電動汽車大功率充電發展現狀及趨勢研究

吳鵬飛　劉宏駿　郝燁

摘 要：近年，電動汽車續駛里程不斷增長，為滿足未來電動汽車的快速充電需求，大功率充電技術應運而生。研究大功率充電技術、標準的進展和示范應用情況，明確大功率充電的優缺點，對于電動汽車的推廣和充電業態的發展具有一定參考意義。關鍵詞：大功率充電;技術關鍵點;標準進展;應用場景中圖分類號：U469.72? 文獻標識碼：A? 文章編號：1671-7988（2020）01-26-04

Abstract： In recent years， the driving range of electric vehicles has been increasing. In order to meet the rapid charging demand of electric vehicles in the future， high-power charging technology has emerged. Study the high-power charging technology， the progress of the standard and the demonstration application， and clarify the advantages and disadvantages of high-power charging， which has certain reference significance for the promotion of electric vehicles and the development of charging industry.Keywords： High-power charging; Technical key points; Standard progress; Application scenariosCLC NO.： U469.72? Document Code： A? Article ID： 1671-7988（2020）01-26-04

前言

我國電動汽車產業發展迅速，整車產品產銷規模居全球第一。但隨著激勵政策逐漸退坡，市場化競爭日益激烈。為滿足消費者對全天候長里程、低能耗要求，純電動汽車產品帶電量不斷提升，電動汽車用戶單次充電時間長成為行業痛點。

大功率充電技術能夠較好解決用戶充電等待時間長和里程焦慮問題，因此越來越受到行業重視^[1]。本文通過研究大功率充電技術、標準進展和應用情況，明確大功率充電的優缺點，對于大功率充電技術應用及電動汽車推廣前景具有一定參考價值。

1 大功率充電技術發展現狀

1.1 大功率充電定義

電動汽車傳導式直流大功率充電，可滿足未來長續駛里程電動汽車充電時長10～15分鐘（4～6C）的要求，充電電壓可達到1000V（遠期目標1500V），在不帶冷卻工況下充電電流120A，充電功率大于120kW;帶冷卻工況下充電電流400～500A（遠期目標600A），充電功率超過350kW^[2]。

1.2 大功率充電優點

大功率充電具有充電時間短、用戶充電體驗好等優點。

（1）對于私人用戶而言，大功率充電可大幅縮短充電時間，快速增加續航里程，充電體驗較好。對于無法安裝自用充電樁的用戶，大功率充電可作為日常充電解決方案，從而拓展電動汽車的消費群體。

（2）對于公共運營企業而言，大功率充電設備的應用，可大幅縮短電動公交、出租、網約、物流等運營車輛的充電等待時間，提高運營效率和競爭力。

（3）對于充電設施建設運營商而言，大功率充電設備的應用可大幅降低單次充電時間，吸引消費者使用，提升單位時間內的充電服務次數，從而提高充電樁利用率和充電服務收益^[3]。

1.2 大功率充電缺點

大功率充電的缺點主要體現在技術難度較高、成本提升較大等方面。

（1）技術層面，大功率充電產生的高電壓、大電流，容易積累大量熱量，不僅會加速電纜絕緣或護套的老化，甚至損壞充電設施，帶來生命和財產安全威脅^[4]。因此，整車、動力電池、充電模塊、充電槍、電纜的熱管理和安全防護問題極為關鍵，需解決各元器件的冷卻、散熱、絕緣、耐高壓、防過充起火等問題。

（2）成本層面，大功率充電設備價格較為昂貴，且需要較大場地進行設備配套及安裝，電力增容、建設、運營、維護資金較高，滿足大功率快充所需的動力電池、IGBT等零部件成本較高，整車成本提升較為明顯。

2 大功率充電標準進展情況

現階段，中國大功率充電標準的制定由中國電力企業聯合會與中國汽車技術研究中心聯合牽頭，整車企業、關鍵零部件生產企業、充電設備生產企業參與，成立了大功率充電技術與標準預研工作組和大功率充電示范工作組^[5]，開展標準的研究制定、設備的研發測試、車輛的充電試點等工作。

2.1 大功率充電標準路線圖

大功率充電標準制定的重點在于滿足充電的安全性、可靠性和兼容性。大功率充電標準從2016年開始預研究，經過技術研討、實驗室驗證、示范驗證等階段，目前充電模式、充電器形式、充電連接口標準、轉換器設計方案、熱管理和冷卻技術方案、通訊協議等方面的標準基本確定。

商用車大功率充電標準已于2019年3月進行內部征求意見，計劃在2019年底前完成編制，乘用車大功率充電標準將于2019年下半年立項，預計在2020年底至2021年初完成編制。

2.2 大功率充電標準制定目標

（1）技術目標。根據現階段擬定的大功率充電目標，充電設備功率標準制定分為兩個階段，一階段充電電流150A，電壓1000V，充電功率超過150kW，二階段電流400-600A，電壓1500V，充電功率達到600kW。

（2）兼容性目標。大功率充電標準的制定將考慮向前兼容性，滿足與2015版電動汽車充電接口和通信協議的適配性。通過制定接口轉換適配器的物理尺寸標準，引導電路向前兼容，并使用與2015版相同的CAN物理接口，滿足新舊標準車輛與充電樁之間的兼容需求。此外，GB/T 27930、GB/T18487.1、NB/T33001、NB/T33008.1 等現有標準將結合大功率充電示范試點項目進行技術驗證。

3 大功率充電應用現狀

3.1 國內產品研發情況

國內部分整車和充電設備生產企業進行了大功率充電產品的研發和技術儲備。高電壓大電流車輛平臺技術難度較高，部分核心零部件技術尚未掌握，國內車企整體技術路線較為保守，目前乘用車測試車輛最高充電功率在120～200kW之間;大功率充電設備技術難度相對較低，部分樁企已完成樣品開發和生產，產品輸出功率普遍可達到350kW以上。

3.2 國內示范應用情況

目前，國內的大功率充電設施應用還處于示范試點階段，在示范項目中，乘用車大功率充電根據停車時間長短選擇是否帶冷卻裝置的設備進行充電;商用車在終端充電情況下與乘用車相同，途中采用充電弓補電。

示范測試主要針對大功率充電連接器樣品原型進行驗證，先后評估了連接器組件、轉換器、電纜、電流速度、散熱、通訊協議、檢測規范方面的標準，驗證了充電接口、電壓、通訊協議與2015版標準的協調兼容性，預計2019年內將完成示范項目。

3.3 國外應用場景

國外大功率充電設施的建設應用，多由大型車企及相關充電運營商主導推動，以建立大功率充電使用環境，推動電動汽車銷售。

除保時捷和特斯拉外，歐美主流車企推廣車型，如寶馬i3、奧迪 e-Tron，充電功率普遍在150～160kW，距離350kW大功率充電還有一定距離，預計2020年后將探索推動350kW等級的大功率車型應用。此外，日本計劃在2020年實現150～200kW充電，2025年后應用350kW大功率充電。

4 大功率充電未來應用趨勢

4.1 大功率充電技術發展趨勢

大功率充電是未來電動汽車充電的必然發展趨勢，已成為業內共識。但主流車企與充電設備生產企業對大功率充電的市場前景預測存在一定差異，車輛及充電設備將呈現不同發展態勢。

（1）整車層面，大功率充電客車將率先進行示范應用，遠期充電電壓將達到1500V，充電電流將達到600A;乘用車目前研發和測試車輛最高充電功率普遍在120～150kW之間，充電功率200kW（400～500V，200～400A）左右的乘用車型將于2020年后逐步應用，充電功率350kW（800～1000V，400～500A）以上的高電壓平臺電動汽車將于2025年后廣泛應用。

（2）動力電池方面，為滿足車輛大功率充電需求，國內動力電池企業將重點研發新型或新體系電池，單體能量密度提升至300Wh/kg以上;通過改善鋰離子的接受和傳輸能力，實現電池的4～6C高倍率充電;BMS將實現電池全氣候溫度下的可靠性，能夠快速消除高速充電產生的高溫熱量，電池電量到達一定比例或熱量較高時，可降低充電功率，進入涓流充電模式，防止過沖或者起火，延長電池壽命。以寧德時代為例，2019年底前將量產上市NCM811/石墨體系電芯，系統能量密度可達180Wh/kg，同步開發系統能力密度300Wh/kg高鎳/硅碳體系電池，滿足未來大功率充電車型需求。

（3）充電設備層面，生產企業將積極推動大功率充電樁的研發和市場化，開發1400VIGBT等關鍵零部件，提高元器件的耐高壓、絕緣能力，提升機械和電氣設計安全性;設計新的充電接口以及轉換接頭，實現與2015版本車輛的兼容;利用液冷泵和液冷管道將充電溫度控制在120℃以下，同時實現充電線纜、充電槍頭的輕量化和小型化，以便于操作。

未來，150～240kW充電設備將主要應用于乘用車充電，市場占有率將達到大功率充電設備數量的70%左右，240～350 kW將作為通用型充電樁，350kW及以上的充電樁和充電弓將主要向商用車及部分大功率乘用車提供充電服務。

4.2 大功率充電未來應用場景

大功率充電將與2015版充電標準并行，作為現有充電設備和網絡的補充與完善，各運營商將根據市場需求和盈利預期進行布局建設。業界普遍認為，通過現階段的研發測試及示范，2020～2022年大功率充電將投入小規模應用，2023～2025年開始大規模商業應用，大功率快充將會在以下幾個場景使用。

（1）城市公共充電。長續駛里程電動乘用車將普遍裝載大容量動力電池，為減少充電等待時間、提升充電體驗，解決部分無自用樁用戶充電問題，城市公共充電場站將配套一定比例的大功率充電設備。

（2）運營類車輛充電。電動公交、出租、網約、物流等運營車輛，對于充電時長較為敏感，大功率充電樁的應用將縮短車輛充電時間，提升運營效率。

（3）高速公路充電。高速公路、國道等服務區將建設一定比例的大功率充電設施，支持電動汽車長途出行充電，拓展電動汽車使用范圍。

5 結論

（1）大功率充電作為新興充電模式，仍面臨較多問題亟

待解決，高壓關鍵零部件、高比能快充電池、熱管理和冷卻等技術難度較大，充電設備及配套建設成本較高，相關標準的制定仍在各方博弈之中，我國大功率充電整體處于探索階段。

（2）鑒于在充電速率上的巨大優勢，大功率充電得到廣大整車企業、充電設備生產和運營企業的廣泛關注和積極推動，預計2020～2022年將投入小規模使用，2023～2025年開始大規模商業化應用，重點應用在城市公共充電、高速路充電、運營類車輛充電等領域。

（3）大功率充電的市場化推廣，需要整車企業和充電設備生產企業進一步加強協調，深度合作開展車樁聯合測試，擴大示范推廣范圍，積累數據和經驗，引導推動標準的制定，同時積極申請財政補貼和科技項目支持，借助政府力量推動大功率充電應用。

未來，大功率充電將作為現有充電模式的補充和提升，進一步完善電動汽車充電環境，對電動汽車的推廣和充電業態的發展產生積極影響。

參考文獻

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