純電動乘用車大功率快充需多層面協同

純電動乘用車大功率快速充電就是採用高電壓、大電流，短時間內將電動汽車充滿電。這一功能的實現在很大程度上決定了用車的便利性。目前快速充電、長續駛里程是純電動乘用車使用者最為迫切的兩大需求。僅就大功率快充而言，其功能實現的目標會對電動汽車的產品設計產生非常大的影響。本文將就此展開一些討論。

開始前，我們先將相關層面分以下的兩部分：車輛端（EV）和充電供給端（EVSE）。在充電供給端，從企業相關性方法可以細分成地方電網（電網負荷管理）、充電運營商、充電設施整合商、充電模組整合商、充電聯結器和線纜供應商。在車輛端，從企業上可以分為整車OEM企業、電池系統供應商、電池冷卻/加熱子系統供應商、充電聯結器和線纜供應商、車載充電機供應商、驅動系統供應商、電空調供應商和DCDC供應商還有高壓電氣系統供應商等等。

以下就從充電供給端與車輛端的現狀、需求、技術條件與挑戰等角度，來談一談電動乘用車大功率快速充電的發展前景。

值得注意的是，去年底，戴姆勒、BMW、福斯、福特等四大車廠曾宣佈將在歐洲聯合部署電動車的“超快速充電站”，預計設立的 400 個充電站為聯合充電系統 （CCS） ，最大功率為 350kW。這一事件表明整車廠共同佈局大功率快充從而改善消費者體驗的趨勢。

圖1 由大功率快充帶來的影響變化

一、充電供給端

1）從電網系統性考慮

電網是充電的源頭，考慮到電網執行的穩定性，地方電網希望電動汽車負荷接入的不要過快，因為單點極大負荷的接入肯定會對電網造成很大負擔，大功率充電對於電網的安全性也提出了嚴峻的挑戰，這點就直接定下來整個基調。如果從電網的統籌考慮，大功率快充會大幅降低有序充電的可能性，導致電網負荷峰谷差升高，降低大電網的整體投入產出效益。

開設了快充站，使用者對充電速度的預期會變得更快，很容易出現如同排隊加油類似的排隊充電現象，在上下班高峰期間，負荷管理就是大問題，因為充電開始的時候，電網負荷一下子就上去了，出現全部充電的情況，同理快充完成後也會出現充電在相近時間點全部停止的情況。

在現有的管控模式下，以上情況推演下來，區域性的配電負荷變化就會達到所接入變壓器負荷的20%甚至更高，在夏季等電力供應緊張時期，容易出現過負荷問題，引起線路過熱、跳閘等，這將導致電網上大量負荷被切除。

從時間軸上來看，由於車輛的移動特性，會加劇現有負荷管理的難度，節假日、氣候變化、重大活動等因素影響下，尤其是發生連鎖事故時，發生問題的可能性非常大。

由於大功率充電的布點是接近私人消費者，充電設施運營商布點就會依據現實的訴求而不是電網的情況來考慮，快充樁、快充站將會廣泛分佈在居住區、辦公區、消費區和工業區。這樣的佈局很容易影響商業用電穩定，一旦電網因此被要求索賠怎麼辦？工業區也一樣，萬一大功率電器引入影響了供電穩定，造成了工業生產損失怎麼辦？

2）充電設施的角度

根據充電設施促進聯盟的資料。截至2017年4月，聯盟內成員單位總計上報公共類充電樁161193個，其中交流充電樁55956個、直流充電樁39163個、交直流一體充電樁66074個。根據這個資料考慮，10萬個直流充電樁（30~60kW）的利用率是個問題，按照這個資料考慮，為了這麼多充電樁，實際付出的總投入也不小了，但是從充電設施的利用率、私人使用者快充的滿意率、單位充電樁的消耗電能來看，投入和付出沒有特別好的匹配，這客觀上把充電設施運營商推到了一個很艱難的境地。

圖2 現有快充功率和應用場景

從應用場景來看，350kW是一個長遠的考慮，在中國來看，以下幾類需求比較迫切：

北京、上海、深圳等一線城市核心區域，寸土寸金（停車資源較少的條件下），大功率快充是極有需求的；

計程車/分時租賃：對補電速度有要求的，也是一個對快充時間價值的認可

高速公路上，對執行有要求的區域

目前，充電運營商的收入是靠充電服務費和充電電費兩項，如果消費者對充電時間有更短的需求，而實際上的充電服務無法滿足這種需求，那麼充電運營的實際收益是不高的。如果往快充發展，就能有效的把運營快充站和運營加油站相提並論，如果車輛端的供應量能達到一定的數量，那麼充電設施運營商會毫不猶豫跟上這個趨勢。隨著《電動汽車柔性充電堆》的標準草案和產品概念的升級，充電設施和充電模組的設計方案考慮也正是往集中佈置，如此就可以在不同充電終端實現一定的功率分享。如上面銜接的那樣，已有直流充電樁在不斷維護和將來升級改造的過程中，要跟上大功率快充的趨勢去是比較容易的。

圖3 充電堆的功率排程是個挺普遍的趨勢

3）技術細節的問題

在日前召開的“電動乘用車大功率充電技術的前景與挑戰”研討會上，大家在交流的幾個問題，非常值得羅列探討：

充電電壓的問題：在200V~1000V裡面，存在著比較明顯的低效率端，充電模組輸出電壓設計需要與電動汽車的電壓平臺匹配。充電模組需要滿足市場上的車輛，電壓優選端還是需要車企與充電端形成一些共識再好好推進。

充電介面和電纜：這裡的問題比較大，由於現實的角度，安全性和相容性要求擺在了所有問題的前兩位。GBT系列的標準在往350kW方向走的時候，如何在介面、協議、介面&線纜冷卻等問題上進行完善，是快充功能實現的關鍵。這方面其實國內的標準制定者已經開始提前佈局，籌建工作組遵循IEC/ISO標準的制定規律，先出概念、製作樣品、經過仔細的驗證才形成靠譜的標準，再往下推。

在車輛電氣化的發展趨勢來看，中國未來在亞洲範圍內，尤其是影響東南亞的可能性是很高的，整體充電設施出口東南亞是必然的。而充電模組和相關裝置，去挑戰一下歐洲和美國市場還是挺有意義的，車賣不過去先把充電設施賣過去。如下圖所示，在美國10萬的LEAF保有量，對應的也只有5千個直流充電樁，缺口不小吧。

圖4 LEAF和Chademo直流充電樁的比例

第二部分 車輛端

對於電動汽車而言，我們首要考慮的問題，是未來的電動化車輛的發展，是否是按照預想的方向來走的。

1）電動汽車的發展走向

2017年以來，補貼下降使得A00級別電動汽車當道，在北京，這類低價格的車輛被當作是“佔牌”神器，在當前上量的同時，我們需要考慮下這種發展趨勢是否是持續性的。不算開玩笑地說，等合適的電動車輛出來，分分鐘給你過牌過掉……

從全球範圍來看，純電動汽車電池容量從20kwh到30~40kwh再到50~80kwh，續駛里程從80~100英里，再到150英里，再往200~300英里發展也是一個明顯的趨勢。

結合整車開發的週期考慮，整車企業提350kW是為將來的車考慮，推進大功率快充，也是因為今後的電動汽車（電池衝量60kwh以上）如果再用3。3和6。6kW的充電功率來充電，對消費者而言，充電速度太慢了，會發生在家充不滿電的情況，如此一來的消費體驗就會比較差了。

圖5 充電相關單元

2）現有的充電速度和功率

我們拿當前電池容量為30kwh的兩款車來看，充電功率正常值在40~50kW之間。在25度正常溫度下，根據電池化學體系的不同SOC的拐點不同，在不同溫度下，充電功率的降額也是不同的。

就發展趨勢而言，單體的快充特性是擺在第一位的，核心還是在窄溫度區間內，驗證快充迴圈特性對容量、內阻的影響大小；在模組化和Pack成組的過程中，對外界環境溫度和溫升的控制，也是對差異性提出了要求。

繼而，隨著電池系統容量的變大，是在既有的電壓平臺下，在電池級別並聯更大容量的電池，還是串聯更多一些往高電壓的方向走，也是值得探討的。

從電壓等級提升來看，其實在大功率快充迴路裡面，電流和電壓都提高了，高壓大功率充電系統的使用，需要提升電池系統和配電系統的效能；

功率電子方面，其核心是高耐壓的功率器件，國內現階段乘用車行業尚未普及高壓大功率器件，因為其成本較高，可靠性也待驗證，相關法律法規、試驗標準也未健全。

材料和器件的進步，不可避免地將對整個部件的設計和部件的特性產生深刻的影響。所以未來汽車OEM在電氣化的過程中，是需要整合全球資源，深入到部件、器件和材料領域去佔據先進技術和時間優勢的。這點不可阻擋，只是說現階段沒辦法把這些在研究和儲備的技術直接拿出來作為量產車來賣。

第三、小結與建議：

要理解電動乘用車大功率快充的發展，還必須將其納入整個電動乘用車行業的發展大格局中思考：

第一，補貼政策、白名單政策、不一樣的GBT標準和認證過程，其實給國內的新能源汽車帶來一個發展的視窗期，對混動相對消極的戰略，也可以理解為一種戰術性措施。即使不給政策不給補貼，豐田混動在國內發展也挺迅速，無它，產品技術本身優勢大，這些措施限制不住消費者真實而樸素的需求。

第二，在材料、器件和部件的特性發展過程中，純電動汽車的門檻自然而然也會抬高；在三電領域，在使用領域（充電特性和智慧化領域），一點點系統性的累加之後，未來真的把大量資源整合發展（2020~2025年）的時候，純電動汽車會發展成什麼樣，僅以現有的技術來衡量，是會有很大的誤差的。

第三，當前的中國新能源汽車行業是有一定的系統風險的，就是本土企業在有“籬笆保護”的時候，享盡現金補貼的實惠和數量世界第一的榮譽，卻沒看到真正的對手也是憋著勁等籬笆下來，等經過政府和國內企業的幾波宣導，完成了消費者教育，並把市場培育成熟的時候，真正的對手們就會給大家帶來體驗不一樣的產品了。屆時，“When they go low，we go high”，這真的是讓人情何以堪。

建議：

1）充電聯結器和大功率充電技術層，要充分參與和試製樣品，經過測試驗證後建立乘用車一版真正能用，並能推向亞洲（東南亞和澳大利亞在標準界都是跟著影響力大的標準來走）國家的標準和產品。

在電池系統層，需要分解大功率充電帶來的熱管理特殊需求，然後充分把單體的快充特性在電池系統層面降低損耗；對於充電模組的控制特性，需要予以定義和限制，如果電流大到限流的點，但限制不住將會對電池產生很大的影響

功率電子層（車載充電機和DC-DC），SiC的MOSFET其實在國內已有很多應用，並不是大問題，核心的難點還在主逆變器的功率模組上，隨著國內很多企業投入這一領域，相關試製還是可以做的。

參考檔案：

1。 聚焦電動乘用車大功率充電技術的前景與挑戰

2。 聊特斯拉充電限制，和400kW模組化充電設施

3。 Ultra-fast DC Fast Charging Design Architecture