电动汽车大功率充电设施技术研究

茹永刚

(西安特锐德智能充电科技有限公司，陕西 西安 710000)

0 引言

传统燃油汽车的电气化方向已经在全球达成共识，中国、日本、欧洲和美国都制定了明确的产品技术路线，可以预期电动汽车在不远的几年内，会得到快速的发展，甚至超过燃油车的销量。这个趋势是非常明确的，但在快速发展的趋势后面，仍然存在着影响电动汽车全面普及的一些问题，只有这些问题的合理解决，才可以真正让电动汽车媲美或者全面超越燃油车，让用户从心里愿意选择电动汽车。在这些问题里面，电动汽车的续航里程和充电时间无疑是最主要的两个问题。

随着电池技术的发展，电动汽车的续航里程和充电倍率在这几年都得到了快速的提高，而且仍将是未来电动汽车关键技术的主要突破方向。而无论是续航里程的增加或者充电倍率的提高，都要求有更大的充电功率来配套。所以电动汽车的大功率充电也一定是充电设施发展非常重要的方向。但充电功率需求的持续增加，也给充电行业标准、充电设施、高压配电器件及充电连接器等等一系列的环节提出了更高的要求。本文旨在阐述和探讨电动汽车大功率充电设施的技术发展现状以及如何更好地应对电动汽车对大功率充电的需求。

1 大功率充电设施的现状

1.1 大功率充电设施的定义

电动汽车直流大功率充电在行业内中还没有正式的官方定义，行业中通常指单枪充电功率在350 kW或以上，充电电流大于400 A的充电方式为直流大功率充电。

大功率充电的主要应用场景为：高速路充电站；服务于城市出租、物流车、长途车、分时租赁车等运营类电动汽车的充电站；服务于城市内无固定停车位的电动乘用车充电站；服务于配置有类似钛酸锂等可大倍率充电的城市公交车充电站。

1.2 国外大功率充电设施的现状

欧洲市场，欧盟计划开启一项名为超快速充电网的项目，项目将建造连接荷兰、比利时、德国、奥地利等国的快速充电站网络。此计划将于 2018年完工，预计花费1 300万欧元。计划中的充电站点的输出功率都可以达到350千瓦时，是特斯拉超级充电桩功率的2倍以上，是欧洲目前大多数标准充电桩功率的7倍以上，这一计划的主要参与者包含了宝马、戴姆勒、奥迪等欧洲主流车企。

美国市场，2017年1月份，Evgo宣称启动全球首个 350 kW 充电站建设。作为美国最大的电动汽车充电运营服务商，ChargePoint也在2017年早些时候宣布，将推出 400 kW 的大功率充电系统Express Plus，该平台将主要针对电动公共汽车、电动卡车和有快速充电需求的乘用车用户。这些充电桩将在15 min内为车辆增加数百英里的行车距离。而特斯拉的目标是将充电时间减小到5～10 s，由此可以推出，需求的充电功率将超过350 kW。

1.3 国内大功率充电设施的现状

从充电设施来说，国内其实很早就在电动商用车充电场合实现了大于 350 kW的充电功率。这种充电往往都是通过多枪(两枪到四枪等)及充电弓的方式实现，充电功率最高已经超过480 kW，充电电流达到600 A以上。主要车型大都是基于诸如钛酸锂这类可以大倍率充电的商用车。这方面国内与国际同行的技术平齐甚至在国内已经超前国际技术发展。

而在乘用车方面，由于国内电池厂、主机厂技术及市场定位的原因，目前绝大部分的充电功率仍然在100 kW以下。比亚迪E6算是在国内充电功率和续航里程比较大的乘用车，最大的充电功率也只有70 kW，这方面我们与国际大品牌(特斯拉、保时捷等)之间逐渐有较大的差距，同时由于市场没有车型进行匹配，乘用车的大功率充电技术和充电网络建设远远落后于国外水平。

2 大功率充电面临的问题及解决方案

2.1 大功率充电设施的组成

充电设施主要包含以下几大部分：高低压配电、充电模块、系统散热及防护、BMS通讯板、计量系统、系统监控及充电线缆等。随着充电功率的逐步增加，对很多部分的设计都提出新的要求，影响最大的是系统散热及防护、充电枪、高低压配电和充电模块。接下来分别从这些方面来研究一下大功率充电需要考虑和解决的问题。

2.2 大功率充电设施与电动汽车充电接口的问题及解决方案

2015版GB/T 20234标准在直流充电充电电流接口标准中增加了400 A，但实际国内无论是车厂、连接器厂家还是充电设施运营商，最大的充电电流仍然是 250 A，大功率充电枪头方面仍然面临技术上的问题。

图1 充电设施的组成Fig.1 Composition of charging facilities

但是在单枪实现 350 kW 充电功率的技术得到突破之前，仍然有其他方案可以暂时解决大功率充电的问题。在这个问题上，乘用车与商用车应该区别来看，对于新能源乘用车，目前国内大部分乘用车的电池 pack电压大部分仍然处于300～500 V之间，最大充电功率仍然在50 kW左右。所以，对于乘用车，大功率化最简单的方式就是提高母线电压，按照目前的器件水平，完全可以支撑乘用车电压达到 600 V，这样在现有充电连接器不变的情况下，充电功率可以比较容易地实现150 kW，而这方面国外车企走得会更激进一点，比如保时捷在2019年将推出的 Mission E的电池电压将达到800 V，实现15 min充满 80%电量的速度，充电功率将达到350 kW。

而对于商用车，不应该局限充电枪一种连接方式，目前有多枪充电、充电弓充电等方式，充电功率可以比较容易地达到500 kW以上。实际上，对于商用车，由于大部分是固定地点充电，最合理的方式应该是充电弓的方式，既解决了充电枪电流限制的问题，又可以解决人工插枪笨重不方便等很多的问题。

2.3 充电模块功率等级的问题的及解决方案

目前行业中主流的充电模块仍然是15 kW，部分系统开始启用20 kW的充电模块。但随着单车充电功率需求的进一步增加，比如350 kW，如果仍然采用15 kW的模块，则意味着系统需要24个模块充电模块的并联，从成本角度来说并不是最合理的设计。35 kW(对于350 kW系统)功率等级甚至更大应该是更加合理的选择。

在器件平台的选择上，在30 kW以下的充电模块仍然比较容易使用更低成本的 MOSFET器件平台。当模块功率超过30 kW时，MOSFET的平台已经不太合适，除非采用交错并联的拓扑，否则需要大量的MOSFET并联来实现大电流的开关。未来对于更大功率的充电模块，一方面是宽禁带的第三代半导体材料(比如SIC或者GaN)将会有更大使用，这些新器件的使用，会进一步提高充电系统的效率；另一方面是大功率的IGBT模块的解决方案，但会带来成本及模块体积的增加。

2.4 系统防护面临的问题

电动汽车直流充电系统是专业化的工业系统，但是实际上的使用环境又往往都处于非常恶劣的民用环境下，按照现在通用的 IP54防护等级要求来说，系统的长期可靠性会面临很大的问题。特别是对于未来的大功率充电系统，以350 kW 为例，额定条件下系统效率按照95%算，则系统的总发热功率将达到18.5 kW，如果按照最恶劣条件来计算(往往发生在最低输入电压条件下)，总的发热功率有可能达到26 kW。这么大的发热功率必然要求更有效的散热手段，一方面系统的发热量都能够有效地散出去，保证所有的元器件都在安全的温度降额之内，另一方面又要保证系统内部防护敏感器件(PCB、SMD器件等)足够高的防护等级。如果还是延续目前的散热方式(直通风)和防护等级(IP54)，必然导致设备未来长期可靠性问题。

所以为了提高系统的长期可靠性，大功率充电系统需要采用更高防护等级的散热方式，比如液冷、热交换或者几种散热方式的混合等。

同时，对于大功率充电系统，无论是从系统设计、现场安装、设备维护方面还是从用户体验方面来说，分体式设计都将更加适合。所以，以后的大功率充电设施将更多地以分体式的形式呈现。

2.5 系统安全方面的考虑及解决方案

电动汽车的安全问题在任何时候都应该是最重要的事情，同时电动汽车的安全应该是一个系统工程，这个系统中包含了用户、电池、电网、充电设备、信息安全及车辆安全。而大功率充电系统的电压高、电流大，对系统的安全设计要求很高。

图2 充电动汽车充电的安全是一个系统工程Fig.2 Safety for EV charging is a systems engineering

对用户的考虑，随着充电电压的提高，要求设备具有更高的电气间隙和爬电距离设计，保证人身的绝对安全，系统直流对地绝缘检测要求更加的可靠和快速，同时，随着充电功率的大幅增加，还需要考虑音响噪音和电磁辐射对周边环境的影响在一个可接受的范围之内。

电池方面，对于大功率充电，要求电池充电倍率能够达到5～10 C，而充电倍率的增加，是在所有影响安全的因素中最重要的因素。随着充电功率的增加，诸如 BMS设计、系统主动防护设计、系统关键部位的检测设计等等都要求重新考虑，比如充电设备对 BMS的充电指令响应更加快速，或者BMS对电池的管理必须要考虑到充电设备的响应时间因素，防止因为响应过慢导致对电池的过充。

设备方面，随着充电电流的增加，系统内部的接触损耗会以电流平方倍的关系增加，从直流输出到电池端口任何地方接触不可靠都会迅速导致热量的集中产生，带来起火的重大事故。所以，一方面关键部分的连接器设计要保证绝对的可靠，另一方面，要保证系统内足够多的关键部位温度异常检测设计。

2.6 运营商的经济效益问题

在有足够多的大功率充电电动汽车的情况下，大功率充电设施无疑会大幅提高充电运营商的服务能力和每天的服务费收入。

但实际情况是，国内目前能够实现大功率充电的车辆太少，即便是充电服务运营商目前投建的小功率充电桩，设备利用率仍然只有不到10%的水平，大部分投建的设备仍然处于闲置的状态，单纯的大功率充电设施会让设备闲置率和充电运营商的投资成本更高。

另外，关于服务费方面，国内目前的收费完全按照充电度数来计算，所以无论是 3.3 kW 的交流充，还是 120 kW 的大功率充电，度电服务费都是一样的。但实际上，小功率充电设施和大功率充电设施的投资成本有着巨大的差异(设备费用、维护费用、电力扩容费用、工程安装费用等)，同时，对于直流设备的计量，是在直流输出端进行计量，所以相比于交流充电设备，直流充电设备每度电要多承担5%的电力损耗费用。

未来，由于大功率充电设施带给用户更好的体验，运营商在设备和维护、电力扩容方面更多的投入，大功率充电的度电服务费应该要高于慢充和小功率充电服务。而在充电设施的建设过程中，一定要有长远的眼光，在一些适合建设大功率充电的场合，一定要在产品方案上兼容现有小功率充电和未来大功率充电的两种不同需求，避免投资浪费。

2.7 电网的冲击及应对策略

从总的充电电量来说，假设中国现有机动车(2017年保有量1.9亿辆)全部更换电动汽车，每辆车每年的平均行驶里程按照15 000 km计算，百公里平均耗电按照15度电计算，则这些电动汽车带来的每年新增用电需求约为4 300亿度电，占2016年实际总发电量6万亿度电的约7%，可以说，影响并不是很大。

从充电功率来看，根据博思数据发布的《2017-2022年中国加油站市场监测及投资前景研究报告》，2016年中国中国加油站的总数量为98 000座，加气站的总数量接近7 000座。 如果考虑实现充电与加油相同的体验，也就是把所有这些加油站和加气站(每个站通常 12把枪)全部更换为 350 kW的大功率充电枪，然后考虑50%的利用率，则充电功率的峰值将达到2.3亿kW，占2016年全国总装机容量的14%(当然所有枪不会同时充电)。

因此，从以上的分析来看，大功率充电从装机容量方面的影响要大于电量的影响。而对于如何解决大功率充电对电网装机容量的影响在第3节进行介绍。

3 大功率充电带来的机遇

3.1 大功率充电将有利于解决电动车主的充电担忧问题。

用户对电动汽车续航里程和充电便捷性的担忧极大地影响着电动汽车的普及。国内现有乘用车即便采用直流快充技术，仍然需要至少1 h以上的等待时间，这个时间对于高速路、出租车等很多用户是无法忍受的。随着电池技术及大功率快充技术的发展和普及，充电时间可以缩短到10～20 min甚至更短，让电动汽车充电和燃油车加油有着类似的用户体验，可以很好地解决用户的充电担忧问题。

同时，现有的小功率充电需要依靠充电桩的量来解决慢的问题，国内的充电运营商也的确是建设了大量的充电桩。但现实情况是，一方面，电动汽车车主在喊“无桩可用”，而另一方面，充电运营企业投建的充电桩却躺着睡大觉，充电利用率普遍在10%以下(行业统计平均值应该在5%左右)，投资回收遥遥无期。主要的原因就是现有的城市土地和电力资源无法满足充电桩大量建设的要求，或者说现有的政策不支持充电桩的到处铺建。所以导致了可以建桩的地方没有车，有车的地方没有资源建桩，而大功率充电的实现，可以大大减小充电桩数量上的需求。

3.2 大功率充电将促使乘用车与商用车电压平台趋于一致，大大提高充电设施与车辆类型的兼容性。

我国老版充电标准中，乘用车和商用车的电压标准及辅助电源标准都有所差异，2015版的新版标准将辅助电源统一为12 V/10 A，但电压仍然有三个电压等级(500 V、700 V 和 950 V)。导致的结果是充电设施不统一，市场上会存在3种充电设施，造成投资的浪费。

但随着电池技术的不断进步，电动汽车续航里程和充电时间会不断改善，为缩短充电时间，乘用车的充电电压会逐步从现在的300 V电压逐步提升到600 V以上的电压，比如保时捷mission E车型的电池电压已经高达 800 V。这样，乘用车和商用车将在充电设施上实现统一，最直接的好处就是在高速路服务区不用既要为乘用车建500 V充电桩，又要为商用车建700 V充电桩。同时，对于各充电运营商来说，对于现在500 V的充电桩投资需要进行审慎的考虑，避免后续大批量设备淘汰。最合理的方法是选择宽电压范围，宽恒功率范围，可以同时兼容500 V、700 V和950 V两个电压范围端。比如西安特锐德智能充电有限公司和深圳中兴公司推出的全恒功率范围15 kW充电模块。

3.3 电动汽车未来必然会作为储能设备与智能电网深度融合，逐步形成智能化的微电网单元。

电动汽车充电所产生的用电负荷具有随机性、脉动性、大功率的特点，特别是以后的大功率快充充电站，这方面的影响会更大。这种负载特性会给电网的稳定和安全带来很大挑战，同时，为满足大功率充电所增加的设备投资成本及电力增容成本都被极大地闲置和浪费。

短期来看，通过储能等技术手段让充电设施对电网侧的需求变得平滑和稳定，则电力增容成本和配电成本都会大大减小。电力增容的设备利用率大幅提高可以充分盘活已投入的电力扩容设备，带来其他额外收益。

长期来看，随着电动汽车续航里程和充放电功率的逐步增加，未来电动汽车作为重要储能单元和重要的直流负载，会越来越多地参与到智能电网和微电网中来，电动汽车的大功率充电不但不会成为电网的负担，相反，电动汽车的普及和与电网的深度融合，会让电网的调节手段更加的多样，电动汽车作为直流负载的加入，会让分布式新能源的利用效率更高，让集中式新能源的消纳有了更加简单的解决办法。

4 结论

电动汽车的充电方式未来一定有多样化的解决方案，而大功率充电必然是其中非常重要的主流充电解决方案之一。而现阶段，为了促进电动汽车大功率充电设施发展，除了要解决大功率充电设施自身的技术难题之外，更重要的是整个行业的协同和标准的及时制定和颁布。

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