吳鵬飛　劉宏駿　郝燁

摘 要：近年，電動(dòng)汽車(chē)?yán)m(xù)駛里程不斷增長(zhǎng)，為滿(mǎn)足未來(lái)電動(dòng)汽車(chē)的快速充電需求，大功率充電技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。研究大功率充電技術(shù)、標(biāo)準(zhǔn)的進(jìn)展和示范應(yīng)用情況，明確大功率充電的優(yōu)缺點(diǎn)，對(duì)于電動(dòng)汽車(chē)的推廣和充電業(yè)態(tài)的發(fā)展具有一定參考意義。關(guān)鍵詞：大功率充電;技術(shù)關(guān)鍵點(diǎn);標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)展;應(yīng)用場(chǎng)景中圖分類(lèi)號(hào)：U469.72? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? 文章編號(hào)：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

我國(guó)電動(dòng)汽車(chē)產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，整車(chē)產(chǎn)品產(chǎn)銷(xiāo)規(guī)模居全球第一。但隨著激勵(lì)政策逐漸退坡，市場(chǎng)化競(jìng)爭(zhēng)日益激烈。為滿(mǎn)足消費(fèi)者對(duì)全天候長(zhǎng)里程、低能耗要求，純電動(dòng)汽車(chē)產(chǎn)品帶電量不斷提升，電動(dòng)汽車(chē)用戶(hù)單次充電時(shí)間長(zhǎng)成為行業(yè)痛點(diǎn)。

大功率充電技術(shù)能夠較好解決用戶(hù)充電等待時(shí)間長(zhǎng)和里程焦慮問(wèn)題，因此越來(lái)越受到行業(yè)重視^[1]。本文通過(guò)研究大功率充電技術(shù)、標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)展和應(yīng)用情況，明確大功率充電的優(yōu)缺點(diǎn)，對(duì)于大功率充電技術(shù)應(yīng)用及電動(dòng)汽車(chē)推廣前景具有一定參考價(jià)值。

1 大功率充電技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 大功率充電定義

電動(dòng)汽車(chē)傳導(dǎo)式直流大功率充電，可滿(mǎn)足未來(lái)長(zhǎng)續(xù)駛里程電動(dòng)汽車(chē)充電時(shí)長(zhǎng)10～15分鐘（4～6C）的要求，充電電壓可達(dá)到1000V（遠(yuǎn)期目標(biāo)1500V），在不帶冷卻工況下充電電流120A，充電功率大于120kW;帶冷卻工況下充電電流400～500A（遠(yuǎn)期目標(biāo)600A），充電功率超過(guò)350kW^[2]。

1.2 大功率充電優(yōu)點(diǎn)

大功率充電具有充電時(shí)間短、用戶(hù)充電體驗(yàn)好等優(yōu)點(diǎn)。

（1）對(duì)于私人用戶(hù)而言，大功率充電可大幅縮短充電時(shí)間，快速增加續(xù)航里程，充電體驗(yàn)較好。對(duì)于無(wú)法安裝自用充電樁的用戶(hù)，大功率充電可作為日常充電解決方案，從而拓展電動(dòng)汽車(chē)的消費(fèi)群體。

（2）對(duì)于公共運(yùn)營(yíng)企業(yè)而言，大功率充電設(shè)備的應(yīng)用，可大幅縮短電動(dòng)公交、出租、網(wǎng)約、物流等運(yùn)營(yíng)車(chē)輛的充電等待時(shí)間，提高運(yùn)營(yíng)效率和競(jìng)爭(zhēng)力。

（3）對(duì)于充電設(shè)施建設(shè)運(yùn)營(yíng)商而言，大功率充電設(shè)備的應(yīng)用可大幅降低單次充電時(shí)間，吸引消費(fèi)者使用，提升單位時(shí)間內(nèi)的充電服務(wù)次數(shù)，從而提高充電樁利用率和充電服務(wù)收益^[3]。

1.2 大功率充電缺點(diǎn)

大功率充電的缺點(diǎn)主要體現(xiàn)在技術(shù)難度較高、成本提升較大等方面。

（1）技術(shù)層面，大功率充電產(chǎn)生的高電壓、大電流，容易積累大量熱量，不僅會(huì)加速電纜絕緣或護(hù)套的老化，甚至損壞充電設(shè)施，帶來(lái)生命和財(cái)產(chǎn)安全威脅^[4]。因此，整車(chē)、動(dòng)力電池、充電模塊、充電槍、電纜的熱管理和安全防護(hù)問(wèn)題極為關(guān)鍵，需解決各元器件的冷卻、散熱、絕緣、耐高壓、防過(guò)充起火等問(wèn)題。

（2）成本層面，大功率充電設(shè)備價(jià)格較為昂貴，且需要較大場(chǎng)地進(jìn)行設(shè)備配套及安裝，電力增容、建設(shè)、運(yùn)營(yíng)、維護(hù)資金較高，滿(mǎn)足大功率快充所需的動(dòng)力電池、IGBT等零部件成本較高，整車(chē)成本提升較為明顯。

2 大功率充電標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)展情況

現(xiàn)階段，中國(guó)大功率充電標(biāo)準(zhǔn)的制定由中國(guó)電力企業(yè)聯(lián)合會(huì)與中國(guó)汽車(chē)技術(shù)研究中心聯(lián)合牽頭，整車(chē)企業(yè)、關(guān)鍵零部件生產(chǎn)企業(yè)、充電設(shè)備生產(chǎn)企業(yè)參與，成立了大功率充電技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)預(yù)研工作組和大功率充電示范工作組^[5]，開(kāi)展標(biāo)準(zhǔn)的研究制定、設(shè)備的研發(fā)測(cè)試、車(chē)輛的充電試點(diǎn)等工作。

2.1 大功率充電標(biāo)準(zhǔn)路線圖

大功率充電標(biāo)準(zhǔn)制定的重點(diǎn)在于滿(mǎn)足充電的安全性、可靠性和兼容性。大功率充電標(biāo)準(zhǔn)從2016年開(kāi)始預(yù)研究，經(jīng)過(guò)技術(shù)研討、實(shí)驗(yàn)室驗(yàn)證、示范驗(yàn)證等階段，目前充電模式、充電器形式、充電連接口標(biāo)準(zhǔn)、轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)方案、熱管理和冷卻技術(shù)方案、通訊協(xié)議等方面的標(biāo)準(zhǔn)基本確定。

商用車(chē)大功率充電標(biāo)準(zhǔn)已于2019年3月進(jìn)行內(nèi)部征求意見(jiàn)，計(jì)劃在2019年底前完成編制，乘用車(chē)大功率充電標(biāo)準(zhǔn)將于2019年下半年立項(xiàng)，預(yù)計(jì)在2020年底至2021年初完成編制。

2.2 大功率充電標(biāo)準(zhǔn)制定目標(biāo)

（1）技術(shù)目標(biāo)。根據(jù)現(xiàn)階段擬定的大功率充電目標(biāo)，充電設(shè)備功率標(biāo)準(zhǔn)制定分為兩個(gè)階段，一階段充電電流150A，電壓1000V，充電功率超過(guò)150kW，二階段電流400-600A，電壓1500V，充電功率達(dá)到600kW。

（2）兼容性目標(biāo)。大功率充電標(biāo)準(zhǔn)的制定將考慮向前兼容性，滿(mǎn)足與2015版電動(dòng)汽車(chē)充電接口和通信協(xié)議的適配性。通過(guò)制定接口轉(zhuǎn)換適配器的物理尺寸標(biāo)準(zhǔn)，引導(dǎo)電路向前兼容，并使用與2015版相同的CAN物理接口，滿(mǎn)足新舊標(biāo)準(zhǔn)車(chē)輛與充電樁之間的兼容需求。此外，GB/T 27930、GB/T18487.1、NB/T33001、NB/T33008.1 等現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)將結(jié)合大功率充電示范試點(diǎn)項(xiàng)目進(jìn)行技術(shù)驗(yàn)證。

3 大功率充電應(yīng)用現(xiàn)狀

3.1 國(guó)內(nèi)產(chǎn)品研發(fā)情況

國(guó)內(nèi)部分整車(chē)和充電設(shè)備生產(chǎn)企業(yè)進(jìn)行了大功率充電產(chǎn)品的研發(fā)和技術(shù)儲(chǔ)備。高電壓大電流車(chē)輛平臺(tái)技術(shù)難度較高，部分核心零部件技術(shù)尚未掌握，國(guó)內(nèi)車(chē)企整體技術(shù)路線較為保守，目前乘用車(chē)測(cè)試車(chē)輛最高充電功率在120～200kW之間;大功率充電設(shè)備技術(shù)難度相對(duì)較低，部分樁企已完成樣品開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)，產(chǎn)品輸出功率普遍可達(dá)到350kW以上。

3.2 國(guó)內(nèi)示范應(yīng)用情況

目前，國(guó)內(nèi)的大功率充電設(shè)施應(yīng)用還處于示范試點(diǎn)階段，在示范項(xiàng)目中，乘用車(chē)大功率充電根據(jù)停車(chē)時(shí)間長(zhǎng)短選擇是否帶冷卻裝置的設(shè)備進(jìn)行充電;商用車(chē)在終端充電情況下與乘用車(chē)相同，途中采用充電弓補(bǔ)電。

示范測(cè)試主要針對(duì)大功率充電連接器樣品原型進(jìn)行驗(yàn)證，先后評(píng)估了連接器組件、轉(zhuǎn)換器、電纜、電流速度、散熱、通訊協(xié)議、檢測(cè)規(guī)范方面的標(biāo)準(zhǔn)，驗(yàn)證了充電接口、電壓、通訊協(xié)議與2015版標(biāo)準(zhǔn)的協(xié)調(diào)兼容性，預(yù)計(jì)2019年內(nèi)將完成示范項(xiàng)目。

3.3 國(guó)外應(yīng)用場(chǎng)景

國(guó)外大功率充電設(shè)施的建設(shè)應(yīng)用，多由大型車(chē)企及相關(guān)充電運(yùn)營(yíng)商主導(dǎo)推動(dòng)，以建立大功率充電使用環(huán)境，推動(dòng)電動(dòng)汽車(chē)銷(xiāo)售。

除保時(shí)捷和特斯拉外，歐美主流車(chē)企推廣車(chē)型，如寶馬i3、奧迪 e-Tron，充電功率普遍在150～160kW，距離350kW大功率充電還有一定距離，預(yù)計(jì)2020年后將探索推動(dòng)350kW等級(jí)的大功率車(chē)型應(yīng)用。此外，日本計(jì)劃在2020年實(shí)現(xiàn)150～200kW充電，2025年后應(yīng)用350kW大功率充電。

4 大功率充電未來(lái)應(yīng)用趨勢(shì)

4.1 大功率充電技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

大功率充電是未來(lái)電動(dòng)汽車(chē)充電的必然發(fā)展趨勢(shì)，已成為業(yè)內(nèi)共識(shí)。但主流車(chē)企與充電設(shè)備生產(chǎn)企業(yè)對(duì)大功率充電的市場(chǎng)前景預(yù)測(cè)存在一定差異，車(chē)輛及充電設(shè)備將呈現(xiàn)不同發(fā)展態(tài)勢(shì)。

（1）整車(chē)層面，大功率充電客車(chē)將率先進(jìn)行示范應(yīng)用，遠(yuǎn)期充電電壓將達(dá)到1500V，充電電流將達(dá)到600A;乘用車(chē)目前研發(fā)和測(cè)試車(chē)輛最高充電功率普遍在120～150kW之間，充電功率200kW（400～500V，200～400A）左右的乘用車(chē)型將于2020年后逐步應(yīng)用，充電功率350kW（800～1000V，400～500A）以上的高電壓平臺(tái)電動(dòng)汽車(chē)將于2025年后廣泛應(yīng)用。

（2）動(dòng)力電池方面，為滿(mǎn)足車(chē)輛大功率充電需求，國(guó)內(nèi)動(dòng)力電池企業(yè)將重點(diǎn)研發(fā)新型或新體系電池，單體能量密度提升至300Wh/kg以上;通過(guò)改善鋰離子的接受和傳輸能力，實(shí)現(xiàn)電池的4～6C高倍率充電;BMS將實(shí)現(xiàn)電池全氣候溫度下的可靠性，能夠快速消除高速充電產(chǎn)生的高溫?zé)崃浚姵仉娏康竭_(dá)一定比例或熱量較高時(shí)，可降低充電功率，進(jìn)入涓流充電模式，防止過(guò)沖或者起火，延長(zhǎng)電池壽命。以寧德時(shí)代為例，2019年底前將量產(chǎn)上市NCM811/石墨體系電芯，系統(tǒng)能量密度可達(dá)180Wh/kg，同步開(kāi)發(fā)系統(tǒng)能力密度300Wh/kg高鎳/硅碳體系電池，滿(mǎn)足未來(lái)大功率充電車(chē)型需求。

（3）充電設(shè)備層面，生產(chǎn)企業(yè)將積極推動(dòng)大功率充電樁的研發(fā)和市場(chǎng)化，開(kāi)發(fā)1400VIGBT等關(guān)鍵零部件，提高元器件的耐高壓、絕緣能力，提升機(jī)械和電氣設(shè)計(jì)安全性;設(shè)計(jì)新的充電接口以及轉(zhuǎn)換接頭，實(shí)現(xiàn)與2015版本車(chē)輛的兼容;利用液冷泵和液冷管道將充電溫度控制在120℃以下，同時(shí)實(shí)現(xiàn)充電線纜、充電槍頭的輕量化和小型化，以便于操作。

未來(lái)，150～240kW充電設(shè)備將主要應(yīng)用于乘用車(chē)充電，市場(chǎng)占有率將達(dá)到大功率充電設(shè)備數(shù)量的70%左右，240～350 kW將作為通用型充電樁，350kW及以上的充電樁和充電弓將主要向商用車(chē)及部分大功率乘用車(chē)提供充電服務(wù)。

4.2 大功率充電未來(lái)應(yīng)用場(chǎng)景

大功率充電將與2015版充電標(biāo)準(zhǔn)并行，作為現(xiàn)有充電設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)的補(bǔ)充與完善，各運(yùn)營(yíng)商將根據(jù)市場(chǎng)需求和盈利預(yù)期進(jìn)行布局建設(shè)。業(yè)界普遍認(rèn)為，通過(guò)現(xiàn)階段的研發(fā)測(cè)試及示范，2020～2022年大功率充電將投入小規(guī)模應(yīng)用，2023～2025年開(kāi)始大規(guī)模商業(yè)應(yīng)用，大功率快充將會(huì)在以下幾個(gè)場(chǎng)景使用。

（1）城市公共充電。長(zhǎng)續(xù)駛里程電動(dòng)乘用車(chē)將普遍裝載大容量動(dòng)力電池，為減少充電等待時(shí)間、提升充電體驗(yàn)，解決部分無(wú)自用樁用戶(hù)充電問(wèn)題，城市公共充電場(chǎng)站將配套一定比例的大功率充電設(shè)備。

（2）運(yùn)營(yíng)類(lèi)車(chē)輛充電。電動(dòng)公交、出租、網(wǎng)約、物流等運(yùn)營(yíng)車(chē)輛，對(duì)于充電時(shí)長(zhǎng)較為敏感，大功率充電樁的應(yīng)用將縮短車(chē)輛充電時(shí)間，提升運(yùn)營(yíng)效率。

（3）高速公路充電。高速公路、國(guó)道等服務(wù)區(qū)將建設(shè)一定比例的大功率充電設(shè)施，支持電動(dòng)汽車(chē)長(zhǎng)途出行充電，拓展電動(dòng)汽車(chē)使用范圍。

5 結(jié)論

（1）大功率充電作為新興充電模式，仍面臨較多問(wèn)題亟

待解決，高壓關(guān)鍵零部件、高比能快充電池、熱管理和冷卻等技術(shù)難度較大，充電設(shè)備及配套建設(shè)成本較高，相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的制定仍在各方博弈之中，我國(guó)大功率充電整體處于探索階段。

（2）鑒于在充電速率上的巨大優(yōu)勢(shì)，大功率充電得到廣大整車(chē)企業(yè)、充電設(shè)備生產(chǎn)和運(yùn)營(yíng)企業(yè)的廣泛關(guān)注和積極推動(dòng)，預(yù)計(jì)2020～2022年將投入小規(guī)模使用，2023～2025年開(kāi)始大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用，重點(diǎn)應(yīng)用在城市公共充電、高速路充電、運(yùn)營(yíng)類(lèi)車(chē)輛充電等領(lǐng)域。

（3）大功率充電的市場(chǎng)化推廣，需要整車(chē)企業(yè)和充電設(shè)備生產(chǎn)企業(yè)進(jìn)一步加強(qiáng)協(xié)調(diào)，深度合作開(kāi)展車(chē)樁聯(lián)合測(cè)試，擴(kuò)大示范推廣范圍，積累數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)，引導(dǎo)推動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)的制定，同時(shí)積極申請(qǐng)財(cái)政補(bǔ)貼和科技項(xiàng)目支持，借助政府力量推動(dòng)大功率充電應(yīng)用。

未來(lái)，大功率充電將作為現(xiàn)有充電模式的補(bǔ)充和提升，進(jìn)一步完善電動(dòng)汽車(chē)充電環(huán)境，對(duì)電動(dòng)汽車(chē)的推廣和充電業(yè)態(tài)的發(fā)展產(chǎn)生積極影響。

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