劉洋,盧明,李剛
(華晨汽車工程研究院新能源工程室,遼寧 沈陽 110141)
大功率充電的需求是非常明確的,無論國內(nèi)外,商用車、出租車、網(wǎng)約車等車輛都有非常急切、迫切的需求。另外,國內(nèi)外在長途旅行上對大功率充電也有一定需求,尤其是歐洲、美國,長途旅行是較常見的一種出行方式,因此對大功率在高速公路上的應(yīng)用,有非常迫切的需求。而我國除了上述方面的需求外,在一些特大型的城市,如北上廣深,由于大多數(shù)車主很難找到車位進行充電,所以他們也會對大功率充電有強烈需求。
國際上來說,歐美企業(yè)準(zhǔn)備第一步在2018年左右,實現(xiàn)>150kw的大功率充電。在2020年前后,歐美企業(yè)將實現(xiàn)>350kw的大功率充電。相對來講日本走得很緩慢。目前日本主要還是傾向于150kw左右的充電功率,而350kw的大功率充電計劃在2022年以后再實現(xiàn)。日本認為當(dāng)前不需要著急實現(xiàn)350kw的大功率充電。在這一點上,歐美和日本還存在差別。
中國大功率充電是從2016年開始的。目前由中電聯(lián)和天汽研兩家單位牽頭,成立了大功率充電標(biāo)準(zhǔn)委員會,成員包括充電設(shè)施廠家、連接器廠家、電纜廠家、車企和電池企業(yè)等,將近20家企業(yè)參與了這方面工作,對大功率充電技術(shù)進行了探討和研究,也做了相關(guān)實驗和設(shè)計。
目前,已經(jīng)基本確定了中國大功率充電的目標(biāo),并將目標(biāo)分為近期和遠期。經(jīng)過系統(tǒng)的調(diào)研,首先電壓平臺可能會定在700V左右。對于電動汽車而言,電壓平臺現(xiàn)在最大的問題是,提升電壓平臺的零部件,尤其是汽車級應(yīng)用器件還不能輕易獲得。因此,500-700V可能是大功率充電起步點。而對于充電設(shè)施而言,再次提升電壓,至少對充電設(shè)施來講,較為容易實現(xiàn)。
大功率充電即High Power Charging簡稱HPC,行業(yè)內(nèi)對于大功率充電還沒有明確的定義,暫定充電功率為350kw,電壓平臺約 1000Vd.c,充電電流達到 350A,定義為大功率充電,2020年純電動汽車平均電量為100 kWh,充電倍率≥4C,充電時間約為10-20分鐘,可以行駛>100km,乘用車采用這樣的功率充電,充電時間才會與燃油車的加油時間大體相同。
目前電動汽車主要分為兩種,第一種是大眾市場的純電動汽車,第二種是高端市場的純電動汽車,這兩種電動汽車的行駛里程是有所不同的。雖然趨勢是大功率充電,但是并不是說現(xiàn)在所布局的充電設(shè)施、高壓零部件未來就沒有用武之地,大功率充電想要獲得更好地發(fā)展,需要高端整車車企或平臺產(chǎn)品的支持,所以只有高端電動汽車比例逐漸增加,大功率充電才會有它發(fā)展的空間,才會有它發(fā)展的市場。
增加純電動汽車續(xù)航里程、完善我國交通網(wǎng)絡(luò)的充電設(shè)施建設(shè)及大功率充電技術(shù)完善,三者相輔相成,而若無法實現(xiàn)大功率充電技術(shù),那么車輛配備高容量電池就無意義,其充電速度慢時間長,也不會利于充電設(shè)施的建設(shè)。
目前我國市面上主流的直流充電樁充電功率均在 60-80 kw,而主流的純電動乘用車動力電池能量在 50-90kwh。故實際充滿電時間約為1-2小時,絕大多數(shù)人來說不能忍受長時間的等待,而燃油車加油只需要10-20分鐘,從能源補給的便利性來講還不能與燃油車相比。而采用大功率充電即350kw,能夠達到與燃油車加油相同的體驗。實現(xiàn)與傳統(tǒng)車無縫過渡。
大功率充電的實現(xiàn)對于充電基礎(chǔ)設(shè)施來說是迫切的需要。對于服務(wù)來說,例如60kw的充電設(shè)施每天服務(wù)10臺純電動車,那么350kw大功率充電設(shè)施每天就能夠服務(wù)60臺純電動車。對于盈利來說,充電設(shè)施的利用率提升了,充電時間短、排隊時間短,能夠快縮短充電設(shè)施投資回收周期,服務(wù)費也會是之前的6倍左右。
如果350kW大功率充電變?yōu)楝F(xiàn)實,隨著電池技術(shù)的不斷突破,當(dāng)電動汽車的續(xù)航里程達到500km左右時,電動汽車與燃油汽車從使用習(xí)慣上來講已無多少區(qū)別。而且隨著電動汽車生產(chǎn)成本的下降、碳交易、綠證制度的不斷完善、V2G技術(shù)的應(yīng)用,電動汽車的全生命周期成本優(yōu)勢會突顯出來,屆時電動汽車的市場份額勢必會逐漸增加。有利于純電動汽車的推廣。
如果要實現(xiàn)大功率充電技術(shù)(假設(shè)350kw,1000Vd.c,350A),的途徑有三個方向,一是將整車電壓平臺提高到1000Vd.c,目前國內(nèi)市場上主流的純電動乘用車的電壓平臺范圍是 200-550Vd.c,而純電動商用車電壓平臺范圍在450-850Vd.c,因此要實現(xiàn)整車1000Vd.c,將對高壓零部件的開發(fā)提出更高的要求。包括絕緣性能、耐壓性能、高壓系統(tǒng)開發(fā)、核心功率器件開發(fā)、高壓安全風(fēng)險等相關(guān)因素。二是提高電流達到350A,要實現(xiàn)此大電流的需求必須要考慮純阻性的損耗、高壓傳輸線路(溫升、溫感、溫控)、冷卻系統(tǒng)的匹配、熱管理系統(tǒng)(穩(wěn)定性、敏捷性、魯棒性)、導(dǎo)體材料的使用及選用、幅值和波動的敏感度等相關(guān)問題。三是共同提高,需要考慮是否能夠采用商務(wù)車平臺化的零部件及高壓架構(gòu)等技術(shù)產(chǎn)品。
大功率充電對于電網(wǎng)的安全性也提出了嚴峻的挑戰(zhàn)。從技術(shù)角度來講,電網(wǎng)為 350kW 充電站配電是完全沒有問題的。大規(guī)模建設(shè)大功率充電站可能會存在以下問題。一是大功率充電應(yīng)用于公共補電,用戶充電時間上下班高峰期,容易出現(xiàn)同時充電、同時停止的情況,充電地點絕大程度的取決于行駛的需要,提高電網(wǎng)負荷峰谷差,引起線路過熱、跳閘等,這將導(dǎo)致大量負荷被切除;二是由于接入電網(wǎng)時間較短,呈現(xiàn)較為明顯的隨機性、間歇性特點,對電網(wǎng)需求響應(yīng)的能力明顯下降;三是電動汽車可作為移動儲能裝置和調(diào)峰系統(tǒng),在電力供應(yīng)富余時充電,提高電力的利用效率,在用電緊張時放電,緩解用電壓力,延緩電網(wǎng)建設(shè)投資,提高電網(wǎng)運行效率和可靠性。由于沒有場地的限制,電動汽車無法停留進行 V2G(Vehicle-to-grid),導(dǎo)致大量無法接入電網(wǎng)的新能源,也無法通過電動汽車的有序利用或V2G滿足電網(wǎng)的調(diào)節(jié);四是在節(jié)假日、氣候變化、重大活動等因素影響下,尤其是發(fā)生連鎖事故時,發(fā)生穩(wěn)定問題的可能性非常大。
要實現(xiàn)大功率直流充電需要從電壓和電流兩個方面來進行提升,由此會對充電樁的設(shè)計提出新的要求。
在電壓方面,假設(shè)純電動汽車電壓平臺提升到 1000 Vd.c,那么充電設(shè)施的電壓等級需要達到整車電壓平臺的1.2-1.5倍,但在對于充電設(shè)施的內(nèi)部功率元件及重要的電器元件的耐壓、絕緣等方面,需要重新設(shè)計。
在電流方面,假設(shè)從150A提升到350A甚至400A,如果線纜上不采取任何的冷卻措施的話,最直接的影響就是電纜將會變粗,充電體驗將更會更差。如果在保證電纜規(guī)格不變的情況下,那么需要采取一些復(fù)雜的措施,例如添加冷卻系統(tǒng)。無論是采用線纜外部冷卻循環(huán)或在線纜內(nèi)部采用冷卻循環(huán),不僅溫度可以迅速的下降,而且線纜的重量、粗細程度也有所下降。
在溫度方面,當(dāng)采用大功率充電的時候,單位時間里傳輸?shù)哪芰繒黾?,進而線纜及端子的溫升會增加很多,那么需要增加溫度檢測以及飽和的安全措施在整個電路的設(shè)計中,假如能夠350kw功率充電,充電效率為95%,發(fā)熱功率為 350kwX5%=17.5kw,如果不能夠及時處理熱管理的話,可能會造成較大的安全事故。對于溫升來說,歐洲的標(biāo)準(zhǔn)要求充電過程中任何檢測點的溫度<120℃,而我國要求相對的嚴苛一些溫度≥95℃,1分鐘時間后會立即啟動保護、降功率甚至是停機。
在兼容性方面,首要考慮的是直流充電接口,在國標(biāo)GB/T 20234.3-2015中規(guī)定額定電流最大為250A,那么問題有以下幾點,一是否要全新設(shè)計大功率充電接口還是更改優(yōu)化當(dāng)前直流充電接口,需要進行反復(fù)的評審討論。二通訊協(xié)議問題是否能夠支持>400A的電流,同樣也需要討論驗證。三充電樁內(nèi)部是由多個功率模塊組成,而目前國內(nèi)充電樁企業(yè)的內(nèi)部功率模塊通常采用15kw或20kw對于350kw大容量的充電樁來說,需要全新開發(fā)30kw-40kw的獨立模塊,模塊之間任意組合。這樣更能夠優(yōu)化裝配及維護。四寬范圍的功率兼容性,能夠智能分配充電的功率,既可以滿足未來大功率充電的需要,也能夠滿足非大功率充電的需要。
在流速度方面,根據(jù)GB/T18487.1-2015中規(guī)定,在充電階段,車輛控制裝置向非車載充電機控制裝置實時發(fā)送電池充電需求參數(shù),調(diào)整充電電流下降時:I>20A時,最長在I/dlmin內(nèi)將充電電流調(diào)整到與命令值相一致, 目前 dlmin的標(biāo)準(zhǔn)值為20安/秒。如果在充電電流為350A-400A的情況下,電流不能在規(guī)定的時間里降下來,很有可能會造成電池過充,進而對電池的使用壽命和安全性會造成不小的影響。故需要與標(biāo)準(zhǔn)委員會討論對于大功率充電過程中電流速度的重新定義。
假設(shè)未來純電動汽車的續(xù)航里程能夠達到500km,百公里消耗20kWh,從整車需求的角度配備的電量約為100kWh。目前從用戶實際使用角度來說,大致分為兩種情況:一是補電。即來即充,只需要所充的電量能夠跑到指定地點即可。對于這種情況來說,按照燃油車的使用習(xí)慣,即加油時間為8-15分鐘,換算到充電倍率約為2C,充電功率為200kW,就我國目前的狀態(tài)是能夠?qū)崿F(xiàn)的。二是充滿。同樣按照汽油車的加油習(xí)慣,加油時間10-20分鐘為例,充電倍率需要≥4C,充電功率需要300-500kW之間,目前我國并沒有針對大功率充電的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn),故需要重新制定與大功率充電相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)。
能量密度是動力電池重要的指標(biāo)之一。而我國鋰離子電池的能量密度大約在140Wh/kg,如果要搭載100kWh的電量的話,電池系統(tǒng)的重量約 700kg,這個參數(shù)對于車企來說是不能夠接受的。另外,在國內(nèi)目前的動力電池能量密度和純電動乘用車的技術(shù)水平下,如何能夠利用車內(nèi)的空間來搭載100kWh的電量所面臨的挑戰(zhàn)還是比嚴峻的。未來提高電池的能量密度也是電池研發(fā)中的重中之重,需要電池的能量密度要達到400Wh/kg左右。
充放電倍率方面,根據(jù)標(biāo)準(zhǔn) GB/T31486-2015要求動力電池在3C電流強度放電來考核其放電倍率;以2C電流強度充電,且充電時長控制在30min內(nèi),來考核電池的充電倍率特性。主要取決于電池的功率密度大小,由于電池的特性放電倍率遠遠大于充電倍率,而在我國現(xiàn)有的動力電池技術(shù)水平下,能夠?qū)崿F(xiàn)了乘用車用鋰離子電池 2C的充電倍率,按照大功率充電需求,從技術(shù)上、試驗驗證上及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的制定來推動動力電池要達到≥4C的充電倍率。
熱管理方面,主要是對于動力電池的特性的考慮,低溫時無法實現(xiàn)快充,甚至是充電都不能,高溫時快充會導(dǎo)致電池發(fā)熱,故電池的熱管理系統(tǒng)尤為重要,此系統(tǒng)能夠確??斐涞目煽啃院桶踩?。所謂熱管理系統(tǒng),就是通過 BMS的管控使動力電池在低溫的情況下先加熱,加熱到能夠快充的閾值時進行快充;高溫情況下給電池降溫,利用液冷或新型材料的方式來克服快充帶來的發(fā)熱問題,通過熱交換把多余的熱量帶走,以確保電池在全氣候下實現(xiàn)快充功能。
IGBT和MOSFET同為必不可少的功率開關(guān)器件,被稱之為新能源汽車充電樁的“心臟”,IGBT是功率半導(dǎo)體器件第三次技術(shù)革命的代表性產(chǎn)品具有高頻率、高電壓、大電流、易于開關(guān)等優(yōu)良性能,在新能源汽車領(lǐng)域廣泛應(yīng)用在驅(qū)動電機控制器里,而MOSFET基于電流、電壓及成本等方面因素多應(yīng)用與充電設(shè)施里,作為開關(guān)電源模塊的核心器件。為了應(yīng)對大功率要從器件縱向結(jié)構(gòu)、柵極結(jié)構(gòu)以及硅片的加工工藝上優(yōu)化改進。
目前現(xiàn)階段我國國內(nèi)主流的新能源純電動乘用車的高壓平臺范圍均<550Vd.c,而充電電流范圍均<250A,理論上充電功率為 120kW 的充電樁即可滿足目前乘用車的充電需求。如果未來要實現(xiàn)350kW的大功率充電技術(shù),假設(shè)我國現(xiàn)階段的純電動乘用車(120kW充電功率)能夠正常使用的前提下,那么大功率充電樁的功率利用率還不到30%,不僅充電時間不會縮短,而且還會影響大功率充電樁的利用率,因此,提高車輛可負載的電流和電壓成為實現(xiàn)大功率充電的手段。如果大幅度提高電流,會增加純電動乘用車阻性電子元器件的發(fā)熱量,浪費電能不提,但同時對于線束的線徑要求也會提高,而相比之下,提高整車的電壓平臺效果要好一些。而我國的純電動商用車的電壓平臺最高能夠達到 820Vd.c。因此,建議我國乘用車企業(yè)趁著大功率充電還沒有到來之際,首要任務(wù)要將高電壓平臺的產(chǎn)品列入到研發(fā)規(guī)劃之中,甚至可以根據(jù)國內(nèi)電動汽車市場的發(fā)展情況有序地推進研發(fā),并進行技術(shù)可行性的驗證,且不可因為技術(shù)門檻高而不去嘗試。
高壓功率器件主要以IGBT( 絕緣柵雙極型晶體管)為主,如果高壓系統(tǒng)平臺電壓是400Vd.c,那么IGBT電壓等級需要 800Vd.c,國產(chǎn)的產(chǎn)品即可滿足要求。但如果系統(tǒng)電壓是1000Vd.c,IGBT電壓等級需要達到1400Vd.c,國外進口才能采購到滿足要求的零部件,而且國外能生產(chǎn)的企業(yè)也不多,如三菱、英飛凌。目前只有英飛凌的IGBT能夠提高到1700Vd.c,況且壟斷企業(yè)的產(chǎn)品售價也不會便宜。因此,我國的零部件供應(yīng)商就應(yīng)把自身的技術(shù)研發(fā)規(guī)劃與全球純電動汽車的發(fā)展趨勢相結(jié)合,要盡早的突破高壓零部件的技術(shù)障礙,實現(xiàn)國產(chǎn)化,為“彎道超車”做好準(zhǔn)備。
例如未來純電動汽車的續(xù)航里程能夠達到500km,每百公里耗的電量為20kWh,因而,車輛需要搭載100kWh的電量,同時又要保證在350kW的充電功率下,充電時間在10-20分鐘(充電功率設(shè)定在 350kW),就現(xiàn)階段我國純電動車用鋰離子動力電池行業(yè)整體技術(shù)水平而言,面臨的挑戰(zhàn)還是很嚴峻的。首先,從能量密度來說,純電動乘用車電池的單體能量密度至少要達到300Wh/kg,否則對于整車來說100kWh的電量的的重量和體積都是瓶頸;其次,充電倍率也要在>4C,否則無法保證充電的時間。由于鋰離子電池的特性決定了能量密度與充電倍率是不可兼得的,單獨實現(xiàn)高能量密度或較大的充電倍率還比較容易,但要平衡這兩種特性是我國動力電池企業(yè)必須要面對的問題。因此,建議我國動力電池企業(yè)要加大高能量密度快充電池的研發(fā)布局,爭取在 2020年補貼取消之前,研發(fā)出有競爭力的產(chǎn)品,以避免市場被外國產(chǎn)品占領(lǐng)。
大功率充電得以發(fā)展,電壓平臺勢必會提升到 1000 Vd.c,那如果充電設(shè)施仍然給350Vd.c的電壓平臺的車充電,那么充電設(shè)施的利用率只能達到30%,且充電效率也會很低,如何能夠提高充電設(shè)施功率的兼容性是個很關(guān)鍵的問題。需要調(diào)整充電模式的拓撲,使充電設(shè)施能夠在寬電壓范圍內(nèi)的功率兼容和達到高效性。也可以通過搭載不同功率的功率模組來進行小功率調(diào)節(jié)。
目前對于市場上的充電設(shè)施檢驗的制度不夠完善,沒有一個統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)要求,故對產(chǎn)品的安全性、可靠性和兼容性會產(chǎn)生影響。而大功率充電樁會對高壓功率元器件、耐壓等級、絕緣檢測、線纜載流量、充電接口、熱管理、兼容性等方面會有更高的要求,為了確保安全性、可靠性和兼容性,就體現(xiàn)出對于充電設(shè)施認證制度的重要性,希望我國能夠盡早制定充電設(shè)備認證制度,避免產(chǎn)品發(fā)生充電安全事故,確保充電設(shè)施行業(yè)能夠快速安全的發(fā)展。
據(jù)調(diào)查,我國部分整車企業(yè)已經(jīng)規(guī)劃了在2020年研發(fā)上市>500km續(xù)航里程的車型。故對于大功率充電技術(shù)的需求就會十分緊迫,在這段時間里標(biāo)準(zhǔn)委員會需要驗證充電技術(shù)的可能性,并制定相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn),包括高壓大電流線束和連接器、車載充電機、電池管理系統(tǒng)、IGBT、高壓熔斷器、高壓接觸器等。國際電工委員會 TC69MT5-6工作組在荷蘭代爾夫特召開了電動汽車大功率充電國際標(biāo)準(zhǔn)第一次會議。該工作組目標(biāo)就是要實現(xiàn)乘用車大功率充電,對現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)進行全面修訂以適應(yīng)新的技術(shù)要求。我國在標(biāo)準(zhǔn)制定的時候,應(yīng)該更多的參與到國際討論當(dāng)中,以增強國產(chǎn)電動汽車的國際競爭力。
政府主導(dǎo)模式,引領(lǐng)和推動電動汽車及其充電設(shè)施建設(shè)有序發(fā)展政府投資電動汽車充電設(shè)施,其主要目標(biāo)是推動電動汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展,而以盈利為主要目標(biāo),能夠為電動汽車發(fā)展提供強有力的保障和支持。
企業(yè)主導(dǎo)模式,是戰(zhàn)略性新興產(chǎn)品發(fā)展方向,與電動汽車發(fā)展相適應(yīng),充電樁也將隨著電動汽車進一步發(fā)展而獲得相應(yīng)的社會效益和企業(yè)效益。企業(yè)建設(shè)充電設(shè)施,就提前占有了相應(yīng)的資源并獲得了相關(guān)市場。
用戶主導(dǎo)模式,電動汽車用戶可以根據(jù)自身需要建設(shè)充電設(shè)施,實現(xiàn)充電設(shè)施與其自身的電動汽車有效銜接,避免受制于外部充電設(shè)施以及由此給電動汽車運行帶來不利和不便影響。
對于未來大規(guī)模的大功率充電的接入,要從負荷預(yù)測、電源規(guī)劃、電網(wǎng)規(guī)劃等方面來得以應(yīng)對。對于負荷來說,要能夠在傳統(tǒng)負荷預(yù)測的基礎(chǔ)上開發(fā)充電設(shè)施充放電的潛力,要根據(jù)不同電壓平臺、不同電池充電能力以及不同充電方式的行為相對應(yīng)的充電模式,提高符合預(yù)測的精度。對于電源來說,要能夠分析出未來電動汽車發(fā)展規(guī)劃中可再生能源消納的比例,結(jié)合電源結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化。對于電網(wǎng)規(guī)劃來說,充電設(shè)施與電網(wǎng)是相輔相成,為了各地電動汽車發(fā)展的需求,及時調(diào)整不同地區(qū)負荷接入、換電設(shè)施電容量及電力設(shè)計等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。
首先需要電聯(lián)網(wǎng)與車聯(lián)網(wǎng)共同開發(fā)交互接口平臺,通過此平臺能夠獲取電網(wǎng)信息、電動汽車實時狀態(tài)、用戶需求信息和充電設(shè)施實時狀態(tài)等,多維度電動汽車與能源協(xié)同優(yōu)化調(diào)動的策略,并發(fā)送控制指令。并將用戶管理、能量管理、電網(wǎng)管理等側(cè)響應(yīng)機制保障工作運行機制。其次需要將充電運營企業(yè)所制定的電力零售市場交易規(guī)則納入市場交易的計量及核算原則。明確在電力市場交易中需承擔(dān)的責(zé)任和義務(wù)。以價格機制、激勵機制和監(jiān)管機制作為電力輔助服務(wù)電動汽車。
上述方案可考慮在北京、上海和廣州等電動汽車推廣力度比較大的城市進行有序的開展大功率充放電試點。并通過與電網(wǎng)的交互來探索研究電動汽車的互動性,實現(xiàn)電網(wǎng)效率的提升。
目前,電動乘用車大功率充電技術(shù)的發(fā)展所需的條件還不完全具備,規(guī)?;l(fā)展所帶來的問題有很多,必須要將整個電動乘用車行業(yè)的發(fā)展大格局中思考,不僅要開展電動乘用車行業(yè)與充電設(shè)施行業(yè)的緊密合作,還要高度重視大功率充電的技術(shù)發(fā)展趨勢(市場需求、國際競爭)以及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的制定,相關(guān)實驗驗證的重要性,還需解決對于電動汽車整車、電網(wǎng)、充電設(shè)施及高壓關(guān)鍵件的相關(guān)預(yù)研開發(fā)所指出的問題。而每一種需求都將推動大功率充電向更好的方向發(fā)展,大功率充電是技術(shù)發(fā)展的需要,也是對長續(xù)航里程電動汽車的有力保障,使得遠距離出行成為可能,而且大功率充電設(shè)施布局是對現(xiàn)有充電設(shè)施的一個補充,不是完全替代,相信如果兩者能夠取長補短,相互結(jié)合,那么對于電動汽車行業(yè)必定迎來一片藍海。