浅析大功率充电未来发展趋势

刘洋，卢明，李刚

（华晨汽车工程研究院新能源工程室，辽宁 沈阳 110141）

前言

大功率充电的需求是非常明确的，无论国内外，商用车、出租车、网约车等车辆都有非常急切、迫切的需求。另外，国内外在长途旅行上对大功率充电也有一定需求，尤其是欧洲、美国，长途旅行是较常见的一种出行方式，因此对大功率在高速公路上的应用，有非常迫切的需求。而我国除了上述方面的需求外，在一些特大型的城市，如北上广深，由于大多数车主很难找到车位进行充电，所以他们也会对大功率充电有强烈需求。

国际上来说，欧美企业准备第一步在2018年左右，实现＞150kw的大功率充电。在2020年前后，欧美企业将实现＞350kw的大功率充电。相对来讲日本走得很缓慢。目前日本主要还是倾向于150kw左右的充电功率，而350kw的大功率充电计划在2022年以后再实现。日本认为当前不需要着急实现350kw的大功率充电。在这一点上，欧美和日本还存在差别。

中国大功率充电是从2016年开始的。目前由中电联和天汽研两家单位牵头，成立了大功率充电标准委员会，成员包括充电设施厂家、连接器厂家、电缆厂家、车企和电池企业等，将近20家企业参与了这方面工作，对大功率充电技术进行了探讨和研究，也做了相关实验和设计。

目前，已经基本确定了中国大功率充电的目标，并将目标分为近期和远期。经过系统的调研，首先电压平台可能会定在700V左右。对于电动汽车而言，电压平台现在最大的问题是，提升电压平台的零部件，尤其是汽车级应用器件还不能轻易获得。因此，500-700V可能是大功率充电起步点。而对于充电设施而言，再次提升电压，至少对充电设施来讲，较为容易实现。

1 大功率充电概念

大功率充电即High Power Charging简称HPC，行业内对于大功率充电还没有明确的定义，暂定充电功率为350kw，电压平台约 1000Vd.c，充电电流达到 350A，定义为大功率充电，2020年纯电动汽车平均电量为100 kWh，充电倍率≥4C，充电时间约为10-20分钟，可以行驶＞100km，乘用车采用这样的功率充电，充电时间才会与燃油车的加油时间大体相同。

目前电动汽车主要分为两种，第一种是大众市场的纯电动汽车，第二种是高端市场的纯电动汽车，这两种电动汽车的行驶里程是有所不同的。虽然趋势是大功率充电，但是并不是说现在所布局的充电设施、高压零部件未来就没有用武之地，大功率充电想要获得更好地发展，需要高端整车车企或平台产品的支持，所以只有高端电动汽车比例逐渐增加，大功率充电才会有它发展的空间，才会有它发展的市场。

2 大功率充电优势

增加纯电动汽车续航里程、完善我国交通网络的充电设施建设及大功率充电技术完善，三者相辅相成，而若无法实现大功率充电技术，那么车辆配备高容量电池就无意义，其充电速度慢时间长，也不会利于充电设施的建设。

目前我国市面上主流的直流充电桩充电功率均在 60-80 kw，而主流的纯电动乘用车动力电池能量在 50-90kwh。故实际充满电时间约为1-2小时，绝大多数人来说不能忍受长时间的等待，而燃油车加油只需要10-20分钟，从能源补给的便利性来讲还不能与燃油车相比。而采用大功率充电即350kw，能够达到与燃油车加油相同的体验。实现与传统车无缝过渡。

大功率充电的实现对于充电基础设施来说是迫切的需要。对于服务来说，例如60kw的充电设施每天服务10台纯电动车，那么350kw大功率充电设施每天就能够服务60台纯电动车。对于盈利来说，充电设施的利用率提升了，充电时间短、排队时间短，能够快缩短充电设施投资回收周期，服务费也会是之前的6倍左右。

如果350kW大功率充电变为现实，随着电池技术的不断突破，当电动汽车的续航里程达到500km左右时，电动汽车与燃油汽车从使用习惯上来讲已无多少区别。而且随着电动汽车生产成本的下降、碳交易、绿证制度的不断完善、V2G技术的应用，电动汽车的全生命周期成本优势会突显出来，届时电动汽车的市场份额势必会逐渐增加。有利于纯电动汽车的推广。

3 实现大功率充电的要求

3.1 对整车的要求

如果要实现大功率充电技术（假设350kw，1000Vd.c，350A），的途径有三个方向，一是将整车电压平台提高到1000Vd.c，目前国内市场上主流的纯电动乘用车的电压平台范围是 200-550Vd.c，而纯电动商用车电压平台范围在450-850Vd.c，因此要实现整车1000Vd.c，将对高压零部件的开发提出更高的要求。包括绝缘性能、耐压性能、高压系统开发、核心功率器件开发、高压安全风险等相关因素。二是提高电流达到350A，要实现此大电流的需求必须要考虑纯阻性的损耗、高压传输线路（温升、温感、温控）、冷却系统的匹配、热管理系统（稳定性、敏捷性、鲁棒性）、导体材料的使用及选用、幅值和波动的敏感度等相关问题。三是共同提高，需要考虑是否能够采用商务车平台化的零部件及高压架构等技术产品。

3.2 对电网的要求

大功率充电对于电网的安全性也提出了严峻的挑战。从技术角度来讲，电网为 350kW 充电站配电是完全没有问题的。大规模建设大功率充电站可能会存在以下问题。一是大功率充电应用于公共补电，用户充电时间上下班高峰期，容易出现同时充电、同时停止的情况，充电地点绝大程度的取决于行驶的需要，提高电网负荷峰谷差，引起线路过热、跳闸等，这将导致大量负荷被切除；二是由于接入电网时间较短，呈现较为明显的随机性、间歇性特点，对电网需求响应的能力明显下降；三是电动汽车可作为移动储能装置和调峰系统，在电力供应富余时充电，提高电力的利用效率，在用电紧张时放电，缓解用电压力，延缓电网建设投资，提高电网运行效率和可靠性。由于没有场地的限制，电动汽车无法停留进行 V2G（Vehicle-to-grid），导致大量无法接入电网的新能源，也无法通过电动汽车的有序利用或V2G满足电网的调节；四是在节假日、气候变化、重大活动等因素影响下，尤其是发生连锁事故时，发生稳定问题的可能性非常大。

3.3 对充电设施的要求

要实现大功率直流充电需要从电压和电流两个方面来进行提升，由此会对充电桩的设计提出新的要求。

在电压方面，假设纯电动汽车电压平台提升到 1000 Vd.c，那么充电设施的电压等级需要达到整车电压平台的1.2-1.5倍，但在对于充电设施的内部功率元件及重要的电器元件的耐压、绝缘等方面，需要重新设计。

在电流方面，假设从150A提升到350A甚至400A，如果线缆上不采取任何的冷却措施的话，最直接的影响就是电缆将会变粗，充电体验将更会更差。如果在保证电缆规格不变的情况下，那么需要采取一些复杂的措施，例如添加冷却系统。无论是采用线缆外部冷却循环或在线缆内部采用冷却循环，不仅温度可以迅速的下降，而且线缆的重量、粗细程度也有所下降。

在温度方面，当采用大功率充电的时候，单位时间里传输的能量会增加，进而线缆及端子的温升会增加很多，那么需要增加温度检测以及饱和的安全措施在整个电路的设计中，假如能够350kw功率充电，充电效率为95%，发热功率为 350kwX5%=17.5kw，如果不能够及时处理热管理的话，可能会造成较大的安全事故。对于温升来说，欧洲的标准要求充电过程中任何检测点的温度＜120℃，而我国要求相对的严苛一些温度≥95℃，1分钟时间后会立即启动保护、降功率甚至是停机。

在兼容性方面，首要考虑的是直流充电接口，在国标GB/T 20234.3-2015中规定额定电流最大为250A，那么问题有以下几点，一是否要全新设计大功率充电接口还是更改优化当前直流充电接口，需要进行反复的评审讨论。二通讯协议问题是否能够支持＞400A的电流，同样也需要讨论验证。三充电桩内部是由多个功率模块组成，而目前国内充电桩企业的内部功率模块通常采用15kw或20kw对于350kw大容量的充电桩来说，需要全新开发30kw-40kw的独立模块，模块之间任意组合。这样更能够优化装配及维护。四宽范围的功率兼容性，能够智能分配充电的功率，既可以满足未来大功率充电的需要，也能够满足非大功率充电的需要。

在流速度方面，根据GB/T18487.1-2015中规定，在充电阶段，车辆控制装置向非车载充电机控制装置实时发送电池充电需求参数，调整充电电流下降时：I＞20A时，最长在I/dlmin内将充电电流调整到与命令值相一致， 目前 dlmin的标准值为20安/秒。如果在充电电流为350A-400A的情况下，电流不能在规定的时间里降下来，很有可能会造成电池过充，进而对电池的使用寿命和安全性会造成不小的影响。故需要与标准委员会讨论对于大功率充电过程中电流速度的重新定义。

3.4 对动力电池的要求

假设未来纯电动汽车的续航里程能够达到500km，百公里消耗20kWh，从整车需求的角度配备的电量约为100kWh。目前从用户实际使用角度来说，大致分为两种情况：一是补电。即来即充，只需要所充的电量能够跑到指定地点即可。对于这种情况来说，按照燃油车的使用习惯，即加油时间为8-15分钟，换算到充电倍率约为2C，充电功率为200kW，就我国目前的状态是能够实现的。二是充满。同样按照汽油车的加油习惯，加油时间10-20分钟为例，充电倍率需要≥4C，充电功率需要300-500kW之间，目前我国并没有针对大功率充电的相关标准，故需要重新制定与大功率充电相关的标准。

能量密度是动力电池重要的指标之一。而我国锂离子电池的能量密度大约在140Wh/kg，如果要搭载100kWh的电量的话，电池系统的重量约 700kg，这个参数对于车企来说是不能够接受的。另外，在国内目前的动力电池能量密度和纯电动乘用车的技术水平下，如何能够利用车内的空间来搭载100kWh的电量所面临的挑战还是比严峻的。未来提高电池的能量密度也是电池研发中的重中之重，需要电池的能量密度要达到400Wh/kg左右。

充放电倍率方面，根据标准 GB/T31486-2015要求动力电池在3C电流强度放电来考核其放电倍率；以2C电流强度充电，且充电时长控制在30min内，来考核电池的充电倍率特性。主要取决于电池的功率密度大小，由于电池的特性放电倍率远远大于充电倍率，而在我国现有的动力电池技术水平下，能够实现了乘用车用锂离子电池 2C的充电倍率，按照大功率充电需求，从技术上、试验验证上及相关标准的制定来推动动力电池要达到≥4C的充电倍率。

热管理方面，主要是对于动力电池的特性的考虑，低温时无法实现快充，甚至是充电都不能，高温时快充会导致电池发热，故电池的热管理系统尤为重要，此系统能够确保快充的可靠性和安全性。所谓热管理系统，就是通过 BMS的管控使动力电池在低温的情况下先加热，加热到能够快充的阈值时进行快充；高温情况下给电池降温，利用液冷或新型材料的方式来克服快充带来的发热问题，通过热交换把多余的热量带走，以确保电池在全气候下实现快充功能。

3.5 对功率元件的要求

IGBT和MOSFET同为必不可少的功率开关器件，被称之为新能源汽车充电桩的“心脏”，IGBT是功率半导体器件第三次技术革命的代表性产品具有高频率、高电压、大电流、易于开关等优良性能，在新能源汽车领域广泛应用在驱动电机控制器里，而MOSFET基于电流、电压及成本等方面因素多应用与充电设施里，作为开关电源模块的核心器件。为了应对大功率要从器件纵向结构、栅极结构以及硅片的加工工艺上优化改进。

4 对于发展大功率充电的建议

4.1 高电压平台研发

目前现阶段我国国内主流的新能源纯电动乘用车的高压平台范围均＜550Vd.c，而充电电流范围均＜250A，理论上充电功率为 120kW 的充电桩即可满足目前乘用车的充电需求。如果未来要实现350kW的大功率充电技术，假设我国现阶段的纯电动乘用车（120kW充电功率）能够正常使用的前提下，那么大功率充电桩的功率利用率还不到30%，不仅充电时间不会缩短，而且还会影响大功率充电桩的利用率，因此，提高车辆可负载的电流和电压成为实现大功率充电的手段。如果大幅度提高电流，会增加纯电动乘用车阻性电子元器件的发热量，浪费电能不提，但同时对于线束的线径要求也会提高，而相比之下，提高整车的电压平台效果要好一些。而我国的纯电动商用车的电压平台最高能够达到 820Vd.c。因此，建议我国乘用车企业趁着大功率充电还没有到来之际，首要任务要将高电压平台的产品列入到研发规划之中，甚至可以根据国内电动汽车市场的发展情况有序地推进研发，并进行技术可行性的验证，且不可因为技术门槛高而不去尝试。

4.2 高压功率器件的研发

高压功率器件主要以IGBT（ 绝缘栅双极型晶体管）为主，如果高压系统平台电压是400Vd.c，那么IGBT电压等级需要 800Vd.c，国产的产品即可满足要求。但如果系统电压是1000Vd.c，IGBT电压等级需要达到1400Vd.c，国外进口才能采购到满足要求的零部件，而且国外能生产的企业也不多，如三菱、英飞凌。目前只有英飞凌的IGBT能够提高到1700Vd.c，况且垄断企业的产品售价也不会便宜。因此，我国的零部件供应商就应把自身的技术研发规划与全球纯电动汽车的发展趋势相结合，要尽早的突破高压零部件的技术障碍，实现国产化，为“弯道超车”做好准备。

4.3 快充电池研发

例如未来纯电动汽车的续航里程能够达到500km，每百公里耗的电量为20kWh，因而，车辆需要搭载100kWh的电量，同时又要保证在350kW的充电功率下，充电时间在10-20分钟（充电功率设定在 350kW），就现阶段我国纯电动车用锂离子动力电池行业整体技术水平而言，面临的挑战还是很严峻的。首先，从能量密度来说，纯电动乘用车电池的单体能量密度至少要达到300Wh/kg，否则对于整车来说100kWh的电量的的重量和体积都是瓶颈；其次，充电倍率也要在＞4C，否则无法保证充电的时间。由于锂离子电池的特性决定了能量密度与充电倍率是不可兼得的，单独实现高能量密度或较大的充电倍率还比较容易，但要平衡这两种特性是我国动力电池企业必须要面对的问题。因此，建议我国动力电池企业要加大高能量密度快充电池的研发布局，争取在 2020年补贴取消之前，研发出有竞争力的产品，以避免市场被外国产品占领。

4.4 充电设备兼容性的研发

大功率充电得以发展，电压平台势必会提升到 1000 Vd.c，那如果充电设施仍然给350Vd.c的电压平台的车充电，那么充电设施的利用率只能达到30%，且充电效率也会很低，如何能够提高充电设施功率的兼容性是个很关键的问题。需要调整充电模式的拓扑，使充电设施能够在宽电压范围内的功率兼容和达到高效性。也可以通过搭载不同功率的功率模组来进行小功率调节。

目前对于市场上的充电设施检验的制度不够完善，没有一个统一的标准要求，故对产品的安全性、可靠性和兼容性会产生影响。而大功率充电桩会对高压功率元器件、耐压等级、绝缘检测、线缆载流量、充电接口、热管理、兼容性等方面会有更高的要求，为了确保安全性、可靠性和兼容性，就体现出对于充电设施认证制度的重要性，希望我国能够尽早制定充电设备认证制度，避免产品发生充电安全事故，确保充电设施行业能够快速安全的发展。

4.5 标准的制定

据调查，我国部分整车企业已经规划了在2020年研发上市＞500km续航里程的车型。故对于大功率充电技术的需求就会十分紧迫，在这段时间里标准委员会需要验证充电技术的可能性，并制定相关的标准，包括高压大电流线束和连接器、车载充电机、电池管理系统、IGBT、高压熔断器、高压接触器等。国际电工委员会 TC69MT5-6工作组在荷兰代尔夫特召开了电动汽车大功率充电国际标准第一次会议。该工作组目标就是要实现乘用车大功率充电，对现有的标准进行全面修订以适应新的技术要求。我国在标准制定的时候，应该更多的参与到国际讨论当中，以增强国产电动汽车的国际竞争力。

4.6 运行模式

政府主导模式，引领和推动电动汽车及其充电设施建设有序发展政府投资电动汽车充电设施，其主要目标是推动电动汽车产业发展，而以盈利为主要目标，能够为电动汽车发展提供强有力的保障和支持。

企业主导模式，是战略性新兴产品发展方向，与电动汽车发展相适应，充电桩也将随着电动汽车进一步发展而获得相应的社会效益和企业效益。企业建设充电设施，就提前占有了相应的资源并获得了相关市场。

用户主导模式，电动汽车用户可以根据自身需要建设充电设施，实现充电设施与其自身的电动汽车有效衔接，避免受制于外部充电设施以及由此给电动汽车运行带来不利和不便影响。

4.7 电力规划

对于未来大规模的大功率充电的接入，要从负荷预测、电源规划、电网规划等方面来得以应对。对于负荷来说，要能够在传统负荷预测的基础上开发充电设施充放电的潜力，要根据不同电压平台、不同电池充电能力以及不同充电方式的行为相对应的充电模式，提高符合预测的精度。对于电源来说，要能够分析出未来电动汽车发展规划中可再生能源消纳的比例，结合电源结构进行优化。对于电网规划来说，充电设施与电网是相辅相成，为了各地电动汽车发展的需求，及时调整不同地区负荷接入、换电设施电容量及电力设计等相关标准。

4.8 调度运行

首先需要电联网与车联网共同开发交互接口平台，通过此平台能够获取电网信息、电动汽车实时状态、用户需求信息和充电设施实时状态等，多维度电动汽车与能源协同优化调动的策略，并发送控制指令。并将用户管理、能量管理、电网管理等侧响应机制保障工作运行机制。其次需要将充电运营企业所制定的电力零售市场交易规则纳入市场交易的计量及核算原则。明确在电力市场交易中需承担的责任和义务。以价格机制、激励机制和监管机制作为电力辅助服务电动汽车。

上述方案可考虑在北京、上海和广州等电动汽车推广力度比较大的城市进行有序的开展大功率充放电试点。并通过与电网的交互来探索研究电动汽车的互动性，实现电网效率的提升。

5 结论

目前，电动乘用车大功率充电技术的发展所需的条件还不完全具备，规模化发展所带来的问题有很多，必须要将整个电动乘用车行业的发展大格局中思考，不仅要开展电动乘用车行业与充电设施行业的紧密合作，还要高度重视大功率充电的技术发展趋势（市场需求、国际竞争）以及相关标准的制定，相关实验验证的重要性，还需解决对于电动汽车整车、电网、充电设施及高压关键件的相关预研开发所指出的问题。而每一种需求都将推动大功率充电向更好的方向发展，大功率充电是技术发展的需要，也是对长续航里程电动汽车的有力保障，使得远距离出行成为可能，而且大功率充电设施布局是对现有充电设施的一个补充，不是完全替代，相信如果两者能够取长补短，相互结合，那么对于电动汽车行业必定迎来一片蓝海。