純電動乘用車大功率充電技術(shù)需求分析

王伯軍 李威 梁士福

（中國第一汽車集團有限公司 新能源開發(fā)院，長春 130013）

主題詞：電動汽車 大功率充電 需求分析 充電功率

1 前言

隨著中央政府的大力支持，各方的不懈努力，我國電動汽車市場獲得快速發(fā)展。根據(jù)公安部發(fā)布機動車保有量數(shù)據(jù)，截止2018年底，全國新能源汽車保有量達261萬輛，純電動汽車保有量211萬輛，占新能源汽車總量的81.06%。然而電動車單次充電用時長、續(xù)駛里程短的問題仍然是制約電動車發(fā)展的關(guān)鍵因素。為解決用戶單次充電時間長，緩解用戶充電和里程焦慮問題，發(fā)展大功率充電技術(shù)得到國內(nèi)外行業(yè)參與者的普遍共識。

在細分領(lǐng)域，由于純電動公交車、物流車、旅游客車等純電動商用車多有固定路線，運營者會根據(jù)實際情況對充電基礎(chǔ)設(shè)施進行配比，因此純電動商用車充電問題并不十分突出。相反，純電動乘用車應(yīng)用場景更加廣泛，且充電功率低，充電時間長，解決純電動乘用車的充電問題需求更加強烈。因此本文主要對純電動乘用車大功率充電技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀進行論述，并依據(jù)用戶實際使用需求、車輛和充電設(shè)施的充電技術(shù)情況，對純電動乘用車所應(yīng)達到的大功率充電技術(shù)要求進行研究和分析，為我國電動車行業(yè)大功率充電技術(shù)的發(fā)展提供意見。

2 大功率充電技術(shù)現(xiàn)狀

2.1 大功率充電概念

目前大功率充電并無明確定義。現(xiàn)階段電動車快充時間在30～60 min左右。大功率充電目的是通過提升車輛充電功率的方式，將電動汽車短時間充電縮短至15 min以內(nèi)，以解決用戶的充電焦慮。從技術(shù)角度，純電動乘用車使用的大功率充電技術(shù)采用的依舊是傳統(tǒng)直流傳導(dǎo)式充電方案，其區(qū)別就在于現(xiàn)有充電技術(shù)和標準已經(jīng)無法滿足大功率充電要求，大功率充電涉及到大功率充電連接組件冷卻技術(shù)、充電通信控制技術(shù)、大功率充電機、動力電池熱管理、電動汽車電壓等級、電網(wǎng)協(xié)調(diào)等技術(shù)的提升。

電動車方面，目前純電動乘用車的電壓平臺普遍在240～500 V之間，充電電流＜250 A，充電功率普遍低于100 kW[1]，電壓或者電流的提升都需要對現(xiàn)有車輛充電相關(guān)系統(tǒng)和總成進行升級。

充電設(shè)施方面，根據(jù)國家標準要求，目前國內(nèi)充電樁產(chǎn)品輸出電壓最高在可達950 V，充電電流＜250 A，單槍輸出功率≤237.5 kW[2]，電壓或者電流的提升，同樣需要對充電設(shè)備軟硬件進行重新開發(fā)。

因此本文將充電功率超過100 kW的電動乘用車和單槍輸出功率超過237.5 kW的充電設(shè)備定義為大功率充電的范疇。

2.2 發(fā)展現(xiàn)狀

2016年，歐洲首次提出350 kW大功率充電概念，大眾、寶馬、戴姆勒、奧迪等整車制造企業(yè)聯(lián)合成立合資公司IONITY，建設(shè)大功率充電網(wǎng)絡(luò)。目前，奔馳、奧迪、Tesla已經(jīng)發(fā)布大功率充電車型，歐美多家充電設(shè)備企業(yè)已經(jīng)開始投建大功率充電設(shè)備。

2017年7月，中電聯(lián)標準化管理中心牽頭成立中國電動汽車大功率充電技術(shù)與標準預(yù)研工作組，國內(nèi)參與大功率充電技術(shù)研究主要有北汽、一汽、比亞迪、南瑞、星星充電、許繼、奧特迅、沃爾、中航光電、南京康尼等20余家電動汽車充電相關(guān)企業(yè)。

2018年8月23日，日本Chademo與中電聯(lián)簽署合作備忘錄，重點推進大功率充電領(lǐng)域的合作，中日將共同制定大功率充電相關(guān)標準，預(yù)計2020年，日本能夠推出首款150～200 kW級大功率充電樣車。

2019年1月，國家電網(wǎng)大功率充電示范站的建成，以及同期一汽、北汽大功率試制樣車的推出，宣布中國大功率充電技術(shù)取得階段性成果。

目前國內(nèi)外大功率充電車企和充電設(shè)施企業(yè)技術(shù)現(xiàn)狀見表1和表2。

綜合對比各地區(qū)大功率充電技術(shù)現(xiàn)狀，可以看出：

（1）歐美已經(jīng)實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，處于領(lǐng)先地位，中國正在逐步趕上，日本仍處于起步階段；

（2）充電設(shè)施輸出能力明顯高于車輛充電能力，說明車輛端實現(xiàn)大功率技術(shù)難度更高。

表1 車企大功率充電技術(shù)現(xiàn)狀

表2 充電設(shè)施企業(yè)大功率充電技術(shù)現(xiàn)狀

3 純電動乘用車大功率充電技術(shù)需求分析及建議

3.1 用戶需求

3.1.1 快速補電需求

乘用車包括私家車、出租車、租賃車和公務(wù)車，2018年，我國純電動乘用車月均快充數(shù)量和比例見表3。

表3 2018年我國純電動乘用車月均快充車次占比統(tǒng)計[9]

以上數(shù)據(jù)可以看出：

（1）出租車表現(xiàn)出明顯快充意愿。由于充電時間直接影響其運營收益，所以出租車用戶有明顯的快速補電需求；

（2）私家車快充比例低，但是用戶基數(shù)大，快充用戶數(shù)量很多，快速補電需求同樣明顯。此部分用戶應(yīng)屬于沒有便捷慢充資源的用戶，需要去公共快充站進行充電；

（3）租賃車和公務(wù)車的快充比例都在40%左右，但并無明顯快速補電需求特征。有固定人員和地點進行充電的運營方式可能是這兩類車型對快速補電需求不明顯的原因。

3.1.2 續(xù)駛里程需求

對有明顯快速補電需求的出租車和私家車續(xù)駛里程進行分析。

我國私家車日均續(xù)駛里程低于45 km[9]，一周補電一次的話，續(xù)駛里程350 km左右能夠滿足私家車用戶需求。

出租車單班日均里程257 km，雙班單日總里程不超過400 km[10]，歇班或者交接班補電一次，續(xù)駛里程300 km左右的車型即可滿足其需求。

純電動乘用車實際續(xù)駛里程與工況續(xù)駛里程相差17～30%[9]，因此可以得出，滿足出租車和私家車用戶對于車輛續(xù)駛里程的需求，見表4

表4 出租車和私家車用戶續(xù)駛里程需求

3.1.3 充電時間需求

據(jù)中德電動汽車充電項目在2016年對634名電動汽車用戶進行的問卷調(diào)查顯示，87%的用戶希望能夠在30 min內(nèi)充滿80%電量，而44%的受訪者更是希望充電時間能夠縮短到15 min以內(nèi)。

圖1 用戶希望電池充滿80%時間[1]

因此，我們把15 min充電80%，同時續(xù)駛里程350～500 km的車型作為用戶的需求進行分析。

3.2 技術(shù)需求

3.2.1 充電功率

對工信部公布的第21、22、23批免征購置稅車輛中續(xù)駛里程350～500 km的85輛車的整備質(zhì)量分別進行統(tǒng)計分析，得到各里程車型的平均整備質(zhì)量。

按照公式（1）計算出各車型滿足二階段電耗要求[11]的充電功率。

式中，P為充電功率，n為充電倍率=3.2 C，K為不同整備質(zhì)量車輛對應(yīng)電耗，S為續(xù)駛里程。

圖2 不同續(xù)駛里程車型整備質(zhì)量

根據(jù)上式計算結(jié)果見表5，

表5 滿足二階段電耗要求的充電功率

顯然，250 kW的充電功率已經(jīng)能夠滿足用戶快速補電的需求。

3.2.2 電壓平臺和充電電流

充電功率=充電電流×電池電壓，因此要提升充電功率務(wù)必要提升電池電壓或者充電電流。

電池電壓由整車高壓系統(tǒng)電壓平臺決定，受高壓總成部件功率器件電壓等級影響，受限部件成熟度和成本因素影響，目前大部分乘用車高壓系統(tǒng)最高電壓在450 V左右，通過使用更高電壓等級的功率器件，預(yù)計可將系統(tǒng)最高電壓提升到了750 V左右。而電池總成電壓=電池單體電壓×單體串聯(lián)數(shù)量，三元鋰離子電池單體額定電壓一般在3.6～3.8 V之間，最高電壓4.3 V左右，由此可得出表6兩個電壓平臺

表6 電壓平臺

由充電功率和電池電壓，可得出不同續(xù)駛里程車輛對應(yīng)兩種電壓平臺下的充電電流（表7）。

表7 充電電流

3.3 開發(fā)建議

按照上述分析結(jié)果，無論采取哪種電壓平臺，充電電流都將超過250 A，因此升流是必然選擇，然而僅升流的話，充電電流值將達到600 A級別，這將對整個充電系統(tǒng)的熱管理帶來巨大挑戰(zhàn)。因此，建議車企大功率充電可分三步走：

（1）短期內(nèi)各車企在現(xiàn)有電壓平臺基礎(chǔ)上，將大功率充電目標定在150 kW左右，提升充電電流至350～400 A，滿足400 km左右車型15 min充滿80%的需求，同時解決電流提升后的充電系統(tǒng)熱管理問題，包括充電設(shè)備、充電接口、高壓電連接組件和電池的熱管理。

（2）對750 V的高壓總成部件進行前瞻性技術(shù)研究，解決高壓化后產(chǎn)生的電氣安全問題，包括總成耐壓、電氣間隙、系統(tǒng)絕緣等。待高壓化的總成部件具備產(chǎn)業(yè)化條件后，適時提升系統(tǒng)電壓，將充電功率提升至250 kW左右，滿足500 km左右車型15 min充滿80%的需求。

（3）待各項大功率充電相關(guān)技術(shù)成熟度和產(chǎn)業(yè)化程度較高時，再進一步將充電功率提升至350～500 kW，滿足600 km以上車型10～15 min充滿80%的需求。

4 結(jié)束語

目前，我國純電動乘用車大功率技術(shù)已經(jīng)取得很大進步，但距離實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化還有一段時間。除了上述提到的提升電壓、電流帶來的電氣安全、熱安全問題和高壓化功率器件產(chǎn)業(yè)化問題外，還需要考慮電網(wǎng)負荷、大功率充電設(shè)備產(chǎn)業(yè)化時間、標準制定和發(fā)布時間、電池技術(shù)的發(fā)展等等一系列問題。

隨著我國政府的大力支持以及國內(nèi)電動汽車充電相關(guān)行業(yè)快速發(fā)展，未來電動汽車充電像加油一樣快速便捷已經(jīng)不是夢。