電動汽車大功率充電設(shè)施技術(shù)研究

茹永剛

(西安特銳德智能充電科技有限公司，陜西 西安 710000)

0 引言

傳統(tǒng)燃油汽車的電氣化方向已經(jīng)在全球達(dá)成共識，中國、日本、歐洲和美國都制定了明確的產(chǎn)品技術(shù)路線，可以預(yù)期電動汽車在不遠(yuǎn)的幾年內(nèi)，會得到快速的發(fā)展，甚至超過燃油車的銷量。這個趨勢是非常明確的，但在快速發(fā)展的趨勢后面，仍然存在著影響電動汽車全面普及的一些問題，只有這些問題的合理解決，才可以真正讓電動汽車媲美或者全面超越燃油車，讓用戶從心里愿意選擇電動汽車。在這些問題里面，電動汽車的續(xù)航里程和充電時間無疑是最主要的兩個問題。

隨著電池技術(shù)的發(fā)展，電動汽車的續(xù)航里程和充電倍率在這幾年都得到了快速的提高，而且仍將是未來電動汽車關(guān)鍵技術(shù)的主要突破方向。而無論是續(xù)航里程的增加或者充電倍率的提高，都要求有更大的充電功率來配套。所以電動汽車的大功率充電也一定是充電設(shè)施發(fā)展非常重要的方向。但充電功率需求的持續(xù)增加，也給充電行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、充電設(shè)施、高壓配電器件及充電連接器等等一系列的環(huán)節(jié)提出了更高的要求。本文旨在闡述和探討電動汽車大功率充電設(shè)施的技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀以及如何更好地應(yīng)對電動汽車對大功率充電的需求。

1 大功率充電設(shè)施的現(xiàn)狀

1.1 大功率充電設(shè)施的定義

電動汽車直流大功率充電在行業(yè)內(nèi)中還沒有正式的官方定義，行業(yè)中通常指單槍充電功率在350 kW或以上，充電電流大于400 A的充電方式為直流大功率充電。

大功率充電的主要應(yīng)用場景為：高速路充電站；服務(wù)于城市出租、物流車、長途車、分時租賃車等運(yùn)營類電動汽車的充電站；服務(wù)于城市內(nèi)無固定停車位的電動乘用車充電站；服務(wù)于配置有類似鈦酸鋰等可大倍率充電的城市公交車充電站。

1.2 國外大功率充電設(shè)施的現(xiàn)狀

歐洲市場，歐盟計(jì)劃開啟一項(xiàng)名為超快速充電網(wǎng)的項(xiàng)目，項(xiàng)目將建造連接荷蘭、比利時、德國、奧地利等國的快速充電站網(wǎng)絡(luò)。此計(jì)劃將于 2018年完工，預(yù)計(jì)花費(fèi)1 300萬歐元。計(jì)劃中的充電站點(diǎn)的輸出功率都可以達(dá)到350千瓦時，是特斯拉超級充電樁功率的2倍以上，是歐洲目前大多數(shù)標(biāo)準(zhǔn)充電樁功率的7倍以上，這一計(jì)劃的主要參與者包含了寶馬、戴姆勒、奧迪等歐洲主流車企。

美國市場，2017年1月份，Evgo宣稱啟動全球首個 350 kW 充電站建設(shè)。作為美國最大的電動汽車充電運(yùn)營服務(wù)商，ChargePoint也在2017年早些時候宣布，將推出 400 kW 的大功率充電系統(tǒng)Express Plus，該平臺將主要針對電動公共汽車、電動卡車和有快速充電需求的乘用車用戶。這些充電樁將在15 min內(nèi)為車輛增加數(shù)百英里的行車距離。而特斯拉的目標(biāo)是將充電時間減小到5～10 s，由此可以推出，需求的充電功率將超過350 kW。

1.3 國內(nèi)大功率充電設(shè)施的現(xiàn)狀

從充電設(shè)施來說，國內(nèi)其實(shí)很早就在電動商用車充電場合實(shí)現(xiàn)了大于 350 kW的充電功率。這種充電往往都是通過多槍(兩槍到四槍等)及充電弓的方式實(shí)現(xiàn)，充電功率最高已經(jīng)超過480 kW，充電電流達(dá)到600 A以上。主要車型大都是基于諸如鈦酸鋰這類可以大倍率充電的商用車。這方面國內(nèi)與國際同行的技術(shù)平齊甚至在國內(nèi)已經(jīng)超前國際技術(shù)發(fā)展。

而在乘用車方面，由于國內(nèi)電池廠、主機(jī)廠技術(shù)及市場定位的原因，目前絕大部分的充電功率仍然在100 kW以下。比亞迪E6算是在國內(nèi)充電功率和續(xù)航里程比較大的乘用車，最大的充電功率也只有70 kW，這方面我們與國際大品牌(特斯拉、保時捷等)之間逐漸有較大的差距，同時由于市場沒有車型進(jìn)行匹配，乘用車的大功率充電技術(shù)和充電網(wǎng)絡(luò)建設(shè)遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于國外水平。

2 大功率充電面臨的問題及解決方案

2.1 大功率充電設(shè)施的組成

充電設(shè)施主要包含以下幾大部分：高低壓配電、充電模塊、系統(tǒng)散熱及防護(hù)、BMS通訊板、計(jì)量系統(tǒng)、系統(tǒng)監(jiān)控及充電線纜等。隨著充電功率的逐步增加，對很多部分的設(shè)計(jì)都提出新的要求，影響最大的是系統(tǒng)散熱及防護(hù)、充電槍、高低壓配電和充電模塊。接下來分別從這些方面來研究一下大功率充電需要考慮和解決的問題。

2.2 大功率充電設(shè)施與電動汽車充電接口的問題及解決方案

2015版GB/T 20234標(biāo)準(zhǔn)在直流充電充電電流接口標(biāo)準(zhǔn)中增加了400 A，但實(shí)際國內(nèi)無論是車廠、連接器廠家還是充電設(shè)施運(yùn)營商，最大的充電電流仍然是 250 A，大功率充電槍頭方面仍然面臨技術(shù)上的問題。

圖1 充電設(shè)施的組成Fig.1 Composition of charging facilities

但是在單槍實(shí)現(xiàn) 350 kW 充電功率的技術(shù)得到突破之前，仍然有其他方案可以暫時解決大功率充電的問題。在這個問題上，乘用車與商用車應(yīng)該區(qū)別來看，對于新能源乘用車，目前國內(nèi)大部分乘用車的電池 pack電壓大部分仍然處于300～500 V之間，最大充電功率仍然在50 kW左右。所以，對于乘用車，大功率化最簡單的方式就是提高母線電壓，按照目前的器件水平，完全可以支撐乘用車電壓達(dá)到 600 V，這樣在現(xiàn)有充電連接器不變的情況下，充電功率可以比較容易地實(shí)現(xiàn)150 kW，而這方面國外車企走得會更激進(jìn)一點(diǎn)，比如保時捷在2019年將推出的 Mission E的電池電壓將達(dá)到800 V，實(shí)現(xiàn)15 min充滿 80%電量的速度，充電功率將達(dá)到350 kW。

而對于商用車，不應(yīng)該局限充電槍一種連接方式，目前有多槍充電、充電弓充電等方式，充電功率可以比較容易地達(dá)到500 kW以上。實(shí)際上，對于商用車，由于大部分是固定地點(diǎn)充電，最合理的方式應(yīng)該是充電弓的方式，既解決了充電槍電流限制的問題，又可以解決人工插槍笨重不方便等很多的問題。

2.3 充電模塊功率等級的問題的及解決方案

目前行業(yè)中主流的充電模塊仍然是15 kW，部分系統(tǒng)開始啟用20 kW的充電模塊。但隨著單車充電功率需求的進(jìn)一步增加，比如350 kW，如果仍然采用15 kW的模塊，則意味著系統(tǒng)需要24個模塊充電模塊的并聯(lián)，從成本角度來說并不是最合理的設(shè)計(jì)。35 kW(對于350 kW系統(tǒng))功率等級甚至更大應(yīng)該是更加合理的選擇。

在器件平臺的選擇上，在30 kW以下的充電模塊仍然比較容易使用更低成本的 MOSFET器件平臺。當(dāng)模塊功率超過30 kW時，MOSFET的平臺已經(jīng)不太合適，除非采用交錯并聯(lián)的拓?fù)洌駝t需要大量的MOSFET并聯(lián)來實(shí)現(xiàn)大電流的開關(guān)。未來對于更大功率的充電模塊，一方面是寬禁帶的第三代半導(dǎo)體材料(比如SIC或者GaN)將會有更大使用，這些新器件的使用，會進(jìn)一步提高充電系統(tǒng)的效率；另一方面是大功率的IGBT模塊的解決方案，但會帶來成本及模塊體積的增加。

2.4 系統(tǒng)防護(hù)面臨的問題

電動汽車直流充電系統(tǒng)是專業(yè)化的工業(yè)系統(tǒng)，但是實(shí)際上的使用環(huán)境又往往都處于非常惡劣的民用環(huán)境下，按照現(xiàn)在通用的 IP54防護(hù)等級要求來說，系統(tǒng)的長期可靠性會面臨很大的問題。特別是對于未來的大功率充電系統(tǒng)，以350 kW 為例，額定條件下系統(tǒng)效率按照95%算，則系統(tǒng)的總發(fā)熱功率將達(dá)到18.5 kW，如果按照最惡劣條件來計(jì)算(往往發(fā)生在最低輸入電壓條件下)，總的發(fā)熱功率有可能達(dá)到26 kW。這么大的發(fā)熱功率必然要求更有效的散熱手段，一方面系統(tǒng)的發(fā)熱量都能夠有效地散出去，保證所有的元器件都在安全的溫度降額之內(nèi)，另一方面又要保證系統(tǒng)內(nèi)部防護(hù)敏感器件(PCB、SMD器件等)足夠高的防護(hù)等級。如果還是延續(xù)目前的散熱方式(直通風(fēng))和防護(hù)等級(IP54)，必然導(dǎo)致設(shè)備未來長期可靠性問題。

所以為了提高系統(tǒng)的長期可靠性，大功率充電系統(tǒng)需要采用更高防護(hù)等級的散熱方式，比如液冷、熱交換或者幾種散熱方式的混合等。

同時，對于大功率充電系統(tǒng)，無論是從系統(tǒng)設(shè)計(jì)、現(xiàn)場安裝、設(shè)備維護(hù)方面還是從用戶體驗(yàn)方面來說，分體式設(shè)計(jì)都將更加適合。所以，以后的大功率充電設(shè)施將更多地以分體式的形式呈現(xiàn)。

2.5 系統(tǒng)安全方面的考慮及解決方案

電動汽車的安全問題在任何時候都應(yīng)該是最重要的事情，同時電動汽車的安全應(yīng)該是一個系統(tǒng)工程，這個系統(tǒng)中包含了用戶、電池、電網(wǎng)、充電設(shè)備、信息安全及車輛安全。而大功率充電系統(tǒng)的電壓高、電流大，對系統(tǒng)的安全設(shè)計(jì)要求很高。

圖2 充電動汽車充電的安全是一個系統(tǒng)工程Fig.2 Safety for EV charging is a systems engineering

對用戶的考慮，隨著充電電壓的提高，要求設(shè)備具有更高的電氣間隙和爬電距離設(shè)計(jì)，保證人身的絕對安全，系統(tǒng)直流對地絕緣檢測要求更加的可靠和快速，同時，隨著充電功率的大幅增加，還需要考慮音響噪音和電磁輻射對周邊環(huán)境的影響在一個可接受的范圍之內(nèi)。

電池方面，對于大功率充電，要求電池充電倍率能夠達(dá)到5～10 C，而充電倍率的增加，是在所有影響安全的因素中最重要的因素。隨著充電功率的增加，諸如 BMS設(shè)計(jì)、系統(tǒng)主動防護(hù)設(shè)計(jì)、系統(tǒng)關(guān)鍵部位的檢測設(shè)計(jì)等等都要求重新考慮，比如充電設(shè)備對 BMS的充電指令響應(yīng)更加快速，或者BMS對電池的管理必須要考慮到充電設(shè)備的響應(yīng)時間因素，防止因?yàn)轫憫?yīng)過慢導(dǎo)致對電池的過充。

設(shè)備方面，隨著充電電流的增加，系統(tǒng)內(nèi)部的接觸損耗會以電流平方倍的關(guān)系增加，從直流輸出到電池端口任何地方接觸不可靠都會迅速導(dǎo)致熱量的集中產(chǎn)生，帶來起火的重大事故。所以，一方面關(guān)鍵部分的連接器設(shè)計(jì)要保證絕對的可靠，另一方面，要保證系統(tǒng)內(nèi)足夠多的關(guān)鍵部位溫度異常檢測設(shè)計(jì)。

2.6 運(yùn)營商的經(jīng)濟(jì)效益問題

在有足夠多的大功率充電電動汽車的情況下，大功率充電設(shè)施無疑會大幅提高充電運(yùn)營商的服務(wù)能力和每天的服務(wù)費(fèi)收入。

但實(shí)際情況是，國內(nèi)目前能夠?qū)崿F(xiàn)大功率充電的車輛太少，即便是充電服務(wù)運(yùn)營商目前投建的小功率充電樁，設(shè)備利用率仍然只有不到10%的水平，大部分投建的設(shè)備仍然處于閑置的狀態(tài)，單純的大功率充電設(shè)施會讓設(shè)備閑置率和充電運(yùn)營商的投資成本更高。

另外，關(guān)于服務(wù)費(fèi)方面，國內(nèi)目前的收費(fèi)完全按照充電度數(shù)來計(jì)算，所以無論是 3.3 kW 的交流充，還是 120 kW 的大功率充電，度電服務(wù)費(fèi)都是一樣的。但實(shí)際上，小功率充電設(shè)施和大功率充電設(shè)施的投資成本有著巨大的差異(設(shè)備費(fèi)用、維護(hù)費(fèi)用、電力擴(kuò)容費(fèi)用、工程安裝費(fèi)用等)，同時，對于直流設(shè)備的計(jì)量，是在直流輸出端進(jìn)行計(jì)量，所以相比于交流充電設(shè)備，直流充電設(shè)備每度電要多承擔(dān)5%的電力損耗費(fèi)用。

未來，由于大功率充電設(shè)施帶給用戶更好的體驗(yàn)，運(yùn)營商在設(shè)備和維護(hù)、電力擴(kuò)容方面更多的投入，大功率充電的度電服務(wù)費(fèi)應(yīng)該要高于慢充和小功率充電服務(wù)。而在充電設(shè)施的建設(shè)過程中，一定要有長遠(yuǎn)的眼光，在一些適合建設(shè)大功率充電的場合，一定要在產(chǎn)品方案上兼容現(xiàn)有小功率充電和未來大功率充電的兩種不同需求，避免投資浪費(fèi)。

2.7 電網(wǎng)的沖擊及應(yīng)對策略

從總的充電電量來說，假設(shè)中國現(xiàn)有機(jī)動車(2017年保有量1.9億輛)全部更換電動汽車，每輛車每年的平均行駛里程按照15 000 km計(jì)算，百公里平均耗電按照15度電計(jì)算，則這些電動汽車帶來的每年新增用電需求約為4 300億度電，占2016年實(shí)際總發(fā)電量6萬億度電的約7%，可以說，影響并不是很大。

從充電功率來看，根據(jù)博思數(shù)據(jù)發(fā)布的《2017-2022年中國加油站市場監(jiān)測及投資前景研究報(bào)告》，2016年中國中國加油站的總數(shù)量為98 000座，加氣站的總數(shù)量接近7 000座。 如果考慮實(shí)現(xiàn)充電與加油相同的體驗(yàn)，也就是把所有這些加油站和加氣站(每個站通常 12把槍)全部更換為 350 kW的大功率充電槍，然后考慮50%的利用率，則充電功率的峰值將達(dá)到2.3億kW，占2016年全國總裝機(jī)容量的14%(當(dāng)然所有槍不會同時充電)。

因此，從以上的分析來看，大功率充電從裝機(jī)容量方面的影響要大于電量的影響。而對于如何解決大功率充電對電網(wǎng)裝機(jī)容量的影響在第3節(jié)進(jìn)行介紹。

3 大功率充電帶來的機(jī)遇

3.1 大功率充電將有利于解決電動車主的充電擔(dān)憂問題。

用戶對電動汽車?yán)m(xù)航里程和充電便捷性的擔(dān)憂極大地影響著電動汽車的普及。國內(nèi)現(xiàn)有乘用車即便采用直流快充技術(shù)，仍然需要至少1 h以上的等待時間，這個時間對于高速路、出租車等很多用戶是無法忍受的。隨著電池技術(shù)及大功率快充技術(shù)的發(fā)展和普及，充電時間可以縮短到10～20 min甚至更短，讓電動汽車充電和燃油車加油有著類似的用戶體驗(yàn)，可以很好地解決用戶的充電擔(dān)憂問題。

同時，現(xiàn)有的小功率充電需要依靠充電樁的量來解決慢的問題，國內(nèi)的充電運(yùn)營商也的確是建設(shè)了大量的充電樁。但現(xiàn)實(shí)情況是，一方面，電動汽車車主在喊“無樁可用”，而另一方面，充電運(yùn)營企業(yè)投建的充電樁卻躺著睡大覺，充電利用率普遍在10%以下(行業(yè)統(tǒng)計(jì)平均值應(yīng)該在5%左右)，投資回收遙遙無期。主要的原因就是現(xiàn)有的城市土地和電力資源無法滿足充電樁大量建設(shè)的要求，或者說現(xiàn)有的政策不支持充電樁的到處鋪建。所以導(dǎo)致了可以建樁的地方?jīng)]有車，有車的地方?jīng)]有資源建樁，而大功率充電的實(shí)現(xiàn)，可以大大減小充電樁數(shù)量上的需求。

3.2 大功率充電將促使乘用車與商用車電壓平臺趨于一致，大大提高充電設(shè)施與車輛類型的兼容性。

我國老版充電標(biāo)準(zhǔn)中，乘用車和商用車的電壓標(biāo)準(zhǔn)及輔助電源標(biāo)準(zhǔn)都有所差異，2015版的新版標(biāo)準(zhǔn)將輔助電源統(tǒng)一為12 V/10 A，但電壓仍然有三個電壓等級(500 V、700 V 和 950 V)。導(dǎo)致的結(jié)果是充電設(shè)施不統(tǒng)一，市場上會存在3種充電設(shè)施，造成投資的浪費(fèi)。

但隨著電池技術(shù)的不斷進(jìn)步，電動汽車?yán)m(xù)航里程和充電時間會不斷改善，為縮短充電時間，乘用車的充電電壓會逐步從現(xiàn)在的300 V電壓逐步提升到600 V以上的電壓，比如保時捷mission E車型的電池電壓已經(jīng)高達(dá) 800 V。這樣，乘用車和商用車將在充電設(shè)施上實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一，最直接的好處就是在高速路服務(wù)區(qū)不用既要為乘用車建500 V充電樁，又要為商用車建700 V充電樁。同時，對于各充電運(yùn)營商來說，對于現(xiàn)在500 V的充電樁投資需要進(jìn)行審慎的考慮，避免后續(xù)大批量設(shè)備淘汰。最合理的方法是選擇寬電壓范圍，寬恒功率范圍，可以同時兼容500 V、700 V和950 V兩個電壓范圍端。比如西安特銳德智能充電有限公司和深圳中興公司推出的全恒功率范圍15 kW充電模塊。

3.3 電動汽車未來必然會作為儲能設(shè)備與智能電網(wǎng)深度融合，逐步形成智能化的微電網(wǎng)單元。

電動汽車充電所產(chǎn)生的用電負(fù)荷具有隨機(jī)性、脈動性、大功率的特點(diǎn)，特別是以后的大功率快充充電站，這方面的影響會更大。這種負(fù)載特性會給電網(wǎng)的穩(wěn)定和安全帶來很大挑戰(zhàn)，同時，為滿足大功率充電所增加的設(shè)備投資成本及電力增容成本都被極大地閑置和浪費(fèi)。

短期來看，通過儲能等技術(shù)手段讓充電設(shè)施對電網(wǎng)側(cè)的需求變得平滑和穩(wěn)定，則電力增容成本和配電成本都會大大減小。電力增容的設(shè)備利用率大幅提高可以充分盤活已投入的電力擴(kuò)容設(shè)備，帶來其他額外收益。

長期來看，隨著電動汽車?yán)m(xù)航里程和充放電功率的逐步增加，未來電動汽車作為重要儲能單元和重要的直流負(fù)載，會越來越多地參與到智能電網(wǎng)和微電網(wǎng)中來，電動汽車的大功率充電不但不會成為電網(wǎng)的負(fù)擔(dān)，相反，電動汽車的普及和與電網(wǎng)的深度融合，會讓電網(wǎng)的調(diào)節(jié)手段更加的多樣，電動汽車作為直流負(fù)載的加入，會讓分布式新能源的利用效率更高，讓集中式新能源的消納有了更加簡單的解決辦法。

4 結(jié)論

電動汽車的充電方式未來一定有多樣化的解決方案，而大功率充電必然是其中非常重要的主流充電解決方案之一。而現(xiàn)階段，為了促進(jìn)電動汽車大功率充電設(shè)施發(fā)展，除了要解決大功率充電設(shè)施自身的技術(shù)難題之外，更重要的是整個行業(yè)的協(xié)同和標(biāo)準(zhǔn)的及時制定和頒布。

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