乘用車大功率充電新接口方案研究

周紅斌

乘用車大功率充電新接口方案研究

周紅斌

(南京康尼新能源汽車零部件有限公司，江蘇 南京 210000)

近年來，新能源汽車在實際應用推廣時，影響電動汽車發展的兩大主要因素是里程焦慮和充電焦慮。隨著動力電池技術的不斷突破，電動汽車續航里程逐漸提高。乘用車方面由最初的150 km，已經提升到了400 km，基本上已經解決了電動汽車的里程焦慮。與此同時，充電反而變成了一個核心的技術問題，甚至成為中外新一輪技術競爭的焦點問題。同時，隨著城市運營、長途運行等電動汽車運營場景的出現，快速電能補給已經成為電動汽車產業發展必須面臨解決的問題。實現快速電能補給，除電池更換外，實現大功率充電是解決充電焦慮必然采取的技術解決方案。介紹了國內外大功率充電的發展和現狀。結合中國電動汽車行業的現狀，對傳導式大功率充電新接口的應用和技術細節做了簡要描述。

大功率充電；技術細節；應用

0 引言

2015年以后，電動汽車產業的發展進入了新的階段，產業進入了高速增長期。隨著電動汽車大量進入家庭以及在出租車、網約車等商業領域的大量使用，續航里程短、充電時間長、充電焦慮感，一直是影響電動汽車產業發展的重要原因，用戶對電池容量、續駛里程及充電速度的要求越來越高，采用電動汽車大功率充電技術的呼聲也越來越高。 2017年7月4日，國務院馬凱副總理在北京調研新能源產業發展時指出要抓好“充電創新，即瞄準標準化、網絡化、智能化和大功率化，加快研發先進充電技術”。2018年1月20日，國家能源局劉寶華副局長在第四屆中國電動汽車百人會論壇上指出要研究大功率充電技術可行性，探索開展大功率充電示范試點。大功率充電成為充電領域未來的一個發展趨勢[1-2]。

1 大功率充電的國內外應用

2016年IEC標準中充電規格提升到1 000 V/ 350 A。同年日本發布的新版本中也增加了大功率充電的內容。2017年，歐美5大主機廠成立合資公司開始建設歐洲的快充網絡。預計在2019年建立400座250 kW以上的快充網絡。2019年5月，日本CHAdeMO協會投票通過采用中國的大功率接口，預計在2022年完成量產應用。大功率充電線路如圖1所示。

中國的大功率充電也在同步推進中。2016年3月10日，組織召開了第一次關于大功率充電技術的研討會。隨著國際大功率充電標準的深度參與，加快了我國大功率充電技術的研究工作。2017年5月2日，成立了能源行業電動汽車充電設施標準化技術委員會大功率充電技術與標準預研工作組。2017年10月組織召開了大功率充電示范試點工作啟動會，啟動大功率充電示范項目建設。2019年1月在北京未來城落成了大功率充電示范站。

大功率充電技術是《電動汽車充電基礎設施發展指南(2015—2020年)》中關于公交及出租等專用場站；城市公共建筑物配建停車場、社會公共停車場、路內臨時停車位配建的公共充電基礎設施；以及城市快充站、高速公路服務區配建的城際快充站的完善和實踐。大功率充電技術是現有2015版充電技術路線的補充。今后很長一段時間內，大功率充電技術是在一定場景下的應用需求，將和現有充電技術路線長期并存，不會替代現有充電技術。我國的大功率充電需求是根據我國的實際情況提出的，來源于充電運營商的需求、充電車主的需求和我國的國情。

2 大功率充電的技術路線

大功率充電技術分為傳導式大功率充電和無線大功率充電。傳導式大功率充電技術又分為乘用車大功率充電技術和客車受電弓的大功率充電技術。傳導大功率充電技術是指充電功率在350 kW及以上的充電技術，以滿足乘用車充電10~15 min，續航300 km的快速充電目標和電動客車快速充電的充電需求。文獻[3]快充模式下充電電流大，約為 150~500 A，充電時間短。無線大功率充電技術最大達到22 kVA。這里主要介紹的是最常用的乘用車大功率技術。

文獻[4]乘用車大功率充電關鍵技術主要有電動汽車的電壓平臺、動力電池技術、充電接口技術、充電機技術、電網負荷等。

2.1 電動汽車的電壓平臺

實現充電功率的提升，可采用升高電壓平臺或者提高充電電流實現。升高電壓平臺，涉及整車的電壓平臺調整，影響面大。提高充電電流，必須解決溫升帶來的散熱問題。經過調研，國內乘用車企業和商用車企業將車輛端的電壓平臺升至750 V，到2025年車輛端電壓平臺不高于800 V。國內已有少數企業能夠生產800 V電壓等級的高壓零部件，限于制造工藝較高和規模化不足，目前成本較高。

2.2 動力電池技術

發展大功率充電，需要在動力電池上取得突破，實現高能量密度和快充性能的平衡。目前已經取得重要進展，如寧德時代通過對正負極材料、電解液、隔膜和極片設計的研究與開發，改善鋰離子的接收和傳輸能力，實現了電池高倍率充電放電能力。同時，通過準確識別電池在不同溫度和SOC下的“健康充電區間”，并在此區間內進行快充，從而實現大功率充電下，電池健康不受損害，確保長壽命。目前已開發出的兩種規格的可快速充電的磷酸鐵鋰快充產品，①5C充電，110 Wh/kg能量密度；②3C充電，140 Wh/kg以上的能量密度。三元快充產品方面，已開發出第一代3.2C，190 Wh/kg，15分鐘快充電芯，2019年底將陸續開發出210 Wh/kg的30分鐘快充和15分鐘快充電芯產品。

2.3 充電接口技術

在充電接口方面，目前國標有交流充電口和直流充電口。傳統的傳導式充電口可承受的最大電流是250 A(配95 mm2的電纜)。隨著使用時間增加溫升增加明顯，200 A左右的電流就會出現大面積燒蝕情況，并且該問題呈現日漸蔓延之勢。目前的接口是自然傳導散熱，頻繁使用造成接觸性能下降，導致熱量持續增加，同時自然冷卻的環境導致熱量難以釋放。熱量的不斷集聚會導致溫度逐步上升，帶來產品的性能逐步下降。由于現國標接口和技術限制，電流進一步加大到300 A及以上，該問題無法從根本上進行解決。對于大功率充電需求，在充電口方面提出了較高的要求，這就提出了新接口開發的必要性。乘用車大功率接口采用強制冷卻的接口方式，有效的解決了大電流下的散熱問題。

2.4 充電機技術

對于大功率充電而言，充電機需要在以下幾個方面進行提升。

1) 提升充電機的最高輸出電壓

為滿足各種車型電壓，利用現有電壓范圍為200~950 V，功率為20 kW或30 kW的充電模塊，滿足大功率充電對電壓的需求。

2) 散熱設計

需開發大功率充電機的散熱方案，當前市場上已經存在多種大功率充電設備的熱管理解決方案，如電動汽車充電堆、充電群等。

3) 保護的及時性

大功率充電可以在短時間內向動力電池輸送大量的能量，所以各種保護的及時性就顯得尤為重要，而新設計的大功率充電數據導引控制電路采取軟件+硬件的雙重交互模塊，可以大幅提升緊急保護的及時性。

2.5 電網負載

大規模建設大功率充電站可能會給電網帶來負荷沖擊。在電力供應緊張時期，容易出現過負荷問題，引起線路過熱、跳閘等情況，導致大量負荷被切除。針對這些問題，在考慮大功率充電技術整體方案和未來的設施部署時，應采取以下措施。第一、需要明確大功率充電是作為電動汽車能量補充的必要手段之一，在規劃布點時只在有真正需求的地方，如高速公路服務區，商用車集中停靠站點等地結合電網規劃合理布局；第二，文獻[5]考慮用戶因素的電動汽車有序充放電策略，開展電動汽車與電網互動，增強電網系統調峰能力；第三，在有必要的站點，綜合儲能設備，減少對電網的短時沖擊。文獻[6]通過電動汽車充放電控制策略，兼顧了電動汽車用戶側和微網側的兩方面需求，能使電動汽車最大限度的參與微電網調節，有效改善了直流母線的電壓質量，為微電網的穩定運行提供了一種有效的技術手段。

大功率充電設備作為集中的充電方式，相比分散充電技術，電網規劃和協調更容易配合。文獻[7]大規模電動汽車接入配電網后的負荷消納問題，通過建立考慮電動汽車接入配網的分布式電源出力優化模型，可解決了由新增負荷引起的電能質量下降和經濟性降低的問題。在合理規劃，積極應對的前提下，電網是完全能夠安全接納大功率充電的。

3 大功率充電新接口

大功率充電新接口借鑒了國內外現有方案的成功與失敗經驗，充分兼顧了未來的各種需求，同時通過適配器和多口充電設備等方案來予以過渡階段的兼容問題。大功率充電的全新接口經過聯調聯試的驗證，已具備了良好的性能和應用性。

3.1 新接口的技術指標

充分討論和分析，新接口主要的技術指標如下。

1) 電壓：1 000~1 500 V, 電流400～600A，不帶冷卻導體截面70 mm2，冷卻電纜導體截面25～50 mm2；

2) 連接器組件采用冷卻方式，實現電纜輕量化大電流；

3) 全新連接端面，尺寸小于現有直流口，兼顧交直流充電的優化布置；

4) 功率端子10mm2及PE端子6mm2，滿足IPXXB安全要求；

5) 重新設計公差配合，解決2015版連接配合問題；

6) 重新設計更可靠簡潔的鎖止系統，并將電子鎖移至車端；

7) 增加溫度傳感要求，做到插頭插座互為溫度檢測安全備份；

8) 引入插拔物理導向設計，使得連接器插拔更符合人體工程要求；

9) 優化防塵和防水設計，降低維護成本；

10) 考慮機器識別等需求，為未來的機器輔助充電技術留下對接可能性；

11) 重新設計導引電路，引入直流版本編碼電阻及其他硬件編碼方式，硬節點信號等設計，保證向前兼容的基礎上更好保證充電安全、向后兼容的要求；

12) 根據大功率乘用車及商用車的需求，升級通信協議。

3.2 新接口的優點和特點

新接口方案在研究過程中充分與國際開展了交流和合作，吸取了目前國際上三大接口標準的優缺點，具備突出的優點和特點。

1) 在尺寸上做到了最小，與GB2015、CHAdeMO、CCS接口標準相比尺寸最小，同時考慮了與交流接口的組合方案，有利于車企車型設計，各國充電接口的界面圖如圖2。

2) 優化電源芯件的尺寸, 通過分析、計算、測試等綜合考慮，電源芯件的直徑定位 10 mm，實現芯件的有效冷卻，優于日標的9 mm。冷卻路徑如圖3所示。

圖3 大功率充電接口的冷卻路徑

3) 大功率接口的電鎖布置在插座上，直接鎖合住插頭，可靠有效。解鎖由車輛控制，避免了外界的干擾，解決了現有直流槍內電鎖存在的不可靠的問題。目前國際上充電口電鎖均被放置在車端。如圖4所示。

圖4 大功率充電接口的電子鎖

4) 大功率的接口通過溫度控制系統(溫度傳輸單元、溫度監控單元、溫度交換單元)的有效運行，來帶走大電流產生的熱量，實現大功率充電。原理框圖如圖5。

圖5 大功率充電的原理框圖

5) 為確保大功率充電的安全，在DC+/DC-兩路電路上布置溫度傳感器。文獻[8]同時溫度傳感器的布置位置需要考慮避免冷卻系統的影響，保證和實際溫度值的一致性(偏差在3K以內)以及溫度突變下的溫度傳感器的及時反饋。如圖6所示。

圖6 大功率充電的溫度傳感器布置

6) 為解決新接口的向前兼容性的問題，采用隨車配件A型集成的轉接頭和B型的轉接線和轉接樁，解決了新車和老樁的轉接充電的問題。轉接方案如圖7。

圖7 大功率充電接口的轉接方案

大功率充電接口已在長春、北京、濟南、常州、南京、深圳的示范工程項目得以試運行，各項功能和性能在不斷的優化完善中。如圖8所示。

圖8 大功率充電的示范運行分布圖

4 結論

當前，國際上電動汽車大功率充電技術發展迅速，產業化快速推進，按照黨的十九大建設創新型國家的戰略部署和《國家創新驅動發展戰略綱要》要求，立足大功率充電實際，瞄準發展目標，實施“三步走”戰略。文獻[9]大功率充電技術將迎來快速的發展。

第一步，到2025年完成傳導大功率充電標準化工作，促進大功率充電產業加速迭代升級，提升我國國際上的影響力，擴大國際市場。

第二步，到2030年全面推進大功率乘用車、電動客車，輕型車輛終端快速充電，重型車輛中途補電。

第三步，到本世紀中葉，走出一條具有中國特色的電動汽車大功率充電發展道路，形成適合充電產業“領跑”發展需求的創新體系，培育一批全球領先的創新型企業，為我國建設創新型國家、世界科技強國、現代化強國提供重要支撐。

[1] 倪峰, 張暄, 節能與新能源汽車技術路線圖充電設施板塊之大功率充電技術[C]. 2019, 05.

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[8] Vehicle connector, vehicle inlet and cable assembly intended to 102 be used with a thermal management system for DC charging: IEC TS 62196-3-1—2018.

[9] 國家電網公司營銷部. 電動汽車智能充換電服務網絡建設與運營[M]. 北京: 中國電力出版社, 2013.

Research on new interface of high power charging for passenger vehicles

ZHOU Hongbin

(Nanjing Kangni New Energy Auto Parts Co., Ltd., Nanjing 210000, China)

In recent years, when new energy vehicles are applied and promoted in practice, the two main factors affecting the development of electric vehicles are mileage anxiety and charging anxiety. With the continuous breakthrough in power battery technology, the battery endurance of electric vehicles is gradually improved. The traveling distance of passenger vehicles is increased to 400 km from 150 km, which basically works out EV mileage anxiety. At the same time, charging has become a core technical issue, and even become the focus of a new round of technology competition between China and foreign countries. Meanwhile, with the emergence of electric vehicle operation scenarios such as urban operation and long-distance operation, fast power energy supply has become an urgent demand for the development of electric vehicle industry. Except for battery replacement, high power charging is an inevitable technical solution to solve charging anxiety. The development and present situation of high power charging at home and abroad are introduced. Combined with the current situation of electric vehicle industry in China, the application and technical details of new conductive high power charging interface are briefly described.

high power charging; technical details; application

2018-08-11

周紅斌(1972—)，男，碩士研究生，高工，研究方向為新能源充電產品控制和應用技術。E-mail: collonzhouarima@ 163.com