng)運行的可靠性。

可見，充電網(wǎng)是電動汽車賴以生存的基礎(chǔ)設(shè)施新網(wǎng)絡(luò)，是鏈接車聯(lián)網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)形成的“三網(wǎng)融合”新能源互聯(lián)網(wǎng)，是智能制造+充電運營+數(shù)據(jù)服務(wù)的價值閉環(huán)新生態(tài)，是新能源和新交通雙向深度融合的新產(chǎn)業(yè)；這個新網(wǎng)絡(luò)、新能源、新生態(tài)、新產(chǎn)業(yè)的“四新”需要這17項關(guān)鍵技術(shù)來支撐。