淺析純電動(dòng)乘用車(chē)大功率快充技術(shù)

純電動(dòng)乘用車(chē)大功率快速充電就是采用高電壓、大電流，短時(shí)間內將電動(dòng)汽車(chē)充滿(mǎn)電。這一功能的實(shí)現在很大程度上決定了用車(chē)的便利性。目前快速充電、長(cháng)續駛里程是純電動(dòng)乘用車(chē)用戶(hù)最為迫切的兩大需求。僅就大功率快充而言，其功能實(shí)現的目標會(huì )對電動(dòng)汽車(chē)的產(chǎn)品設計產(chǎn)生非常大的影響。本文將就此展開(kāi)一些討論。

開(kāi)始前，我們先將相關(guān)層面分以下的兩部分：車(chē)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(yíng)商、充電設施集成商、充電模塊集成商、充電連接器和線(xiàn)纜供應商。在車(chē)輛端，從企業(yè)上可以分為整車(chē)OEM企業(yè)、電池系統供應商、電池冷卻/加熱子系統供應商、充電連接器和線(xiàn)纜供應商、車(chē)載充電機供應商、驅動(dòng)系統供應商、電空調供應商和DCDC供應商還有高壓電氣系統供應商等等。

以下就從充電供給端與車(chē)輛端的現狀、需求、技術(shù)條件與挑戰等角度，來(lái)談一談電動(dòng)乘用車(chē)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(chē)廠(chǎng)曾宣布將在歐洲聯(lián)合部署電動(dòng)車(chē)的“超快速充電站”，預計設立的 400 個(gè)充電站為聯(lián)合充電系統 (CCS) ，最大功率為 350kW。這一事件表明整車(chē)廠(chǎng)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(lái)的影響變化

一、充電供給端

1)從電網(wǎng)系統性考慮

電網(wǎng)是充電的源頭，考慮到電網(wǎng)運行的穩定性，地方電網(wǎng)希望電動(dòng)汽車(chē)負荷接入的不要過(guò)快，因為單點(diǎn)極大負荷的接入肯定會(huì )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，這點(diǎn)就直接定下來(lái)整個(gè)基調。如果從電網(wǎng)的統籌考慮，大功率快充會(huì )大幅降低有序充電的可能性，導致電網(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(kāi)設了快充站，用戶(hù)對充電速度的預期會(huì )變得更快，很容易出現如同排隊加油類(lèi)似的排隊充電現象，在上下班高峰期間，負荷管理就是大問(wèn)題，因為充電開(kāi)始的時(shí)候，電網(wǎng)負荷一下子就上去了，出現全部充電的情況，同理快充完成后也會(huì )出現充電在相近時(shí)間點(diǎn)全部停止的情況。

·在現有的管控模式下，以上情況推演下來(lái)，局部的配電負荷變化就會(huì )達到所接入變壓器負荷的20%甚至更高，在夏季等電力供應緊張時(shí)期，容易出現過(guò)負荷問(wèn)題，引起線(xiàn)路過(guò)熱、跳閘等，這將導致電網(wǎng)上大量負荷被切除。

·從時(shí)間軸上來(lái)看，由于車(chē)輛的移動(dòng)特性，會(huì )加劇現有負荷管理的難度，節假日、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(wèn)題的可能性非常大。

由于大功率充電的布點(diǎn)是接近私人消費者，充電設施運營(yíng)商布點(diǎn)就會(huì )依據現實(shí)的訴求而不是電網(wǎng)的情況來(lái)考慮，快充樁、快充站將會(huì )廣泛分布在居住區、辦公區、消費區和工業(yè)區。這樣的布局很容易影響商業(yè)用電穩定，一旦電網(wǎng)因此被要求索賠怎么辦?工業(yè)區也一樣，萬(wàn)一大功率電器引入影響了供電穩定，造成了工業(yè)生產(chǎn)損失怎么辦?

2)充電設施的角度

根據充電設施促進(jìn)聯(lián)盟的數據。截至2017年4月，聯(lián)盟內成員單位總計上報公共類(lèi)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)。根據這個(gè)數據考慮，10萬(wàn)個(gè)直流充電樁(30~60kW)的利用率是個(gè)問(wèn)題，按照這個(gè)數據考慮，為了這么多充電樁，實(shí)際付出的總投入也不小了，但是從充電設施的利用率、私人用戶(hù)快充的滿(mǎn)意率、單位充電樁的消耗電能來(lái)看，投入和付出沒(méi)有特別好的匹配，這客觀(guān)上把充電設施運營(yíng)商推到了一個(gè)很艱難的境地。

圖2 現有快充功率和應用場(chǎng)景

從應用場(chǎng)景來(lái)看，350kW是一個(gè)長(cháng)遠的考慮，在中國來(lái)看，以下幾類(lèi)需求比較迫切：

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

·出租車(chē)/分時(shí)租賃：對補電速度有要求的，也是一個(gè)對快充時(shí)間價(jià)值的認可

·高速公路上，對運行有要求的區域

目前，充電運營(yíng)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(shí)間有更短的需求，而實(shí)際上的充電服務(wù)無(wú)法滿(mǎn)足這種需求，那么充電運營(yíng)的實(shí)際收益是不高的。如果往快充發(fā)展，就能有效的把運營(yíng)快充站和運營(yíng)加油站相提并論，如果車(chē)輛端的供應量能達到一定的數量，那么充電設施運營(yíng)商會(huì )毫不猶豫跟上這個(gè)趨勢。隨著(zhù)《電動(dòng)汽車(chē)柔性充電堆》的標準草案和產(chǎn)品概念的升級，充電設施和充電模塊的設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(shí)現一定的功率分享。如上面銜接的那樣，已有直流充電樁在不斷維護和將來(lái)升級改造的過(guò)程中，要跟上大功率快充的趨勢去是比較容易的。

圖3 充電堆的功率調度是個(gè)挺普遍的趨勢

3)技術(shù)細節的問(wèn)題

在日前召開(kāi)的“電動(dòng)乘用車(chē)大功率充電技術(shù)的前景與挑戰”研討會(huì )上，大家在交流的幾個(gè)問(wèn)題，非常值得羅列探討：

·充電電壓的問(wèn)題：在200V~1000V里面，存在著(zhù)比較明顯的低效率端，充電模塊輸出電壓設計需要與電動(dòng)汽車(chē)的電壓平臺匹配。充電模塊需要滿(mǎn)足市場(chǎng)上的車(chē)輛，電壓優(yōu)選端還是需要車(chē)企與充電端形成一些共識再好好推進(jìn)。

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

在車(chē)輛電氣化的發(fā)展趨勢來(lái)看，中國未來(lái)在亞洲范圍內，尤其是影響東南亞的可能性是很高的，整體充電設施出口東南亞是必然的。而充電模塊和相關(guān)設備，去挑戰一下歐洲和美國市場(chǎng)還是挺有意義的，車(chē)賣(mài)不過(guò)去先把充電設施賣(mài)過(guò)去。如下圖所示，在美國10萬(wàn)的LEAF保有量，對應的也只有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(chē)輛端

對于電動(dòng)汽車(chē)而言，我們首要考慮的問(wèn)題，是未來(lái)的電動(dòng)化車(chē)輛的發(fā)展，是否是按照預想的方向來(lái)走的。

1)電動(dòng)汽車(chē)的發(fā)展走向

·2017年以來(lái)，補貼下降使得A00級別電動(dòng)汽車(chē)當道，在北京，這類(lèi)低價(jià)格的車(chē)輛被當作是“占牌”神器，在當前上量的同時(shí)，我們需要考慮下這種發(fā)展趨勢是否是持續性的。不算開(kāi)玩笑地說(shuō)，等合適的電動(dòng)車(chē)輛出來(lái)，分分鐘給你過(guò)牌過(guò)掉……

·從全球范圍來(lái)看，純電動(dòng)汽車(chē)電池容量從20kwh到30~40kwh再到50~80kwh，續駛里程從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。

結合整車(chē)開(kāi)發(fā)的周期考慮，整車(chē)企業(yè)提350kW是為將來(lái)的車(chē)考慮，推進(jìn)大功率快充，也是因為今后的電動(dòng)汽車(chē)(電池沖量60kwh以上)如果再用3.3和6.6kW的充電功率來(lái)充電，對消費者而言，充電速度太慢了，會(huì )發(fā)生在家充不滿(mǎn)電的情況，如此一來(lái)的消費體驗就會(huì )比較差了。

圖5 充電相關(guān)單元

2)現有的充電速度和功率

我們拿當前電池容量為30kwh的兩款車(chē)來(lái)看，充電功率正常值在40~50kW之間。在25度正常溫度下，根據電池化學(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間內，驗證快充循環(huán)特性對容量、內阻的影響大小;在模組化和Pack成組的過(guò)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 現有的充電曲線(xiàn)

繼而，隨著(zhù)電池系統容量的變大，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(lái)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的使用，需要提升電池系統和配電系統的性能;

·功率電子方面，其核心是高耐壓的功率器件，國內現階段乘用車(chē)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、試驗標準也未健全。

材料和器件的進(jìn)步，不可避免地將對整個(gè)部件的設計和部件的特性產(chǎn)生深刻的影響。所以未來(lái)汽車(chē)OEM在電氣化的過(guò)程中，是需要整合全球資源，深入到部件、器件和材料領(lǐng)域去占據先進(jìn)技術(shù)和時(shí)間優(yōu)勢的。這點(diǎn)不可阻擋，只是說(shuō)現階段沒(méi)辦法把這些在研究和儲備的技術(shù)直接拿出來(lái)作為量產(chǎn)車(chē)來(lái)賣(mài)。

第三、小結與建議：

要理解電動(dòng)乘用車(chē)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(chē)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(guò)程，其實(shí)給國內的新能源汽車(chē)帶來(lái)一個(gè)發(fā)展的窗口期，對混動(dòng)相對消極的戰略，也可以理解為一種戰術(shù)性措施。即使不給政策不給補貼，豐田混動(dòng)在國內發(fā)展也挺迅速，無(wú)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(shí)而樸素的需求。

第二，在材料、器件和部件的特性發(fā)展過(guò)程中，純電動(dòng)汽車(chē)的門(mén)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)系統性的累加之后，未來(lái)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(chē)會(huì )發(fā)展成什么樣，僅以現有的技術(shù)來(lái)衡量，是會(huì )有很大的誤差的。

第三，當前的中國新能源汽車(chē)行業(yè)是有一定的系統風(fēng)險的，就是本土企業(yè)在有“籬笆保護”的時(shí)候，享盡現金補貼的實(shí)惠和數量世界第一的榮譽(yù)，卻沒(méi)看到真正的對手也是憋著(zhù)勁等籬笆下來(lái)，等經(jīng)過(guò)政府和國內企業(yè)的幾波宣導，完成了消費者教育，并把市場(chǎng)培育成熟的時(shí)候，真正的對手們就會(huì )給大家帶來(lái)體驗不一樣的產(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(guò)測試驗證后建立乘用車(chē)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(zhù)影響力大的標準來(lái)走)國家的標準和產(chǎn)品。

在電池系統層，需要分解大功率充電帶來(lái)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(diǎn)，但限制不住將會(huì )對電池產(chǎn)生很大的影響

功率電子層(車(chē)載充電機和DC-DC)，SiC的MOSFET其實(shí)在國內已有很多應用，并不是大問(wèn)題，核心的難點(diǎn)還在主逆變器的功率模塊上，隨著(zhù)國內很多企業(yè)投入這一領(lǐng)域，相關(guān)試制還是可以做的。