纯电动乘用车大功率快充需多层面协同

纯电动乘用车大功率快速充电就是采用高电压、大电流,短时间内将电动汽车充满电。这一功能的实现在很大程度上决定了用车的便利性。目前快速充电、长续驶里程是纯电动乘用车用户最为迫切的两大需求。仅就大功率快充而言,其功能实现的目标会对电动汽车的产品设计产生非常大的影响。本文将就此展开一些讨论。

开始前,我们先将相关层面分以下的两部分:车辆端(EV)和充电供给端(EVSE)。在充电供给端,从企业相关性方法可以细分成地方电网(电网负荷管理)、充电运营商、充电设施集成商、充电模块集成商、充电连接器和线缆供应商。在车辆端,从企业上可以分为整车OEM企业、电池系统供应商、电池冷却/加热子系统供应商、充电连接器和线缆供应商、车载充电机供应商、驱动系统供应商、电空调供应商和DCDC供应商还有高压电气系统供应商等等。

以下就从充电供给端与车辆端的现状、需求、技术条件与挑战等角度,来谈一谈电动乘用车大功率快速充电的发展前景。

值得注意的是,去年底,戴姆勒、BMW、福斯、福特等四大车厂曾宣布将在欧洲联合部署电动车的“超快速充电站”,预计设立的 400 个充电站为联合充电系统 (CCS) ,最大功率为 350kW。这一事件表明整车厂共同布局大功率快充从而改善消费者体验的趋势。

图1 由大功率快充带来的影响变化

一、充电供给端

1)从电网系统性考虑

电网是充电的源头,考虑到电网运行的稳定性,地方电网希望电动汽车负荷接入的不要过快,因为单点极大负荷的接入肯定会对电网造成很大负担,大功率充电对于电网的安全性也提出了严峻的挑战,这点就直接定下来整个基调。如果从电网的统筹考虑,大功率快充会大幅降低有序充电的可能性,导致电网负荷峰谷差升高,降低大电网的整体投入产出效益。

  • 开设了快充站,用户对充电速度的预期会变得更快,很容易出现如同排队加油类似的排队充电现象,在上下班高峰期间,负荷管理就是大问题,因为充电开始的时候,电网负荷一下子就上去了,出现全部充电的情况,同理快充完成后也会出现充电在相近时间点全部停止的情况。
  • 在现有的管控模式下,以上情况推演下来,局部的配电负荷变化就会达到所接入变压器负荷的20%甚至更高,在夏季等电力供应紧张时期,容易出现过负荷问题,引起线路过热、跳闸等,这将导致电网上大量负荷被切除。
  • 从时间轴上来看,由于车辆的移动特性,会加剧现有负荷管理的难度,节假日、气候变化、重大活动等因素影响下,尤其是发生连锁事故时,发生问题的可能性非常大。

由于大功率充电的布点是接近私人消费者,充电设施运营商布点就会依据现实的诉求而不是电网的情况来考虑,快充桩、快充站将会广泛分布在居住区、办公区、消费区和工业区。这样的布局很容易影响商业用电稳定,一旦电网因此被要求索赔怎么办?工业区也一样,万一大功率电器引入影响了供电稳定,造成了工业生产损失怎么办?

2)充电设施的角度

根据充电设施促进联盟的数据。截至2017年4月,联盟内成员单位总计上报公共类充电桩161193个,其中交流充电桩55956个、直流充电桩39163个、交直流一体充电桩66074个。根据这个数据考虑,10万个直流充电桩(30~60kW)的利用率是个问题,按照这个数据考虑,为了这么多充电桩,实际付出的总投入也不小了,但是从充电设施的利用率、私人用户快充的满意率、单位充电桩的消耗电能来看,投入和付出没有特别好的匹配,这客观上把充电设施运营商推到了一个很艰难的境地。

图2 现有快充功率和应用场景

从应用场景来看,350kW是一个长远的考虑,在中国来看,以下几类需求比较迫切:

  • 北京、上海、深圳等一线城市核心区域,寸土寸金(停车资源较少的条件下),大功率快充是极有需求的;
  • 出租车/分时租赁:对补电速度有要求的,也是一个对快充时间价值的认可
  • 高速公路上,对运行有要求的区域

目前,充电运营商的收入是靠充电服务费和充电电费两项,如果消费者对充电时间有更短的需求,而实际上的充电服务无法满足这种需求,那么充电运营的实际收益是不高的。如果往快充发展,就能有效的把运营快充站和运营加油站相提并论,如果车辆端的供应量能达到一定的数量,那么充电设施运营商会毫不犹豫跟上这个趋势。随着《电动汽车柔性充电堆》的标准草案和产品概念的升级,充电设施和充电模块的设计方案考虑也正是往集中布置,如此就可以在不同充电终端实现一定的功率分享。如上面衔接的那样,已有直流充电桩在不断维护和将来升级改造的过程中,要跟上大功率快充的趋势去是比较容易的。

图3 充电堆的功率调度是个挺普遍的趋势

3)技术细节的问题

在日前召开的“电动乘用车大功率充电技术的前景与挑战”研讨会上,大家在交流的几个问题,非常值得罗列探讨:

  • 充电电压的问题:在200V~1000V里面,存在着比较明显的低效率端,充电模块输出电压设计需要与电动汽车的电压平台匹配。充电模块需要满足市场上的车辆,电压优选端还是需要车企与充电端形成一些共识再好好推进。
  • 充电接口和电缆:这里的问题比较大,由于现实的角度,安全性和兼容性要求摆在了所有问题的前两位。GBT系列的标准在往350kW方向走的时候,如何在接口、协议、接口&线缆冷却等问题上进行完善,是快充功能实现的关键。这方面其实国内的标准制定者已经开始提前布局,筹建工作组遵循IEC/ISO标准的制定规律,先出概念、制作样品、经过仔细的验证才形成靠谱的标准,再往下推。

在车辆电气化的发展趋势来看,中国未来在亚洲范围内,尤其是影响东南亚的可能性是很高的,整体充电设施出口东南亚是必然的。而充电模块和相关设备,去挑战一下欧洲和美国市场还是挺有意义的,车卖不过去先把充电设施卖过去。如下图所示,在美国10万的LEAF保有量,对应的也只有5千个直流充电桩,缺口不小吧。

图4 LEAF和Chademo直流充电桩的比例

第二部分 车辆端

对于电动汽车而言,我们首要考虑的问题,是未来的电动化车辆的发展,是否是按照预想的方向来走的。

1)电动汽车的发展走向

  • 2017年以来,补贴下降使得A00级别电动汽车当道,在北京,这类低价格的车辆被当作是“占牌”神器,在当前上量的同时,我们需要考虑下这种发展趋势是否是持续性的。不算开玩笑地说,等合适的电动车辆出来,分分钟给你过牌过掉……
  • 从全球范围来看,纯电动汽车电池容量从20kwh到30~40kwh再到50~80kwh,续驶里程从80~100英里,再到150英里,再往200~300英里发展也是一个明显的趋势。

结合整车开发的周期考虑,整车企业提350kW是为将来的车考虑,推进大功率快充,也是因为今后的电动汽车(电池冲量60kwh以上)如果再用3.3和6.6kW的充电功率来充电,对消费者而言,充电速度太慢了,会发生在家充不满电的情况,如此一来的消费体验就会比较差了。

图5 充电相关单元

2)现有的充电速度和功率

我们拿当前电池容量为30kwh的两款车来看,充电功率正常值在40~50kW之间。在25度正常温度下,根据电池化学体系的不同SOC的拐点不同,在不同温度下,充电功率的降额也是不同的。

就发展趋势而言,单体的快充特性是摆在第一位的,核心还是在窄温度区间内,验证快充循环特性对容量、内阻的影响大小;在模组化和Pack成组的过程中,对外界环境温度和温升的控制,也是对差异性提出了要求。

继而,随着电池系统容量的变大,是在既有的电压平台下,在电池级别并联更大容量的电池,还是串联更多一些往高电压的方向走,也是值得探讨的。

  • 从电压等级提升来看,其实在大功率快充回路里面,电流和电压都提高了,高压大功率充电系统的使用,需要提升电池系统和配电系统的性能;
  • 功率电子方面,其核心是高耐压的功率器件,国内现阶段乘用车行业尚未普及高压大功率器件,因为其成本较高,可靠性也待验证,相关法律法规、试验标准也未健全。

材料和器件的进步,不可避免地将对整个部件的设计和部件的特性产生深刻的影响。所以未来汽车OEM在电气化的过程中,是需要整合全球资源,深入到部件、器件和材料领域去占据先进技术和时间优势的。这点不可阻挡,只是说现阶段没办法把这些在研究和储备的技术直接拿出来作为量产车来卖。

第三、小结与建议:

要理解电动乘用车大功率快充的发展,还必须将其纳入整个电动乘用车行业的发展大格局中思考:

第一,补贴政策、白名单政策、不一样的GBT标准和认证过程,其实给国内的新能源汽车带来一个发展的窗口期,对混动相对消极的战略,也可以理解为一种战术性措施。即使不给政策不给补贴,丰田混动在国内发展也挺迅速,无它,产品技术本身优势大,这些措施限制不住消费者真实而朴素的需求。

第二,在材料、器件和部件的特性发展过程中,纯电动汽车的门槛自然而然也会抬高;在三电领域,在使用领域(充电特性和智能化领域),一点点系统性的累加之后,未来真的把大量资源整合发展(2020~2025年)的时候,纯电动汽车会发展成什么样,仅以现有的技术来衡量,是会有很大的误差的。

第三,当前的中国新能源汽车行业是有一定的系统风险的,就是本土企业在有“篱笆保护”的时候,享尽现金补贴的实惠和数量世界第一的荣誉,却没看到真正的对手也是憋着劲等篱笆下来,等经过政府和国内企业的几波宣导,完成了消费者教育,并把市场培育成熟的时候,真正的对手们就会给大家带来体验不一样的产品了。届时,“When they go low,we go high”,这真的是让人情何以堪。

建议:

1)充电连接器和大功率充电技术层,要充分参与和试制样品,经过测试验证后建立乘用车一版真正能用,并能推向亚洲(东南亚和澳大利亚在标准界都是跟着影响力大的标准来走)国家的标准和产品。

在电池系统层,需要分解大功率充电带来的热管理特殊需求,然后充分把单体的快充特性在电池系统层面降低损耗;对于充电模块的控制特性,需要予以定义和限制,如果电流大到限流的点,但限制不住将会对电池产生很大的影响

功率电子层(车载充电机和DC-DC),SiC的MOSFET其实在国内已有很多应用,并不是大问题,核心的难点还在主逆变器的功率模块上,随着国内很多企业投入这一领域,相关试制还是可以做的。

参考文件:

1. 聚焦电动乘用车大功率充电技术的前景与挑战

2. 聊特斯拉充电限制,和400kW模块化充电设施

3. Ultra-fast DC Fast Charging Design Architecture

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