淺析大功率充電未來發展趨勢

劉洋，盧明，李剛

（華晨汽車工程研究院新能源工程室，遼寧 沈陽 110141）

前言

大功率充電的需求是非常明確的，無論國內外，商用車、出租車、網約車等車輛都有非常急切、迫切的需求。另外，國內外在長途旅行上對大功率充電也有一定需求，尤其是歐洲、美國，長途旅行是較常見的一種出行方式，因此對大功率在高速公路上的應用，有非常迫切的需求。而我國除了上述方面的需求外，在一些特大型的城市，如北上廣深，由于大多數車主很難找到車位進行充電，所以他們也會對大功率充電有強烈需求。

國際上來說，歐美企業準備第一步在2018年左右，實現＞150kw的大功率充電。在2020年前后，歐美企業將實現＞350kw的大功率充電。相對來講日本走得很緩慢。目前日本主要還是傾向于150kw左右的充電功率，而350kw的大功率充電計劃在2022年以后再實現。日本認為當前不需要著急實現350kw的大功率充電。在這一點上，歐美和日本還存在差別。

中國大功率充電是從2016年開始的。目前由中電聯和天汽研兩家單位牽頭，成立了大功率充電標準委員會，成員包括充電設施廠家、連接器廠家、電纜廠家、車企和電池企業等，將近20家企業參與了這方面工作，對大功率充電技術進行了探討和研究，也做了相關實驗和設計。

目前，已經基本確定了中國大功率充電的目標，并將目標分為近期和遠期。經過系統的調研，首先電壓平臺可能會定在700V左右。對于電動汽車而言，電壓平臺現在最大的問題是，提升電壓平臺的零部件，尤其是汽車級應用器件還不能輕易獲得。因此，500-700V可能是大功率充電起步點。而對于充電設施而言，再次提升電壓，至少對充電設施來講，較為容易實現。

1 大功率充電概念

大功率充電即High Power Charging簡稱HPC，行業內對于大功率充電還沒有明確的定義，暫定充電功率為350kw，電壓平臺約 1000Vd.c，充電電流達到 350A，定義為大功率充電，2020年純電動汽車平均電量為100 kWh，充電倍率≥4C，充電時間約為10-20分鐘，可以行駛＞100km，乘用車采用這樣的功率充電，充電時間才會與燃油車的加油時間大體相同。

目前電動汽車主要分為兩種，第一種是大眾市場的純電動汽車，第二種是高端市場的純電動汽車，這兩種電動汽車的行駛里程是有所不同的。雖然趨勢是大功率充電，但是并不是說現在所布局的充電設施、高壓零部件未來就沒有用武之地，大功率充電想要獲得更好地發展，需要高端整車車企或平臺產品的支持，所以只有高端電動汽車比例逐漸增加，大功率充電才會有它發展的空間，才會有它發展的市場。

2 大功率充電優勢

增加純電動汽車續航里程、完善我國交通網絡的充電設施建設及大功率充電技術完善，三者相輔相成，而若無法實現大功率充電技術，那么車輛配備高容量電池就無意義，其充電速度慢時間長，也不會利于充電設施的建設。

目前我國市面上主流的直流充電樁充電功率均在 60-80 kw，而主流的純電動乘用車動力電池能量在 50-90kwh。故實際充滿電時間約為1-2小時，絕大多數人來說不能忍受長時間的等待，而燃油車加油只需要10-20分鐘，從能源補給的便利性來講還不能與燃油車相比。而采用大功率充電即350kw，能夠達到與燃油車加油相同的體驗。實現與傳統車無縫過渡。

大功率充電的實現對于充電基礎設施來說是迫切的需要。對于服務來說，例如60kw的充電設施每天服務10臺純電動車，那么350kw大功率充電設施每天就能夠服務60臺純電動車。對于盈利來說，充電設施的利用率提升了，充電時間短、排隊時間短，能夠快縮短充電設施投資回收周期，服務費也會是之前的6倍左右。

如果350kW大功率充電變為現實，隨著電池技術的不斷突破，當電動汽車的續航里程達到500km左右時，電動汽車與燃油汽車從使用習慣上來講已無多少區別。而且隨著電動汽車生產成本的下降、碳交易、綠證制度的不斷完善、V2G技術的應用，電動汽車的全生命周期成本優勢會突顯出來，屆時電動汽車的市場份額勢必會逐漸增加。有利于純電動汽車的推廣。

3 實現大功率充電的要求

3.1 對整車的要求

如果要實現大功率充電技術（假設350kw，1000Vd.c，350A），的途徑有三個方向，一是將整車電壓平臺提高到1000Vd.c，目前國內市場上主流的純電動乘用車的電壓平臺范圍是 200-550Vd.c，而純電動商用車電壓平臺范圍在450-850Vd.c，因此要實現整車1000Vd.c，將對高壓零部件的開發提出更高的要求。包括絕緣性能、耐壓性能、高壓系統開發、核心功率器件開發、高壓安全風險等相關因素。二是提高電流達到350A，要實現此大電流的需求必須要考慮純阻性的損耗、高壓傳輸線路（溫升、溫感、溫控）、冷卻系統的匹配、熱管理系統（穩定性、敏捷性、魯棒性）、導體材料的使用及選用、幅值和波動的敏感度等相關問題。三是共同提高，需要考慮是否能夠采用商務車平臺化的零部件及高壓架構等技術產品。

3.2 對電網的要求

大功率充電對于電網的安全性也提出了嚴峻的挑戰。從技術角度來講，電網為 350kW 充電站配電是完全沒有問題的。大規模建設大功率充電站可能會存在以下問題。一是大功率充電應用于公共補電，用戶充電時間上下班高峰期，容易出現同時充電、同時停止的情況，充電地點絕大程度的取決于行駛的需要，提高電網負荷峰谷差，引起線路過熱、跳閘等，這將導致大量負荷被切除；二是由于接入電網時間較短，呈現較為明顯的隨機性、間歇性特點，對電網需求響應的能力明顯下降；三是電動汽車可作為移動儲能裝置和調峰系統，在電力供應富余時充電，提高電力的利用效率，在用電緊張時放電，緩解用電壓力，延緩電網建設投資，提高電網運行效率和可靠性。由于沒有場地的限制，電動汽車無法停留進行 V2G（Vehicle-to-grid），導致大量無法接入電網的新能源，也無法通過電動汽車的有序利用或V2G滿足電網的調節；四是在節假日、氣候變化、重大活動等因素影響下，尤其是發生連鎖事故時，發生穩定問題的可能性非常大。

3.3 對充電設施的要求

要實現大功率直流充電需要從電壓和電流兩個方面來進行提升，由此會對充電樁的設計提出新的要求。

在電壓方面，假設純電動汽車電壓平臺提升到 1000 Vd.c，那么充電設施的電壓等級需要達到整車電壓平臺的1.2-1.5倍，但在對于充電設施的內部功率元件及重要的電器元件的耐壓、絕緣等方面，需要重新設計。

在電流方面，假設從150A提升到350A甚至400A，如果線纜上不采取任何的冷卻措施的話，最直接的影響就是電纜將會變粗，充電體驗將更會更差。如果在保證電纜規格不變的情況下，那么需要采取一些復雜的措施，例如添加冷卻系統。無論是采用線纜外部冷卻循環或在線纜內部采用冷卻循環，不僅溫度可以迅速的下降，而且線纜的重量、粗細程度也有所下降。

在溫度方面，當采用大功率充電的時候，單位時間里傳輸的能量會增加，進而線纜及端子的溫升會增加很多，那么需要增加溫度檢測以及飽和的安全措施在整個電路的設計中，假如能夠350kw功率充電，充電效率為95%，發熱功率為 350kwX5%=17.5kw，如果不能夠及時處理熱管理的話，可能會造成較大的安全事故。對于溫升來說，歐洲的標準要求充電過程中任何檢測點的溫度＜120℃，而我國要求相對的嚴苛一些溫度≥95℃，1分鐘時間后會立即啟動保護、降功率甚至是停機。

在兼容性方面，首要考慮的是直流充電接口，在國標GB/T 20234.3-2015中規定額定電流最大為250A，那么問題有以下幾點，一是否要全新設計大功率充電接口還是更改優化當前直流充電接口，需要進行反復的評審討論。二通訊協議問題是否能夠支持＞400A的電流，同樣也需要討論驗證。三充電樁內部是由多個功率模塊組成，而目前國內充電樁企業的內部功率模塊通常采用15kw或20kw對于350kw大容量的充電樁來說，需要全新開發30kw-40kw的獨立模塊，模塊之間任意組合。這樣更能夠優化裝配及維護。四寬范圍的功率兼容性，能夠智能分配充電的功率，既可以滿足未來大功率充電的需要，也能夠滿足非大功率充電的需要。

在流速度方面，根據GB/T18487.1-2015中規定，在充電階段，車輛控制裝置向非車載充電機控制裝置實時發送電池充電需求參數，調整充電電流下降時：I＞20A時，最長在I/dlmin內將充電電流調整到與命令值相一致， 目前 dlmin的標準值為20安/秒。如果在充電電流為350A-400A的情況下，電流不能在規定的時間里降下來，很有可能會造成電池過充，進而對電池的使用壽命和安全性會造成不小的影響。故需要與標準委員會討論對于大功率充電過程中電流速度的重新定義。

3.4 對動力電池的要求

假設未來純電動汽車的續航里程能夠達到500km，百公里消耗20kWh，從整車需求的角度配備的電量約為100kWh。目前從用戶實際使用角度來說，大致分為兩種情況：一是補電。即來即充，只需要所充的電量能夠跑到指定地點即可。對于這種情況來說，按照燃油車的使用習慣，即加油時間為8-15分鐘，換算到充電倍率約為2C，充電功率為200kW，就我國目前的狀態是能夠實現的。二是充滿。同樣按照汽油車的加油習慣，加油時間10-20分鐘為例，充電倍率需要≥4C，充電功率需要300-500kW之間，目前我國并沒有針對大功率充電的相關標準，故需要重新制定與大功率充電相關的標準。

能量密度是動力電池重要的指標之一。而我國鋰離子電池的能量密度大約在140Wh/kg，如果要搭載100kWh的電量的話，電池系統的重量約 700kg，這個參數對于車企來說是不能夠接受的。另外，在國內目前的動力電池能量密度和純電動乘用車的技術水平下，如何能夠利用車內的空間來搭載100kWh的電量所面臨的挑戰還是比嚴峻的。未來提高電池的能量密度也是電池研發中的重中之重，需要電池的能量密度要達到400Wh/kg左右。

充放電倍率方面，根據標準 GB/T31486-2015要求動力電池在3C電流強度放電來考核其放電倍率；以2C電流強度充電，且充電時長控制在30min內，來考核電池的充電倍率特性。主要取決于電池的功率密度大小，由于電池的特性放電倍率遠遠大于充電倍率，而在我國現有的動力電池技術水平下，能夠實現了乘用車用鋰離子電池 2C的充電倍率，按照大功率充電需求，從技術上、試驗驗證上及相關標準的制定來推動動力電池要達到≥4C的充電倍率。

熱管理方面，主要是對于動力電池的特性的考慮，低溫時無法實現快充，甚至是充電都不能，高溫時快充會導致電池發熱，故電池的熱管理系統尤為重要，此系統能夠確保快充的可靠性和安全性。所謂熱管理系統，就是通過 BMS的管控使動力電池在低溫的情況下先加熱，加熱到能夠快充的閾值時進行快充；高溫情況下給電池降溫，利用液冷或新型材料的方式來克服快充帶來的發熱問題，通過熱交換把多余的熱量帶走，以確保電池在全氣候下實現快充功能。

3.5 對功率元件的要求

IGBT和MOSFET同為必不可少的功率開關器件，被稱之為新能源汽車充電樁的“心臟”，IGBT是功率半導體器件第三次技術革命的代表性產品具有高頻率、高電壓、大電流、易于開關等優良性能，在新能源汽車領域廣泛應用在驅動電機控制器里，而MOSFET基于電流、電壓及成本等方面因素多應用與充電設施里，作為開關電源模塊的核心器件。為了應對大功率要從器件縱向結構、柵極結構以及硅片的加工工藝上優化改進。

4 對于發展大功率充電的建議

4.1 高電壓平臺研發

目前現階段我國國內主流的新能源純電動乘用車的高壓平臺范圍均＜550Vd.c，而充電電流范圍均＜250A，理論上充電功率為 120kW 的充電樁即可滿足目前乘用車的充電需求。如果未來要實現350kW的大功率充電技術，假設我國現階段的純電動乘用車（120kW充電功率）能夠正常使用的前提下，那么大功率充電樁的功率利用率還不到30%，不僅充電時間不會縮短，而且還會影響大功率充電樁的利用率，因此，提高車輛可負載的電流和電壓成為實現大功率充電的手段。如果大幅度提高電流，會增加純電動乘用車阻性電子元器件的發熱量，浪費電能不提，但同時對于線束的線徑要求也會提高，而相比之下，提高整車的電壓平臺效果要好一些。而我國的純電動商用車的電壓平臺最高能夠達到 820Vd.c。因此，建議我國乘用車企業趁著大功率充電還沒有到來之際，首要任務要將高電壓平臺的產品列入到研發規劃之中，甚至可以根據國內電動汽車市場的發展情況有序地推進研發，并進行技術可行性的驗證，且不可因為技術門檻高而不去嘗試。

4.2 高壓功率器件的研發

高壓功率器件主要以IGBT（ 絕緣柵雙極型晶體管）為主，如果高壓系統平臺電壓是400Vd.c，那么IGBT電壓等級需要 800Vd.c，國產的產品即可滿足要求。但如果系統電壓是1000Vd.c，IGBT電壓等級需要達到1400Vd.c，國外進口才能采購到滿足要求的零部件，而且國外能生產的企業也不多，如三菱、英飛凌。目前只有英飛凌的IGBT能夠提高到1700Vd.c，況且壟斷企業的產品售價也不會便宜。因此，我國的零部件供應商就應把自身的技術研發規劃與全球純電動汽車的發展趨勢相結合，要盡早的突破高壓零部件的技術障礙，實現國產化，為“彎道超車”做好準備。

4.3 快充電池研發

例如未來純電動汽車的續航里程能夠達到500km，每百公里耗的電量為20kWh，因而，車輛需要搭載100kWh的電量，同時又要保證在350kW的充電功率下，充電時間在10-20分鐘（充電功率設定在 350kW），就現階段我國純電動車用鋰離子動力電池行業整體技術水平而言，面臨的挑戰還是很嚴峻的。首先，從能量密度來說，純電動乘用車電池的單體能量密度至少要達到300Wh/kg，否則對于整車來說100kWh的電量的的重量和體積都是瓶頸；其次，充電倍率也要在＞4C，否則無法保證充電的時間。由于鋰離子電池的特性決定了能量密度與充電倍率是不可兼得的，單獨實現高能量密度或較大的充電倍率還比較容易，但要平衡這兩種特性是我國動力電池企業必須要面對的問題。因此，建議我國動力電池企業要加大高能量密度快充電池的研發布局，爭取在 2020年補貼取消之前，研發出有競爭力的產品，以避免市場被外國產品占領。

4.4 充電設備兼容性的研發

大功率充電得以發展，電壓平臺勢必會提升到 1000 Vd.c，那如果充電設施仍然給350Vd.c的電壓平臺的車充電，那么充電設施的利用率只能達到30%，且充電效率也會很低，如何能夠提高充電設施功率的兼容性是個很關鍵的問題。需要調整充電模式的拓撲，使充電設施能夠在寬電壓范圍內的功率兼容和達到高效性。也可以通過搭載不同功率的功率模組來進行小功率調節。

目前對于市場上的充電設施檢驗的制度不夠完善，沒有一個統一的標準要求，故對產品的安全性、可靠性和兼容性會產生影響。而大功率充電樁會對高壓功率元器件、耐壓等級、絕緣檢測、線纜載流量、充電接口、熱管理、兼容性等方面會有更高的要求，為了確保安全性、可靠性和兼容性，就體現出對于充電設施認證制度的重要性，希望我國能夠盡早制定充電設備認證制度，避免產品發生充電安全事故，確保充電設施行業能夠快速安全的發展。

4.5 標準的制定

據調查，我國部分整車企業已經規劃了在2020年研發上市＞500km續航里程的車型。故對于大功率充電技術的需求就會十分緊迫，在這段時間里標準委員會需要驗證充電技術的可能性，并制定相關的標準，包括高壓大電流線束和連接器、車載充電機、電池管理系統、IGBT、高壓熔斷器、高壓接觸器等。國際電工委員會 TC69MT5-6工作組在荷蘭代爾夫特召開了電動汽車大功率充電國際標準第一次會議。該工作組目標就是要實現乘用車大功率充電，對現有的標準進行全面修訂以適應新的技術要求。我國在標準制定的時候，應該更多的參與到國際討論當中，以增強國產電動汽車的國際競爭力。

4.6 運行模式

政府主導模式，引領和推動電動汽車及其充電設施建設有序發展政府投資電動汽車充電設施，其主要目標是推動電動汽車產業發展，而以盈利為主要目標，能夠為電動汽車發展提供強有力的保障和支持。

企業主導模式，是戰略性新興產品發展方向，與電動汽車發展相適應，充電樁也將隨著電動汽車進一步發展而獲得相應的社會效益和企業效益。企業建設充電設施，就提前占有了相應的資源并獲得了相關市場。

用戶主導模式，電動汽車用戶可以根據自身需要建設充電設施，實現充電設施與其自身的電動汽車有效銜接，避免受制于外部充電設施以及由此給電動汽車運行帶來不利和不便影響。

4.7 電力規劃

對于未來大規模的大功率充電的接入，要從負荷預測、電源規劃、電網規劃等方面來得以應對。對于負荷來說，要能夠在傳統負荷預測的基礎上開發充電設施充放電的潛力，要根據不同電壓平臺、不同電池充電能力以及不同充電方式的行為相對應的充電模式，提高符合預測的精度。對于電源來說，要能夠分析出未來電動汽車發展規劃中可再生能源消納的比例，結合電源結構進行優化。對于電網規劃來說，充電設施與電網是相輔相成，為了各地電動汽車發展的需求，及時調整不同地區負荷接入、換電設施電容量及電力設計等相關標準。

4.8 調度運行

首先需要電聯網與車聯網共同開發交互接口平臺，通過此平臺能夠獲取電網信息、電動汽車實時狀態、用戶需求信息和充電設施實時狀態等，多維度電動汽車與能源協同優化調動的策略，并發送控制指令。并將用戶管理、能量管理、電網管理等側響應機制保障工作運行機制。其次需要將充電運營企業所制定的電力零售市場交易規則納入市場交易的計量及核算原則。明確在電力市場交易中需承擔的責任和義務。以價格機制、激勵機制和監管機制作為電力輔助服務電動汽車。

上述方案可考慮在北京、上海和廣州等電動汽車推廣力度比較大的城市進行有序的開展大功率充放電試點。并通過與電網的交互來探索研究電動汽車的互動性，實現電網效率的提升。

5 結論

目前，電動乘用車大功率充電技術的發展所需的條件還不完全具備，規模化發展所帶來的問題有很多，必須要將整個電動乘用車行業的發展大格局中思考，不僅要開展電動乘用車行業與充電設施行業的緊密合作，還要高度重視大功率充電的技術發展趨勢（市場需求、國際競爭）以及相關標準的制定，相關實驗驗證的重要性，還需解決對于電動汽車整車、電網、充電設施及高壓關鍵件的相關預研開發所指出的問題。而每一種需求都將推動大功率充電向更好的方向發展，大功率充電是技術發展的需要，也是對長續航里程電動汽車的有力保障，使得遠距離出行成為可能，而且大功率充電設施布局是對現有充電設施的一個補充，不是完全替代，相信如果兩者能夠取長補短，相互結合，那么對于電動汽車行業必定迎來一片藍海。