淺析純電動(dòng)乘用車大功率快充技術(shù)

純電動(dòng)乘用車大功率快速充電就是采用高電壓、大電流，短時(shí)間內(nèi)將電動(dòng)汽車充滿電。這一功能的實(shí)現(xiàn)在很大程度上決定了用車的便利性。目前快速充電、長(zhǎng)續(xù)駛里程是純電動(dòng)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(shí)現(xiàn)的目標(biāo)會(huì)對(duì)電動(dòng)汽車的產(chǎn)品設(shè)計(jì)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(xì)分成地方電網(wǎng)(電網(wǎng)負(fù)荷管理)、充電運(yùn)營(yíng)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(jī)供應(yīng)商、驅(qū)動(dòng)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(dòng)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(dòng)車的“超快速充電站”，預(yù)計(jì)設(shè)立的 400 個(gè)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(fèi)者體驗(yàn)的趨勢(shì)。

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(yùn)行的穩(wěn)定性，地方電網(wǎng)希望電動(dòng)汽車負(fù)荷接入的不要過快，因?yàn)閱吸c(diǎn)極大負(fù)荷的接入肯定會(huì)對(duì)電網(wǎng)造成很大負(fù)擔(dān)，大功率充電對(duì)于電網(wǎng)的安全性也提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，這點(diǎn)就直接定下來整個(gè)基調(diào)。如果從電網(wǎng)的統(tǒng)籌考慮，大功率快充會(huì)大幅降低有序充電的可能性，導(dǎo)致電網(wǎng)負(fù)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(duì)充電速度的預(yù)期會(huì)變得更快，很容易出現(xiàn)如同排隊(duì)加油類似的排隊(duì)充電現(xiàn)象，在上下班高峰期間，負(fù)荷管理就是大問題，因?yàn)槌潆婇_始的時(shí)候，電網(wǎng)負(fù)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(huì)出現(xiàn)充電在相近時(shí)間點(diǎn)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(fù)荷變化就會(huì)達(dá)到所接入變壓器負(fù)荷的20%甚至更高，在夏季等電力供應(yīng)緊張時(shí)期，容易出現(xiàn)過負(fù)荷問題，引起線路過熱、跳閘等，這將導(dǎo)致電網(wǎng)上大量負(fù)荷被切除。

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

由于大功率充電的布點(diǎn)是接近私人消費(fèi)者，充電設(shè)施運(yùn)營(yíng)商布點(diǎn)就會(huì)依據(jù)現(xiàn)實(shí)的訴求而不是電網(wǎng)的情況來考慮，快充樁、快充站將會(huì)廣泛分布在居住區(qū)、辦公區(qū)、消費(fèi)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(wàn)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(jìn)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(jì)上報(bào)公共類充電樁161193個(gè)，其中交流充電樁55956個(gè)、直流充電樁39163個(gè)、交直流一體充電樁66074個(gè)。根據(jù)這個(gè)數(shù)據(jù)考慮，10萬(wàn)個(gè)直流充電樁(30~60kW)的利用率是個(gè)問題，按照這個(gè)數(shù)據(jù)考慮，為了這么多充電樁，實(shí)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(yùn)營(yíng)商推到了一個(gè)很艱難的境地。

圖2 現(xiàn)有快充功率和應(yīng)用場(chǎng)景

從應(yīng)用場(chǎng)景來看，350kW是一個(gè)長(zhǎng)遠(yuǎn)的考慮，在中國(guó)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(shí)租賃：對(duì)補(bǔ)電速度有要求的，也是一個(gè)對(duì)快充時(shí)間價(jià)值的認(rèn)可

·高速公路上，對(duì)運(yùn)行有要求的區(qū)域

目前，充電運(yùn)營(yíng)商的收入是靠充電服務(wù)費(fèi)和充電電費(fèi)兩項(xiàng)，如果消費(fèi)者對(duì)充電時(shí)間有更短的需求，而實(shí)際上的充電服務(wù)無法滿足這種需求，那么充電運(yùn)營(yíng)的實(shí)際收益是不高的。如果往快充發(fā)展，就能有效的把運(yùn)營(yíng)快充站和運(yùn)營(yíng)加油站相提并論，如果車輛端的供應(yīng)量能達(dá)到一定的數(shù)量，那么充電設(shè)施運(yùn)營(yíng)商會(huì)毫不猶豫跟上這個(gè)趨勢(shì)。隨著《電動(dòng)汽車柔性充電堆》的標(biāo)準(zhǔn)草案和產(chǎn)品概念的升級(jí)，充電設(shè)施和充電模塊的設(shè)計(jì)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(shí)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(hù)和將來升級(jí)改造的過程中，要跟上大功率快充的趨勢(shì)去是比較容易的。

圖3 充電堆的功率調(diào)度是個(gè)挺普遍的趨勢(shì)

3)技術(shù)細(xì)節(jié)的問題

在日前召開的“電動(dòng)乘用車大功率充電技術(shù)的前景與挑戰(zhàn)”研討會(huì)上，大家在交流的幾個(gè)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(jì)需要與電動(dòng)汽車的電壓平臺(tái)匹配。充電模塊需要滿足市場(chǎng)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(shí)再好好推進(jìn)。

·充電接口和電纜：這里的問題比較大，由于現(xiàn)實(shí)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(biāo)準(zhǔn)在往350kW方向走的時(shí)候，如何在接口、協(xié)議、接口線纜冷卻等問題上進(jìn)行完善，是快充功能實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵。這方面其實(shí)國(guó)內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)制定者已經(jīng)開始提前布局，籌建工作組遵循IEC/ISO標(biāo)準(zhǔn)的制定規(guī)律，先出概念、制作樣品、經(jīng)過仔細(xì)的驗(yàn)證才形成靠譜的標(biāo)準(zhǔn)，再往下推。

在車輛電氣化的發(fā)展趨勢(shì)來看，中國(guó)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(guó)市場(chǎng)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(guó)10萬(wàn)的LEAF保有量，對(duì)應(yīng)的也只有5千個(gè)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(duì)于電動(dòng)汽車而言，我們首要考慮的問題，是未來的電動(dòng)化車輛的發(fā)展，是否是按照預(yù)想的方向來走的。

1)電動(dòng)汽車的發(fā)展走向

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

·從全球范圍來看，純電動(dòng)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(gè)明顯的趨勢(shì)。

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(jìn)大功率快充，也是因?yàn)榻窈蟮碾妱?dòng)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(duì)消費(fèi)者而言，充電速度太慢了，會(huì)發(fā)生在家充不滿電的情況，如此一來的消費(fèi)體驗(yàn)就會(huì)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(dāng)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(diǎn)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(shì)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(yàn)證快充循環(huán)特性對(duì)容量、內(nèi)阻的影響大小;在模組化和Pack成組的過程中，對(duì)外界環(huán)境溫度和溫升的控制，也是對(duì)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(tái)下，在電池級(jí)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(jí)提升來看，其實(shí)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(guó)內(nèi)現(xiàn)階段乘用車行業(yè)尚未普及高壓大功率器件，因?yàn)槠涑杀据^高，可靠性也待驗(yàn)證，相關(guān)法律法規(guī)、試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)也未健全。

材料和器件的進(jìn)步，不可避免地將對(duì)整個(gè)部件的設(shè)計(jì)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(jìn)技術(shù)和時(shí)間優(yōu)勢(shì)的。這點(diǎn)不可阻擋，只是說現(xiàn)階段沒辦法把這些在研究和儲(chǔ)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(dòng)乘用車大功率快充的發(fā)展，還必須將其納入整個(gè)電動(dòng)乘用車行業(yè)的發(fā)展大格局中思考：

第一，補(bǔ)貼政策、白名單政策、不一樣的GBT標(biāo)準(zhǔn)和認(rèn)證過程，其實(shí)給國(guó)內(nèi)的新能源汽車帶來一個(gè)發(fā)展的窗口期，對(duì)混動(dòng)相對(duì)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(bǔ)貼，豐田混動(dòng)在國(guó)內(nèi)發(fā)展也挺迅速，無它，產(chǎn)品技術(shù)本身優(yōu)勢(shì)大，這些措施限制不住消費(fèi)者真實(shí)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(dòng)汽車的門檻自然而然也會(huì)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(diǎn)點(diǎn)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(shí)候，純電動(dòng)汽車會(huì)發(fā)展成什么樣，僅以現(xiàn)有的技術(shù)來衡量，是會(huì)有很大的誤差的。

第三，當(dāng)前的中國(guó)新能源汽車行業(yè)是有一定的系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)的，就是本土企業(yè)在有“籬笆保護(hù)”的時(shí)候，享盡現(xiàn)金補(bǔ)貼的實(shí)惠和數(shù)量世界第一的榮譽(yù)，卻沒看到真正的對(duì)手也是憋著勁等籬笆下來，等經(jīng)過政府和國(guó)內(nèi)企業(yè)的幾波宣導(dǎo)，完成了消費(fèi)者教育，并把市場(chǎng)培育成熟的時(shí)候，真正的對(duì)手們就會(huì)給大家?guī)眢w驗(yàn)不一樣的產(chǎn)品了。屆時(shí)，“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(cè)試驗(yàn)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(biāo)準(zhǔn)界都是跟著影響力大的標(biāo)準(zhǔn)來走)國(guó)家的標(biāo)準(zhǔn)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(duì)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(diǎn)，但限制不住將會(huì)對(duì)電池產(chǎn)生很大的影響

功率電子層(車載充電機(jī)和DC-DC)，SiC的MOSFET其實(shí)在國(guó)內(nèi)已有很多應(yīng)用，并不是大問題，核心的難點(diǎn)還在主逆變器的功率模塊上，隨著國(guó)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。