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800V整体解决方案凭何在大功率充电中脱颖而出?

日期:2022-04-01    来源:中国汽车报  作者:万仁美

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2022
04/01
10:03
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关键词: 新能源汽车充电技术 电动汽车 充电桩

今年年初,工信部网站发布消息称,电动汽车传导充电连接装置国家标准正式启动修订。据介绍,本次标准修订将在我国现行直流充电接口技术方案基础上,进一步提高充电电流电压,优化完善控制导引电路、通信协议,拓展敏捷控制、即插即充、预约充电等功能,满足大功率充电技术发展和市场需求,有效保障新老充电接口通用兼容,为新能源汽车产业高质量发展创造良好环境。

有市场分析人士指出,此次标准修订除了满足电动汽车消费者对快充的需求,也将为大功率充电等新技术的应用创造推广应用的“风口”,翻开新能源汽车补能业务发展的新篇章。

中国电动汽车充电基础设施促进联盟(以下简称“充电联盟”)信息部主任仝宗旗在接受记者采访时表示,车主在选择充电桩时会综合考虑充电时长、停车收费等因素,总体而言,大功率充电设施更符合用户使用偏好。

据了解,以往国内建设的充电桩电压不太高,为了实现大功率,普遍采用大电流的方式。中国电力企业联合会副秘书长、能源行业电动汽车充电设施标准化技术委员会秘书长刘永东告诉记者,提高电流可以实现大功率充电,但电流越大电缆发热越多,安全隐患越严重。他认为,提高电压是下一代的传导充电技术整体解决方案。

大功率充电受到用户青睐

来自公安部的统计数据显示,截至2021年底,我国新能源汽车保有量超过784万辆,渗透率达到13.4%,其中纯电动汽车超过640万辆。我国新能源汽车的市场渗透率接连超过了5%和10%两个重要节点,从导入期迈入成长期,用户的消费行为逐渐清晰。

随着新能源汽车保有量不断增长,充电设施的规模水涨船高。据充电联盟统计,截至2021年12月,我国充电基础设施保有量261.7万台,其中公共充电桩114.7万台,私人充电桩147万台。2021年是充电设施数量增长最多的一年,公共充电桩增加了59.7万台,私人充电桩增加了34万台。

由此,新能源汽车用户的消费行为也开始呈现出一定的规律性。充电联盟对消费者的充电行为进行了调查。仝宗旗告诉记者,在国内能够安装私人充电桩的用户相对不多,他们的消费行为比较固定,而公共充电桩的消费行为更能反映市场的偏好。据介绍,高达87.9%的用户,充电时选择120kW及以上的大功率充电设施,而60kW以下充电设施的用户选择率仅为1.6%。其中,选择120~150kW大功率充电设施的用户数量最多,占比达35.1%。

此外,调查数据还显示,网约车、出租车、商用车因其营运和作业属性,此类用户对充电时间高度敏感,在非工作时段几乎全部使用快充桩充电。仝宗旗说:“从调查结果来看,不同类型用户快充使用率均在90%,均倾向选择120kW及以上大功率充电设施,其中网约车、出租车、商用车用户的快充使用率超过99%。商用车受车辆电压平台高、电池容量大等因素影响,对大功率充电需求更大。91.2%的商用车用户选择120kW及以上的大功率充电设施进行充电,高于其他类型用户3~6个百分点。”

私家车用户的时间敏感性不强,愿意享受峰谷电的差价。调查数据显示,私家车用户在特定时段(夜晚或上班时段)选择慢充桩充电,慢充桩的使用率为2.5%。私家车用户选择充电功率小于30kW充电设施的偏好高于其他类型用户,说明在7kW交流慢充充电场景下,私家车用户选择充电的意愿更强。

另据了解,在充电网络建设完善性方面,54.6%的用户持满意态度,14.4%的用户持不满意态度,认为充电基础设施建设还需进一步完善;53.7%的用户认为,目前快、慢充建设比例与用户实际需求不匹配,充电时常出现“快充桩空闲少、慢充桩无人用”的情况;50%的用户认为,部分充电场站周边环境不佳;41.8%的用户认为,充电场站周边缺乏相应配套设施,不足以满足用户日常需求;同时也存在充电桩数量不足、站内缺乏充电指引、建桩位置偏远、充电桩安装布局不佳等问题,充电桩建设、热点位置选择等有待加强。

高电压成为下一代充电技术

目前,国内外主流车型大多采用400V左右电压的平台,动力电池电芯的快充能力基本为1C。联动天翼新能源有限公司战略市场总经理刘冠伟告诉记者,1C快充的功率约为50~60kW,对于用户来说,即便采用1C快充也需约1小时充电,提高充电功率是大势所趋。

提高功率无非是加大电流或提升电压两种方式。刘冠伟说:“大电流会导致充电枪、线缆及动力电池核心部件等产生很高的热损失,其理论提高上限并不大,目前主流充电枪的最大电流限制为500A,所能达到的充电功率约为200kW,很多企业规划的大功率需求是350/500/1000kW,因此200kW远不能满足充电需求。”

既然提升电流这条路“走不远”,提高电压如何呢?刘冠伟认为:“提升电压的技术路线,不仅可以轻松实现充电速率的快速提升,而且能降低热损耗、减轻整车质量、优化动力结构、提高安全性能。800V大功率快充是市场未来的发展方向。”

刘永东告诉记者,行业已达成共识,普遍认为800V大功率充电是下一代的传导充电技术整体解决方案。“既然称作‘整体解决方案’,发展800V大功率充电就包括了一系列要素在其中,并不仅仅是提升电压一个方面的考虑。”他称,“800V大功率充电还能支持V2X、信息加密,安全认证以及通信技术升级路线。ChaoJi国际联合工作组正在推进国际化标准。”

据介绍,800V大功率充电有助于提升现有充电体系的机械安全、电气安全,进一步加强电击防护、防火及热安全设计。更重要的是,800V大功率充电可以引入新的应用。刘永东说:“大功率充电可提升到900kW,大大缩短充电时间,让电动汽车充电时间长的劣势得到缓解。有了800V快充后,小功率慢充可以直流化。”

800V大功率充电展现出美好的前景,但我国已有的261.7万台充电桩,并不属于800V大功率充电。这些充电桩如何处置?记者向刘永东提出了这个问题。他回答:“800V大功率充电的兼容性很好,不改变现有车桩产品,对于现有的充电桩可采用适配器方案,实现平稳过渡升级。”

刘永东还告诉记者几个重要参数,800V大功率充电的最大电压可以扩展到1000V、甚至1.5kV,最大电流分为两种,500/600A带冷却系统;150~200A的可不需要冷却系统,最大功率达到900kW,是现有充电功率的4倍多。

适用于中端及以上的车型

事实上,汽车行业正在形成推进800V电压平台研发量产的热潮。比如,极氪汽车、小鹏汽车、比亚迪等企业都将相关车型的量产节点定在了2022年。也正因如此,有人甚至将今年视为800V电压平台的发展元年。

广州万城万充(以下简称“万城万充”)新能源科技有限公司是广汽埃安的充电服务商。万城万充副总经理梁翔飞表示:“800V大功率充电已成为趋势,车企普遍持欢迎态度,电动汽车销量排名前列的整车企业大多在推进这项解决方案。”据介绍,广汽埃安研发的基于2015版国标、增加液冷系统的充电枪,支持最大电流600A,并向下兼容2015版国标,重量比目前250A国标版充电枪更轻便。广汽埃安的800V大功率充电模块,最高电压为1000V,充电桩功率输出不低于480kW,并可升级到600kW。该充电模块器件采用碳化硅技术,在功率密度和效率上都有所提升:在充电倍率6C下,SOC从零到80%,所需充电时间为8分钟,SOC从30%到80%,所需充电时间仅为5分钟。

不过,800V大功率充电会增加成本,并不是所有车型都适合这一解决方案。梁翔飞说:“中端及以上的车型比较适合800V大功率充电,低端车由于出行场景局限、对成本更为敏感、电池容量较小等多种因素综合作用,不适合推行800V大功率充电。”

目前,随车配桩是整车企业提升电动汽车销量的重要营销手段之一。相比以往的普通充电桩,800V大功率充电桩的成本至少翻倍,甚至达到2~3倍。对于低端车型而言,随车配送800V大功率充电桩将大幅削弱其价格竞争力。

此外,梁翔飞认为,800V大功率充电还有很多相应的配套问题需要解决,并不仅仅是充电桩的问题。800V大功率充电对电力条件有较高的要求,有些地方需要电力改造才能适合新的发展。同时,快充对电池有一定的伤害,尤其是磷酸铁锂电池多次快充之后会出现较明显的衰减,电池企业也需研发出适合800V大功率充电的电芯。“800V大功率充电需要整体推进,仅有充电桩企业跟上步伐,难以达成目标。”梁翔飞强调。但他坚信,在市场需求和支持政策的推动下,800V大功率充电很快会形成“大气候”。

专家观点

◆中国电动汽车充电基础设施促进联盟信息部主任仝宗旗:

公共充电领域应以大功率充电为主

充电难、充电时间长一直是新能源汽车使用环节的痛点。随着充电桩数量的增加,充电难的困境有所缓解,但用户对充电时间长的抱怨没有停止。为了缩短充电时间,用户普遍选择大功率充电。中国电动汽车充电基础设施促进联盟(以下简称“充电联盟”)信息部主任仝宗旗告诉记者:“从近4年新建公用充电桩的情况看,120kW及以上大功率充电桩增长迅速,其中180kW及以上超充桩的年均增长率最高达到了92.8%。”他认为,从用户的使用场景来看,公共充电领域应以大功率充电为主。

仝宗旗向记者详细分析了电动汽车在不同应用场景下的充电需求。公交车基本使用专用设施充电,不对外共享。约50%私家车和公务车,使用住宅区配建的私人充电桩,还有约50%的车辆,经常使用公共充电桩补充能源。约50%的物流车使用公共充电桩,另外约50%的车辆,使用物流中心配建的自用充电桩补充能源,这部分充电桩也很少对外共享。通勤班车80%使用公共充电桩充电,只有20%的车辆有专属的充电设施。环卫车、渣土车等几乎100%使用专属的充电设施。

“未来的发展趋势可能是,电动乘用车将以居民区充电为主,公共充电为辅,换电为补充。预计私人充电桩将占新增充电桩的65%,私人充电桩提供的充电量将低于40%;公用和专用领域对超级快充的需求更加迫切,快充桩将增加50万台。”仝宗旗说,“公共领域的充电以安全为前提,大功率充电为技术方向,多种技术路线会并存。”

为了加快大功率充电的发展,充电联盟提出了多项建议。仝宗旗介绍道:“希望加快大功率充电技术标准的落地,统一各省市公用及专用基础设施建设导向,以大功率充电设施为主,慢充、换电为辅;政府补贴需要大力支持大功率充电技术升级及应用;加强充电场站安全监管,增设安全设施,提升安全防护等级。”

◆中国电力企业联合会副秘书长、能源行业电动汽车充电设施标准化技术委员会秘书长刘永东:

大功率充电呼唤标准先行

我国在2015年就已经制定了新能源汽车充电桩的标准,即《电动汽车传导充电系统—第1部分:通用要求》(GB/T18487.1-2015)(以下简称“2015版标准”)。经过多年的实践,这套标准体系暴露出一些问题。中国电力企业联合会副秘书长、能源行业电动汽车充电设施标准化技术委员会秘书长刘永东向记者进行了介绍。

在安全性方面,2015版标准存在连接端面不符合IPXXB要求;部分关键结构机械强度薄弱;间接锁合电锁设计存在安全隐患;PE(保护地线)中断、人体电阻接入PE无法侦测;导引电路无硬件节点传递紧急停机信号;对诸多安全相关的电气指标定义缺失等问题。

在可靠性方面,2015版标准存在电子锁故障率高;插头插座连接可靠性低;接口尺寸公差设计不合理等问题。

在兼容性方面,2015版标准未考虑向前兼容和向后兼容。

刘永东说:“大功率充电将采用1000V以上的高电压平台,会增加Y电容存储能量,进一步放大车辆插座无法满足IPXXB带来的安全风险。”

另外,2015版标准大功率充电仅考虑加大电流,对提升电压可能带来的安全性问题未提出解决方法。刘永东认为,提升电压平台,涉及整车的电压平台调整,影响面大且由于电压升高带来的充电系统安全问题(如高电压带来的电击能量)不容忽视。

我国已建成261.7万台新能源汽车充电设施,如果充电技术的发展不能兼容以前的设备,不仅可能造成资源的浪费,也不利于提升用户的充电体验。刘永东说:“不是连接器端面类似就代表兼容,兼容包括物理连接、通信协议、控制时序、电气参数匹配、控制逻辑、安全防护策略。解决这些关键点的问题,才能实现兼容。”

刘永东告诉记者,2015版标准向后兼容采用软件识别的方式兼容2011版标准,大量存在识别错误;向前兼容没有预留完整的软件识别机,造成后续版本难以平滑升级。

刘永东说:“ChaoJi充电技术经过近5年来行业共同开发、国际合作,以及示范工程建设和大量的试验验证,具备标准化和产业化条件。”

2020年6月,中国电力企业联合会、国家电网有限公司与CHAdeMO协议会、东京电力控股株式会社共同主办的新一代电动汽车充电技术中日联合发布会在北京举行,新一代ChaoJi充电技术白皮书与CHAdeMO3.0标准同期发布。据了解,新一代的ChaoJi充电技术路线发端于电动汽车大功率充电需求,是一套完整的电动汽车直流充电系统解决方案,解决了国际上现有充电系统存在的一系列缺陷和问题,在充电安全、充电功率、结构设计、向前兼容性及面向未来应用方面进行了全面提升。有行业人士指出,ChaoJi充电技术的诞生为世界提供了一个统一的、安全的、可靠的、低成本充电系统解决方案。

目前的实车测试结果显示,ChaoJi充电技术的最大充电电流可达360A,未来目标是充电功率可高达900kW,仅需充电5分钟就能使车辆行驶400km。同时,由于ChaoJi充电技术紧凑的设计及可扩展性,可以使之运用于中小功率的应用场景,覆盖主流乘用车领域的同时,还兼顾了重载车辆以及轻型车辆等特殊要求,大大扩展了其应用范围。

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