電動汽車大功率充電發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢研究

吳鵬飛　劉宏駿　郝燁

摘 要：近年，電動汽車?yán)m(xù)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(shù)應(yīng)運而生。研究大功率充電技術(shù)、標(biāo)準(zhǔn)的進展和示范應(yīng)用情況，明確大功率充電的優(yōu)缺點，對于電動汽車的推廣和充電業(yè)態(tài)的發(fā)展具有一定參考意義。關(guān)鍵詞：大功率充電;技術(shù)關(guān)鍵點;標(biāo)準(zhǔn)進展;應(yīng)用場景中圖分類號：U469.72? 文獻標(biāo)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(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，整車產(chǎn)品產(chǎn)銷規(guī)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(chǎn)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(yè)痛點。

大功率充電技術(shù)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(yè)重視^[1]。本文通過研究大功率充電技術(shù)、標(biāo)準(zhǔn)進展和應(yīng)用情況，明確大功率充電的優(yōu)缺點，對于大功率充電技術(shù)應(yīng)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(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 大功率充電定義

電動汽車傳導(dǎo)式直流大功率充電，可滿足未來長續(xù)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(biāo)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(biāo)600A），充電功率超過350kW^[2]。

1.2 大功率充電優(yōu)點

大功率充電具有充電時間短、用戶充電體驗好等優(yōu)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(xù)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(yè)而言，大功率充電設(shè)備的應(yīng)用，可大幅縮短電動公交、出租、網(wǎng)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(shè)施建設(shè)運營商而言，大功率充電設(shè)備的應(yīng)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(nèi)的充電服務(wù)次數(shù)，從而提高充電樁利用率和充電服務(wù)收益^[3]。

1.2 大功率充電缺點

大功率充電的缺點主要體現(xiàn)在技術(shù)難度較高、成本提升較大等方面。

（1）技術(shù)層面，大功率充電產(chǎn)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(shè)施，帶來生命和財產(chǎn)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(guān)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(shè)備價格較為昂貴，且需要較大場地進行設(shè)備配套及安裝，電力增容、建設(shè)、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(biāo)準(zhǔn)進展情況

現(xiàn)階段，中國大功率充電標(biāo)準(zhǔn)的制定由中國電力企業(yè)聯(lián)合會與中國汽車技術(shù)研究中心聯(lián)合牽頭，整車企業(yè)、關(guān)鍵零部件生產(chǎn)企業(yè)、充電設(shè)備生產(chǎn)企業(yè)參與，成立了大功率充電技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)預(yù)研工作組和大功率充電示范工作組^[5]，開展標(biāo)準(zhǔn)的研究制定、設(shè)備的研發(fā)測試、車輛的充電試點等工作。

2.1 大功率充電標(biāo)準(zhǔn)路線圖

大功率充電標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)從2016年開始預(yù)研究，經(jīng)過技術(shù)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(biāo)準(zhǔn)、轉(zhuǎn)換器設(shè)計方案、熱管理和冷卻技術(shù)方案、通訊協(xié)議等方面的標(biāo)準(zhǔn)基本確定。

商用車大功率充電標(biāo)準(zhǔn)已于2019年3月進行內(nèi)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(biāo)準(zhǔn)將于2019年下半年立項，預(yù)計在2020年底至2021年初完成編制。

2.2 大功率充電標(biāo)準(zhǔn)制定目標(biāo)

（1）技術(shù)目標(biāo)。根據(jù)現(xiàn)階段擬定的大功率充電目標(biāo)，充電設(shè)備功率標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)。大功率充電標(biāo)準(zhǔn)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(xié)議的適配性。通過制定接口轉(zhuǎn)換適配器的物理尺寸標(biāo)準(zhǔn)，引導(dǎo)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(biāo)準(zhǔn)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(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)將結(jié)合大功率充電示范試點項目進行技術(shù)驗證。

3 大功率充電應(yīng)用現(xiàn)狀

3.1 國內(nèi)產(chǎn)品研發(fā)情況

國內(nèi)部分整車和充電設(shè)備生產(chǎn)企業(yè)進行了大功率充電產(chǎn)品的研發(fā)和技術(shù)儲備。高電壓大電流車輛平臺技術(shù)難度較高，部分核心零部件技術(shù)尚未掌握，國內(nèi)車企整體技術(shù)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(shè)備技術(shù)難度相對較低，部分樁企已完成樣品開發(fā)和生產(chǎn)，產(chǎn)品輸出功率普遍可達到350kW以上。

3.2 國內(nèi)示范應(yīng)用情況

目前，國內(nèi)的大功率充電設(shè)施應(yīng)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(jù)停車時間長短選擇是否帶冷卻裝置的設(shè)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(zhuǎn)換器、電纜、電流速度、散熱、通訊協(xié)議、檢測規(guī)范方面的標(biāo)準(zhǔn)，驗證了充電接口、電壓、通訊協(xié)議與2015版標(biāo)準(zhǔn)的協(xié)調(diào)兼容性，預(yù)計2019年內(nèi)將完成示范項目。

3.3 國外應(yīng)用場景

國外大功率充電設(shè)施的建設(shè)應(yīng)用，多由大型車企及相關(guān)充電運營商主導(dǎo)推動，以建立大功率充電使用環(huán)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(yù)計2020年后將探索推動350kW等級的大功率車型應(yīng)用。此外，日本計劃在2020年實現(xiàn)150～200kW充電，2025年后應(yīng)用350kW大功率充電。

4 大功率充電未來應(yīng)用趨勢

4.1 大功率充電技術(shù)發(fā)展趨勢

大功率充電是未來電動汽車充電的必然發(fā)展趨勢，已成為業(yè)內(nèi)共識。但主流車企與充電設(shè)備生產(chǎn)企業(yè)對大功率充電的市場前景預(yù)測存在一定差異，車輛及充電設(shè)備將呈現(xiàn)不同發(fā)展態(tài)勢。

（1）整車層面，大功率充電客車將率先進行示范應(yīng)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(fā)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(yīng)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(yīng)用。

（2）動力電池方面，為滿足車輛大功率充電需求，國內(nèi)動力電池企業(yè)將重點研發(fā)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(xiàn)電池的4～6C高倍率充電;BMS將實現(xiàn)電池全氣候溫度下的可靠性，能夠快速消除高速充電產(chǎn)生的高溫?zé)崃?，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(chǎn)上市NCM811/石墨體系電芯，系統(tǒng)能量密度可達180Wh/kg，同步開發(fā)系統(tǒng)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(shè)備層面，生產(chǎn)企業(yè)將積極推動大功率充電樁的研發(fā)和市場化，開發(fā)1400VIGBT等關(guān)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(shè)計安全性;設(shè)計新的充電接口以及轉(zhuǎn)換接頭，實現(xiàn)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(xiàn)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(shè)備將主要應(yīng)用于乘用車充電，市場占有率將達到大功率充電設(shè)備數(shù)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(wù)。

4.2 大功率充電未來應(yīng)用場景

大功率充電將與2015版充電標(biāo)準(zhǔn)并行，作為現(xiàn)有充電設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)的補充與完善，各運營商將根據(jù)市場需求和盈利預(yù)期進行布局建設(shè)。業(yè)界普遍認(rèn)為，通過現(xiàn)階段的研發(fā)測試及示范，2020～2022年大功率充電將投入小規(guī)模應(yīng)用，2023～2025年開始大規(guī)模商業(yè)應(yīng)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(xù)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(shè)備。

（2）運營類車輛充電。電動公交、出租、網(wǎng)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(yīng)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(wù)區(qū)將建設(shè)一定比例的大功率充電設(shè)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(jié)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(guān)鍵零部件、高比能快充電池、熱管理和冷卻等技術(shù)難度較大，充電設(shè)備及配套建設(shè)成本較高，相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)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(yōu)勢，大功率充電得到廣大整車企業(yè)、充電設(shè)備生產(chǎn)和運營企業(yè)的廣泛關(guān)注和積極推動，預(yù)計2020～2022年將投入小規(guī)模使用，2023～2025年開始大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用，重點應(yīng)用在城市公共充電、高速路充電、運營類車輛充電等領(lǐng)域。

（3）大功率充電的市場化推廣，需要整車企業(yè)和充電設(shè)備生產(chǎn)企業(yè)進一步加強協(xié)調(diào)，深度合作開展車樁聯(lián)合測試，擴大示范推廣范圍，積累數(shù)據(jù)和經(jīng)驗，引導(dǎo)推動標(biāo)準(zhǔn)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(yīng)用。

未來，大功率充電將作為現(xiàn)有充電模式的補充和提升，進一步完善電動汽車充電環(huán)境，對電動汽車的推廣和充電業(yè)態(tài)的發(fā)展產(chǎn)生積極影響。

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