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浅谈新基建下 充电桩技术的发展趋势
2020年11期 发行日期:2020-05-29
作者:■ 北汽新能源汽车股份有限公司 白健

    2020年中共中央政治局常务委员会召开会议,强调要加大加快新型基础设施建设进度。新基建主要包括:5G基站建设、特高压、城际高速铁路和城市轨道交通、新能源汽车充电桩、大数据中心、人工智能、工业互联网七大领域。
    基于此,新能源汽车充电桩步入人们眼帘,有望成为继动力电池之后的另一个“风口”。
    按照安装位置和服务方式,新能源汽车充电桩分为私人充电桩和公共充电桩。其中,私人充电桩以慢充为主,公共充电桩以快充为主。慢充又分为交流慢充和直流慢充(2019年新兴的充电解决方案),快充又分为交流快充(例如比亚迪在太原投建的大功率三相交流充电站)和直流快充。随着充电技术的发展,交流快充由于成本和市场推广等问题,未能成为当前充电领域的主流发展方向。
    当前充电领域的主流发展方向为交流慢充技术、直流慢充技术、常规直流快充技术和大功率快充技术。本文将主要分析这四项技术的特点与发展趋势。

交流慢充技术
   
    交流慢充技术一种以车载充电机为核心部件的小功率充电解决方案。一般充电功率不大于11kW。交流变直流的电能变换过程在车内,由车载充电机实现,如图1所示。按照安装方式,车外交流充电设备分为固定式和便携式。其中便携式的充电功率分为2kW(8A)和3kW(13A)两种。


    当前,国内行业主流主机厂的车载充电机一般采用Si材质的功率器件,单相7kW,整机充电效率95%左右。随着半导体技术的快速发展,SiC和GaN作为新型功率器件,也逐渐步入产业化。
    交流慢充技术受限于民用电力配套基础设施水平,主流充电功率维持在7kW,小部分产品尝试三相11kW,但是国内应用前景不明确。
    交流慢充技术主要从充电使用过程和充电资源找寻过程两个方向不断发展,并实现充电体验的不断提升。利用4G和未来的5G通讯技术,将充电桩个体与车辆及其使用者有效结合在一起。即插即充、远程预约充电、充电定时等全新的充电方式改善了使用者的使用感受和使用习惯。4G/5G定位技术与导航技术相结合,充电实时大数据与用户潜在充电需求的远端匹配,为用户快速精准地找寻合适的充电设备和规划路径提供了可能,如图2所示。



直流慢充技术
   
    随着电动汽车的快速普及,车-桩比、车-位比问题制约着电动汽车快速发展。自2018年起,电动汽车用户建桩比率逐年降低,越来越多没有固定停车位、没有固定配电来源的用户选择购买电动汽车,有些家庭甚至有两辆电动汽车。对私充电资源的合理化配置催生了小功率直流慢充技术的快速发展。
    2019年末,工信部发布的《新能源汽车产业发展规划(2021—2035年)白皮书》中明确要推动小功率直流技术,将电动汽车小功率直流技术作为新型充电技术,有助于简化电动汽车充电系统设计,解决小功率充电通信协议要求,降低电动汽车和充电设施整体社会成本,同时也为未来简化统一充电接口和大范围电能双向互动奠定了基础。
    新兴的小功率直流充电器旨在将交流变直流的电能变换过程从车内移至车外,通过外置的非车载充电器实现一桩多车的配套,以充分挖掘充电器的使用潜力,降低充电设施的重复投资,如图3所示。通过整体行业的综合降本,降低车辆成本,并最终让利给购车用户,降低整个电动汽车产业的充电成本。
    相比国内,国外更早推出类似产品。例如特斯拉的Power-wall、大众新推出的150kW移动式直流充电器。在小功率直流充电器的基础上,还增加了小容量电池配置,方便用户在电力容量紧张时,不影响急需的充电需求,并由此引申了削峰填谷等新增盈利模式。
    目前,国内小功率直流充电技术处于起步阶段,国家标准尚未出台,行业标准正在紧张制定中。随着产品投入的产业化以及标准的不断完善和普及,产品综合成本还会出现大幅度降低。

常规直流快充技术
 
    目前国内推行的常规功率直流快充技术,正朝着大功率化推进。主流充电设施的充电功率已经从60kW向120kW过渡。随着GB/T 18487.1、GB/T 20234、GB/T 27930、NB/T 33001和NB/T 33008等标准陆续出台,不断提升充电设施的技术要求和产品品质。
    伴随着电动汽车的不均衡发展,在一线城市与二、三线城市,在城市核心区域与外部郊区区域,充电设施的使用环境差异性大。如何快速提升充电设施的盈利能力是常规直流快充技术急需解决的问题。
    当前,以国网南瑞、奥特迅、特来电和星星充电等为首的国内充电设施企业,纷纷推出柔性充电堆方案。通过一堆带多桩的方式,通过开关技术实现充电功率的柔性动态分配,提升充电设备的综合使用效率,降低投资成本。
    在改变电源变换技术的同时,国网、特来电和星星充电业纷纷加快各自云平台的推广和运营能力,通过云平台技术和大数据分析,收集用户的充电使用习惯,为充电站的选址投资、充电设备功率的选择规划提供数据支撑和规划依据。

大功率直流快充技术
   
    2017年,我国大功率充电技术与标准预研工作组成立,由中电联和中汽研牵头,由国内主要充电设施企业、主机厂和零部件厂商参与。我国正式展开下一代超级充电技术和标准的研究工作。
    大功率充电技术又名ChaoJi充电技术,该技术不局限在中国范围,目前已经吸引日本Chademo和欧美的IEC等标准协会共同参与,致力于推出一种国际化充电标准。
    ChaoJi充电技术涵盖液冷线缆技术、液冷连接技术、全新的充电控制导引、全新的充放电协议四大领域。
    液冷线缆技术采用铜缆与液冷管路的绞合技术,相比传统自然冷却方式,可以用更小线径的线缆承载更大功率的持续充电电流。针对不同的冷却液材质(水+乙二醇、绝缘油、氟化液等),出现了铜包水、水包铜等不同实现方式,各自呈现不同的优缺点。
    液冷连接技术针对需要高插拔寿命、严苛工作环境的充电连接器,通过液冷包裹技术和液电隔离技术,在实现双重绝缘性能等安全性的同时,实现对连接器薄弱位置的高效冷却。对于包裹水套和连接管路的材质,需要选择既有高绝缘性能,又具备良好导热性能的类陶瓷材料。
    在参考现行国标和欧标、日标的基础上,中国工作组牵头,欧日标准委员会协助,起草了一套全新的充电控制导引与充放电协议。
    相比原充电控制导引,新充电控制导引回路在实现系统简化的前提下,实现了硬节点保护、断线检测、故障分级检测等多项新功能,并降低了车辆电源对充电控制回路检测精度的影响。
    全新的充放电协议实现了版本管理、特殊充电模式、放电模式等新工作模块的报文预留,并改善了充电控制时序,简化了充电状态判断的过程,提高了充电兼容性。
    2020年是电动汽车发展最为艰难的一年,受疫情和汽车产业全球化不景气的影响,所有从业者都在负重前行。但是,相比传统汽车深深的无力感,我国在电动汽车上拥有与世界其他任何一个国家竞争的底气。我国的电动汽车人,都在从标准建设、车辆设计和零部件设计等各个不同环节和领域,为我国从汽车大国走向汽车强国而不懈努力。

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