电动汽车大功率充电发展现状及趋势研究

吴鹏飞　刘宏骏　郝烨

摘 要：近年，电动汽车续驶里程不断增长，为满足未来电动汽车的快速充电需求，大功率充电技术应运而生。研究大功率充电技术、标准的进展和示范应用情况，明确大功率充电的优缺点，对于电动汽车的推广和充电业态的发展具有一定参考意义。关键词：大功率充电;技术关键点;标准进展;应用场景中图分类号：U469.72  文献标识码：A  文章编号：1671-7988（2020）01-26-04

Abstract： In recent years， the driving range of electric vehicles has been increasing. In order to meet the rapid charging demand of electric vehicles in the future， high-power charging technology has emerged. Study the high-power charging technology， the progress of the standard and the demonstration application， and clarify the advantages and disadvantages of high-power charging， which has certain reference significance for the promotion of electric vehicles and the development of charging industry.Keywords： High-power charging; Technical key points; Standard progress; Application scenariosCLC NO.： U469.72  Document Code： A  Article ID： 1671-7988（2020）01-26-04

前言

我国电动汽车产业发展迅速，整车产品产销规模居全球第一。但随着激励政策逐渐退坡，市场化竞争日益激烈。为满足消费者对全天候长里程、低能耗要求，纯电动汽车产品带电量不断提升，电动汽车用户单次充电时间长成为行业痛点。

大功率充电技术能够较好解决用户充电等待时间长和里程焦虑问题，因此越来越受到行业重视^[1]。本文通过研究大功率充电技术、标准进展和应用情况，明确大功率充电的优缺点，对于大功率充电技术应用及电动汽车推广前景具有一定参考价值。

1 大功率充电技术发展现状

1.1 大功率充电定义

电动汽车传导式直流大功率充电，可满足未来长续驶里程电动汽车充电时长10～15分钟（4～6C）的要求，充电电压可达到1000V（远期目标1500V），在不带冷却工况下充电电流120A，充电功率大于120kW;带冷却工况下充电电流400～500A（远期目标600A），充电功率超过350kW^[2]。

1.2 大功率充电优点

大功率充电具有充电时间短、用户充电体验好等优点。

（1）对于私人用户而言，大功率充电可大幅缩短充电时间，快速增加续航里程，充电体验较好。对于无法安装自用充电桩的用户，大功率充电可作为日常充电解决方案，从而拓展电动汽车的消费群体。

（2）对于公共运营企业而言，大功率充电设备的应用，可大幅缩短电动公交、出租、网约、物流等运营车辆的充电等待时间，提高运营效率和竞争力。

（3）对于充电设施建设运营商而言，大功率充电设备的应用可大幅降低单次充电时间，吸引消费者使用，提升单位时间内的充电服务次数，从而提高充电桩利用率和充电服务收益^[3]。

1.2 大功率充电缺点

大功率充电的缺点主要体现在技术难度较高、成本提升较大等方面。

（1）技术层面，大功率充电产生的高电压、大电流，容易积累大量热量，不仅会加速电缆绝缘或护套的老化，甚至损坏充电设施，带来生命和财产安全威胁^[4]。因此，整车、动力电池、充电模块、充电枪、电缆的热管理和安全防护问题极为关键，需解决各元器件的冷却、散热、绝缘、耐高压、防过充起火等问题。

（2）成本层面，大功率充电设备价格较为昂贵，且需要较大场地进行设备配套及安装，电力增容、建设、運营、维护资金较高，满足大功率快充所需的动力电池、IGBT等零部件成本较高，整车成本提升较为明显。

2 大功率充电标准进展情况

现阶段，中国大功率充电标准的制定由中国电力企业联合会与中国汽车技术研究中心联合牵头，整车企业、关键零部件生产企业、充电设备生产企业参与，成立了大功率充电技术与标准预研工作组和大功率充电示范工作组^[5]，开展标准的研究制定、设备的研发测试、车辆的充电试点等工作。

2.1 大功率充电标准路线图

大功率充电标准制定的重点在于满足充电的安全性、可靠性和兼容性。大功率充电标准从2016年开始预研究，经过技术研讨、实验室验证、示范验证等阶段，目前充电模式、充电器形式、充电连接口标准、转换器设计方案、热管理和冷却技术方案、通讯协议等方面的标准基本确定。

商用车大功率充电标准已于2019年3月进行内部征求意见，计划在2019年底前完成编制，乘用车大功率充电标准将于2019年下半年立项，预计在2020年底至2021年初完成编制。

2.2 大功率充电标准制定目标

（1）技术目标。根据现阶段拟定的大功率充电目标，充电设备功率标准制定分为两个阶段，一阶段充电电流150A，电压1000V，充电功率超过150kW，二阶段电流400-600A，电压1500V，充电功率达到600kW。

（2）兼容性目标。大功率充电标准的制定将考虑向前兼容性，满足与2015版电动汽车充电接口和通信协议的适配性。通过制定接口转换适配器的物理尺寸标准，引导电路向前兼容，并使用与2015版相同的CAN物理接口，满足新旧标准车辆与充电桩之间的兼容需求。此外，GB/T 27930、GB/T18487.1、NB/T33001、NB/T33008.1 等现有标准将结合大功率充电示范试点项目进行技术验证。

3 大功率充电应用现状

3.1 国内产品研发情况

国内部分整车和充电设备生产企业进行了大功率充电产品的研发和技术储备。高电压大电流车辆平台技术难度较高，部分核心零部件技术尚未掌握，国内车企整体技术路线较为保守，目前乘用车测试车辆最高充电功率在120～200kW之间;大功率充电设备技术难度相对较低，部分桩企已完成样品开发和生产，产品输出功率普遍可达到350kW以上。

3.2 国内示范应用情况

目前，国内的大功率充电设施应用还处于示范试点阶段，在示范项目中，乘用车大功率充电根据停车时间长短选择是否带冷却装置的设备进行充电;商用车在终端充电情况下与乘用车相同，途中采用充电弓补电。

示范测试主要针对大功率充电连接器样品原型进行验证，先后评估了连接器组件、转换器、电缆、电流速度、散热、通讯协议、检测规范方面的标准，验证了充电接口、电压、通讯协议与2015版标准的协调兼容性，预计2019年内将完成示范项目。

3.3 国外应用场景

国外大功率充电设施的建设应用，多由大型车企及相关充电运营商主导推动，以建立大功率充电使用环境，推动电动汽车销售。

除保时捷和特斯拉外，欧美主流车企推广车型，如宝马i3、奥迪 e-Tron，充电功率普遍在150～160kW，距离350kW大功率充电还有一定距离，预计2020年后将探索推动350kW等级的大功率车型应用。此外，日本计划在2020年实现150～200kW充电，2025年后应用350kW大功率充电。

4 大功率充电未来应用趋势

4.1 大功率充电技术发展趋势

大功率充电是未来电动汽车充电的必然发展趋势，已成为业内共识。但主流车企与充电设备生产企业对大功率充电的市场前景预测存在一定差异，车辆及充电设备将呈现不同发展态势。

（1）整车层面，大功率充电客车将率先进行示范应用，远期充电电压将达到1500V，充电电流将达到600A;乘用车目前研发和测试车辆最高充电功率普遍在120～150kW之间，充电功率200kW（400～500V，200～400A）左右的乘用车型将于2020年后逐步应用，充电功率350kW（800～1000V，400～500A）以上的高电压平台电动汽车将于2025年后广泛应用。

（2）动力电池方面，为满足车辆大功率充电需求，国内动力电池企业将重点研发新型或新体系电池，单体能量密度提升至300Wh/kg以上;通过改善锂离子的接受和传输能力，实现电池的4～6C高倍率充电;BMS将实现电池全气候温度下的可靠性，能够快速消除高速充电产生的高温热量，电池电量到达一定比例或热量较高时，可降低充电功率，进入涓流充电模式，防止过冲或者起火，延长电池寿命。以宁德时代为例，2019年底前将量产上市NCM811/石墨体系电芯，系统能量密度可达180Wh/kg，同步开发系统能力密度300Wh/kg高镍/硅碳体系电池，满足未来大功率充电车型需求。

（3）充电设备层面，生产企业将积极推动大功率充电桩的研发和市场化，开发1400VIGBT等关键零部件，提高元器件的耐高压、绝缘能力，提升机械和电气设计安全性;设计新的充电接口以及转换接头，实现与2015版本车辆的兼容;利用液冷泵和液冷管道将充电温度控制在120℃以下，同时实现充电线缆、充电枪头的轻量化和小型化，以便于操作。

未来，150～240kW充电设备将主要应用于乘用车充电，市场占有率将达到大功率充电设备数量的70%左右，240～350 kW将作为通用型充电桩，350kW及以上的充电桩和充电弓将主要向商用车及部分大功率乘用车提供充电服务。

4.2 大功率充电未来应用场景

大功率充电将与2015版充电标准并行，作为现有充电设备和网络的补充与完善，各运营商将根据市场需求和盈利预期进行布局建设。业界普遍认为，通过现阶段的研发测试及示范，2020～2022年大功率充电将投入小规模应用，2023～2025年开始大规模商业应用，大功率快充将会在以下几个场景使用。

（1）城市公共充电。长续驶里程电动乘用车将普遍装载大容量动力电池，为减少充电等待时间、提升充电体验，解決部分无自用桩用户充电问题，城市公共充电场站将配套一定比例的大功率充电设备。

（2）运营类车辆充电。电动公交、出租、网约、物流等运营车辆，对于充电时长较为敏感，大功率充电桩的应用将缩短车辆充电时间，提升运营效率。

（3）高速公路充电。高速公路、国道等服务区将建设一定比例的大功率充电设施，支持电动汽车长途出行充电，拓展电动汽车使用范围。

5 结论

（1）大功率充电作为新兴充电模式，仍面临较多问题亟

待解决，高压关键零部件、高比能快充电池、热管理和冷却等技术难度较大，充电设备及配套建设成本较高，相关标准的制定仍在各方博弈之中，我国大功率充电整体处于探索阶段。

（2）鉴于在充电速率上的巨大优势，大功率充电得到广大整车企业、充电设备生产和运营企业的广泛关注和积极推动，预计2020～2022年将投入小规模使用，2023～2025年开始大规模商业化应用，重点应用在城市公共充电、高速路充电、运营类车辆充电等领域。

（3）大功率充电的市场化推广，需要整车企业和充电设备生产企业进一步加强协调，深度合作开展车桩联合测试，扩大示范推广范围，积累数据和经验，引导推动标准的制定，同时积极申请财政补贴和科技项目支持，借助政府力量推动大功率充电应用。

未来，大功率充电将作为现有充电模式的补充和提升，进一步完善电动汽车充电环境，对电动汽车的推广和充电业态的发展产生积极影响。

参考文献

[1] 王伯军，李威，梁士福.纯电动乘用车大功率充电技术需求分析[J].汽车文摘，2019（06）：46-49.

[2] 靳卫明.大功率快充：那些还未过去的短板与阵痛[N].新能源汽车报，2018-07-25（10）.

[3] 刘洋，卢明，李刚.浅析大功率充电未来发展趋势[J].汽车实用技术，2018（14）：7-11.

[4] 张维江，曹文炅，曾志坚，胡承彬，蒋方明.浅电动汽车大功率快充对充电电缆温度的影响[J].新能源进展，2019（4）：184-189.

[5] 中电联标准化管理中心.电动汽车大功率充电技术与标准预研工作组成立暨第一次工作组会议召开[EB/OL]. http：//dls.cec.org.cn/ dongtai/2017-07-07/170619.html，2017-07-07.

[6] 张帆.中国充电基础设施行业发展动态.中国新能源汽车产业发展报告（2018）[R].2018-9.

[7] 李文华.国内首座电动车大功率充电站建成[N].中国能源报，2019 -01-14（10）.