純電動(dòng)乘用車(chē)大功率充電技術(shù)需求分析

王伯軍 李威 梁士福

（中國(guó)第一汽車(chē)集團(tuán)有限公司 新能源開(kāi)發(fā)院，長(zhǎng)春 130013）

主題詞：電動(dòng)汽車(chē) 大功率充電 需求分析 充電功率

1 前言

隨著中央政府的大力支持，各方的不懈努力，我國(guó)電動(dòng)汽車(chē)市場(chǎng)獲得快速發(fā)展。根據(jù)公安部發(fā)布機(jī)動(dòng)車(chē)保有量數(shù)據(jù)，截止2018年底，全國(guó)新能源汽車(chē)保有量達(dá)261萬(wàn)輛，純電動(dòng)汽車(chē)保有量211萬(wàn)輛，占新能源汽車(chē)總量的81.06%。然而電動(dòng)車(chē)單次充電用時(shí)長(zhǎng)、續(xù)駛里程短的問(wèn)題仍然是制約電動(dòng)車(chē)發(fā)展的關(guān)鍵因素。為解決用戶(hù)單次充電時(shí)間長(zhǎng)，緩解用戶(hù)充電和里程焦慮問(wèn)題，發(fā)展大功率充電技術(shù)得到國(guó)內(nèi)外行業(yè)參與者的普遍共識(shí)。

在細(xì)分領(lǐng)域，由于純電動(dòng)公交車(chē)、物流車(chē)、旅游客車(chē)等純電動(dòng)商用車(chē)多有固定路線，運(yùn)營(yíng)者會(huì)根據(jù)實(shí)際情況對(duì)充電基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行配比，因此純電動(dòng)商用車(chē)充電問(wèn)題并不十分突出。相反，純電動(dòng)乘用車(chē)應(yīng)用場(chǎng)景更加廣泛，且充電功率低，充電時(shí)間長(zhǎng)，解決純電動(dòng)乘用車(chē)的充電問(wèn)題需求更加強(qiáng)烈。因此本文主要對(duì)純電動(dòng)乘用車(chē)大功率充電技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行論述，并依據(jù)用戶(hù)實(shí)際使用需求、車(chē)輛和充電設(shè)施的充電技術(shù)情況，對(duì)純電動(dòng)乘用車(chē)所應(yīng)達(dá)到的大功率充電技術(shù)要求進(jìn)行研究和分析，為我國(guó)電動(dòng)車(chē)行業(yè)大功率充電技術(shù)的發(fā)展提供意見(jiàn)。

2 大功率充電技術(shù)現(xiàn)狀

2.1 大功率充電概念

目前大功率充電并無(wú)明確定義?，F(xiàn)階段電動(dòng)車(chē)快充時(shí)間在30～60 min左右。大功率充電目的是通過(guò)提升車(chē)輛充電功率的方式，將電動(dòng)汽車(chē)短時(shí)間充電縮短至15 min以?xún)?nèi)，以解決用戶(hù)的充電焦慮。從技術(shù)角度，純電動(dòng)乘用車(chē)使用的大功率充電技術(shù)采用的依舊是傳統(tǒng)直流傳導(dǎo)式充電方案，其區(qū)別就在于現(xiàn)有充電技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)無(wú)法滿(mǎn)足大功率充電要求，大功率充電涉及到大功率充電連接組件冷卻技術(shù)、充電通信控制技術(shù)、大功率充電機(jī)、動(dòng)力電池?zé)峁芾?、電?dòng)汽車(chē)電壓等級(jí)、電網(wǎng)協(xié)調(diào)等技術(shù)的提升。

電動(dòng)車(chē)方面，目前純電動(dòng)乘用車(chē)的電壓平臺(tái)普遍在240～500 V之間，充電電流＜250 A，充電功率普遍低于100 kW[1]，電壓或者電流的提升都需要對(duì)現(xiàn)有車(chē)輛充電相關(guān)系統(tǒng)和總成進(jìn)行升級(jí)。

充電設(shè)施方面，根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求，目前國(guó)內(nèi)充電樁產(chǎn)品輸出電壓最高在可達(dá)950 V，充電電流＜250 A，單槍輸出功率≤237.5 kW[2]，電壓或者電流的提升，同樣需要對(duì)充電設(shè)備軟硬件進(jìn)行重新開(kāi)發(fā)。

因此本文將充電功率超過(guò)100 kW的電動(dòng)乘用車(chē)和單槍輸出功率超過(guò)237.5 kW的充電設(shè)備定義為大功率充電的范疇。

2.2 發(fā)展現(xiàn)狀

2016年，歐洲首次提出350 kW大功率充電概念，大眾、寶馬、戴姆勒、奧迪等整車(chē)制造企業(yè)聯(lián)合成立合資公司IONITY，建設(shè)大功率充電網(wǎng)絡(luò)。目前，奔馳、奧迪、Tesla已經(jīng)發(fā)布大功率充電車(chē)型，歐美多家充電設(shè)備企業(yè)已經(jīng)開(kāi)始投建大功率充電設(shè)備。

2017年7月，中電聯(lián)標(biāo)準(zhǔn)化管理中心牽頭成立中國(guó)電動(dòng)汽車(chē)大功率充電技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)預(yù)研工作組，國(guó)內(nèi)參與大功率充電技術(shù)研究主要有北汽、一汽、比亞迪、南瑞、星星充電、許繼、奧特迅、沃爾、中航光電、南京康尼等20余家電動(dòng)汽車(chē)充電相關(guān)企業(yè)。

2018年8月23日，日本Chademo與中電聯(lián)簽署合作備忘錄，重點(diǎn)推進(jìn)大功率充電領(lǐng)域的合作，中日將共同制定大功率充電相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，預(yù)計(jì)2020年，日本能夠推出首款150～200 kW級(jí)大功率充電樣車(chē)。

2019年1月，國(guó)家電網(wǎng)大功率充電示范站的建成，以及同期一汽、北汽大功率試制樣車(chē)的推出，宣布中國(guó)大功率充電技術(shù)取得階段性成果。

目前國(guó)內(nèi)外大功率充電車(chē)企和充電設(shè)施企業(yè)技術(shù)現(xiàn)狀見(jiàn)表1和表2。

綜合對(duì)比各地區(qū)大功率充電技術(shù)現(xiàn)狀，可以看出：

（1）歐美已經(jīng)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，處于領(lǐng)先地位，中國(guó)正在逐步趕上，日本仍處于起步階段；

（2）充電設(shè)施輸出能力明顯高于車(chē)輛充電能力，說(shuō)明車(chē)輛端實(shí)現(xiàn)大功率技術(shù)難度更高。

表1 車(chē)企大功率充電技術(shù)現(xiàn)狀

表2 充電設(shè)施企業(yè)大功率充電技術(shù)現(xiàn)狀

3 純電動(dòng)乘用車(chē)大功率充電技術(shù)需求分析及建議

3.1 用戶(hù)需求

3.1.1 快速補(bǔ)電需求

乘用車(chē)包括私家車(chē)、出租車(chē)、租賃車(chē)和公務(wù)車(chē)，2018年，我國(guó)純電動(dòng)乘用車(chē)月均快充數(shù)量和比例見(jiàn)表3。

表3 2018年我國(guó)純電動(dòng)乘用車(chē)月均快充車(chē)次占比統(tǒng)計(jì)[9]

以上數(shù)據(jù)可以看出：

（1）出租車(chē)表現(xiàn)出明顯快充意愿。由于充電時(shí)間直接影響其運(yùn)營(yíng)收益，所以出租車(chē)用戶(hù)有明顯的快速補(bǔ)電需求；

（2）私家車(chē)快充比例低，但是用戶(hù)基數(shù)大，快充用戶(hù)數(shù)量很多，快速補(bǔ)電需求同樣明顯。此部分用戶(hù)應(yīng)屬于沒(méi)有便捷慢充資源的用戶(hù)，需要去公共快充站進(jìn)行充電；

（3）租賃車(chē)和公務(wù)車(chē)的快充比例都在40%左右，但并無(wú)明顯快速補(bǔ)電需求特征。有固定人員和地點(diǎn)進(jìn)行充電的運(yùn)營(yíng)方式可能是這兩類(lèi)車(chē)型對(duì)快速補(bǔ)電需求不明顯的原因。

3.1.2 續(xù)駛里程需求

對(duì)有明顯快速補(bǔ)電需求的出租車(chē)和私家車(chē)?yán)m(xù)駛里程進(jìn)行分析。

我國(guó)私家車(chē)日均續(xù)駛里程低于45 km[9]，一周補(bǔ)電一次的話(huà)，續(xù)駛里程350 km左右能夠滿(mǎn)足私家車(chē)用戶(hù)需求。

出租車(chē)單班日均里程257 km，雙班單日總里程不超過(guò)400 km[10]，歇班或者交接班補(bǔ)電一次，續(xù)駛里程300 km左右的車(chē)型即可滿(mǎn)足其需求。

純電動(dòng)乘用車(chē)實(shí)際續(xù)駛里程與工況續(xù)駛里程相差17～30%[9]，因此可以得出，滿(mǎn)足出租車(chē)和私家車(chē)用戶(hù)對(duì)于車(chē)輛續(xù)駛里程的需求，見(jiàn)表4

表4 出租車(chē)和私家車(chē)用戶(hù)續(xù)駛里程需求

3.1.3 充電時(shí)間需求

據(jù)中德電動(dòng)汽車(chē)充電項(xiàng)目在2016年對(duì)634名電動(dòng)汽車(chē)用戶(hù)進(jìn)行的問(wèn)卷調(diào)查顯示，87%的用戶(hù)希望能夠在30 min內(nèi)充滿(mǎn)80%電量，而44%的受訪者更是希望充電時(shí)間能夠縮短到15 min以?xún)?nèi)。

圖1 用戶(hù)希望電池充滿(mǎn)80%時(shí)間[1]

因此，我們把15 min充電80%，同時(shí)續(xù)駛里程350～500 km的車(chē)型作為用戶(hù)的需求進(jìn)行分析。

3.2 技術(shù)需求

3.2.1 充電功率

對(duì)工信部公布的第21、22、23批免征購(gòu)置稅車(chē)輛中續(xù)駛里程350～500 km的85輛車(chē)的整備質(zhì)量分別進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得到各里程車(chē)型的平均整備質(zhì)量。

按照公式（1）計(jì)算出各車(chē)型滿(mǎn)足二階段電耗要求[11]的充電功率。

式中，P為充電功率，n為充電倍率=3.2 C，K為不同整備質(zhì)量車(chē)輛對(duì)應(yīng)電耗，S為續(xù)駛里程。

圖2 不同續(xù)駛里程車(chē)型整備質(zhì)量

根據(jù)上式計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表5，

表5 滿(mǎn)足二階段電耗要求的充電功率

顯然，250 kW的充電功率已經(jīng)能夠滿(mǎn)足用戶(hù)快速補(bǔ)電的需求。

3.2.2 電壓平臺(tái)和充電電流

充電功率=充電電流×電池電壓，因此要提升充電功率務(wù)必要提升電池電壓或者充電電流。

電池電壓由整車(chē)高壓系統(tǒng)電壓平臺(tái)決定，受高壓總成部件功率器件電壓等級(jí)影響，受限部件成熟度和成本因素影響，目前大部分乘用車(chē)高壓系統(tǒng)最高電壓在450 V左右，通過(guò)使用更高電壓等級(jí)的功率器件，預(yù)計(jì)可將系統(tǒng)最高電壓提升到了750 V左右。而電池總成電壓=電池單體電壓×單體串聯(lián)數(shù)量，三元鋰離子電池單體額定電壓一般在3.6～3.8 V之間，最高電壓4.3 V左右，由此可得出表6兩個(gè)電壓平臺(tái)

表6 電壓平臺(tái)

由充電功率和電池電壓，可得出不同續(xù)駛里程車(chē)輛對(duì)應(yīng)兩種電壓平臺(tái)下的充電電流（表7）。

表7 充電電流

3.3 開(kāi)發(fā)建議

按照上述分析結(jié)果，無(wú)論采取哪種電壓平臺(tái)，充電電流都將超過(guò)250 A，因此升流是必然選擇，然而僅升流的話(huà)，充電電流值將達(dá)到600 A級(jí)別，這將對(duì)整個(gè)充電系統(tǒng)的熱管理帶來(lái)巨大挑戰(zhàn)。因此，建議車(chē)企大功率充電可分三步走：

（1）短期內(nèi)各車(chē)企在現(xiàn)有電壓平臺(tái)基礎(chǔ)上，將大功率充電目標(biāo)定在150 kW左右，提升充電電流至350～400 A，滿(mǎn)足400 km左右車(chē)型15 min充滿(mǎn)80%的需求，同時(shí)解決電流提升后的充電系統(tǒng)熱管理問(wèn)題，包括充電設(shè)備、充電接口、高壓電連接組件和電池的熱管理。

（2）對(duì)750 V的高壓總成部件進(jìn)行前瞻性技術(shù)研究，解決高壓化后產(chǎn)生的電氣安全問(wèn)題，包括總成耐壓、電氣間隙、系統(tǒng)絕緣等。待高壓化的總成部件具備產(chǎn)業(yè)化條件后，適時(shí)提升系統(tǒng)電壓，將充電功率提升至250 kW左右，滿(mǎn)足500 km左右車(chē)型15 min充滿(mǎn)80%的需求。

（3）待各項(xiàng)大功率充電相關(guān)技術(shù)成熟度和產(chǎn)業(yè)化程度較高時(shí)，再進(jìn)一步將充電功率提升至350～500 kW，滿(mǎn)足600 km以上車(chē)型10～15 min充滿(mǎn)80%的需求。

4 結(jié)束語(yǔ)

目前，我國(guó)純電動(dòng)乘用車(chē)大功率技術(shù)已經(jīng)取得很大進(jìn)步，但距離實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化還有一段時(shí)間。除了上述提到的提升電壓、電流帶來(lái)的電氣安全、熱安全問(wèn)題和高壓化功率器件產(chǎn)業(yè)化問(wèn)題外，還需要考慮電網(wǎng)負(fù)荷、大功率充電設(shè)備產(chǎn)業(yè)化時(shí)間、標(biāo)準(zhǔn)制定和發(fā)布時(shí)間、電池技術(shù)的發(fā)展等等一系列問(wèn)題。

隨著我國(guó)政府的大力支持以及國(guó)內(nèi)電動(dòng)汽車(chē)充電相關(guān)行業(yè)快速發(fā)展，未來(lái)電動(dòng)汽車(chē)充電像加油一樣快速便捷已經(jīng)不是夢(mèng)。