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浅谈电动汽车快充未来之路

截至2019年7月,中国已经建成了全球最大的公共充电网络—— 一共计铺设了44.66万根充电桩,其中交流电桩25.95万根,直流电桩18.65万根。

以直流充电桩为例,实现“地区上万”这样规模的省份/直辖市就有近10个,如下图所示。

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直流充电桩布局上万的省份/直辖市

同时,随着补贴政策鼓励续航里程和动力电池技术的突破,电动汽车续航里程也在逐渐提高。截止到2019年7月国内的汽车企业新能源乘用车的续航格局,已经形成了分化。

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2019年7月份新能源车产量及续航分层

2019年上半年还是续航400公里为主导,已经有续航500公里的车型逐步进入市场;原本续航300-400公里的车型,由于补贴退坡可能往更加经济实惠的250-300公里续航这个区段去配置。

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因此对于目前的电动汽车而言,分层的结构会形成两类车——面向长距离续航和面向经济实用的车型。前一类通过安装60kWh以上的电池,基本上已经解决了电动汽车的里程焦虑。

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与此同时,这类车型的充电反而变成了一个核心的技术问题,甚至成为中外新一轮技术竞争的焦点问题。在这方面快充功率的迭代和发展,是接下来电动汽车差异化的重要分界点:

国内电动乘用车用的直流快充桩充电功率为60kW左右,实际充电时间10-80%在常温下为40分钟,在温度比较低的时候普遍大于1小时,消费者对于充电的时间需求是期望和加油一样(10-20分钟),而且目前消费者目视能看到的快充功率补电的速度,可以直接对应折算成每分钟车辆增加了多少的里程,高功率的充电是直接有助于打消客户的充电顾虑,增加车主对于这台车特性的信心。

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基于快充,国内外车企和充电桩企业建立了Charin的组织,在电动汽车快充的路径上不断去做标准,而宝马、戴姆勒、福特、奥迪以及保时捷5家车企通过联合投资将会打造一个350kW的快速充电网络,特斯拉进一步升级它的Supercharger,在第三代的充电功率往250kW来设计。

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从充电接口标准来看,中国在演化路径上GB/T的充电接口标准(原有GB/T 20234.3-2015中规定额定电流最大为250A),在电压、电流两项指标上,都通过一个系统性的升级来切换到面向高功率设计。

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连接接口:目前的充电连接接口标准往前推进是有一些阻力的,特别是由于接口与原有的不一样设计思路,使得需要有完善的充电接口兼容设备(充电转换接口)才能达到很好的新老交替,目前在这个点上,这个标准的出台时机是非常关键的。

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对车辆和动力电池的要求:车辆层面,在400V和800V条件下能达到的两个不同的充电功率,需要车企对各高压零部件的绝缘、耐压等级,铜排的载流、耐高温能力设计等进行调整。

对于电芯来说充电倍率要求3C和4C,整个电芯层面的设计取向需要从成本降低的角度考虑,这方面的需求相对比较窄。

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而且对于电池系统里面的电气设计和电池热管理都提出了要求——在高功率快充条件下需要冷却的部件会增加,包括充电接口和充电线缆,甚至是电池系统内的电连接散热都需要进一步考虑,此外电池系统的低温加热也有新的要求。

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充电功率的电压平台选择

对电网和充电桩的要求:大功率充电站是根据用户充电时间与地点的选择,更大程度上取决于行驶的需要,呈现出离散的特点,也会对功率负荷要求呈现较为明显的随机性、间歇性特点。

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特别是可能在极端需求下,如在夏季电力供应紧张时期,在区域特性上出现局部过负荷问题,这对于建超级快充桩和相应的快充站,影响是最为直接的。

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相对而言从充电桩来看,倒是小问题了。大功率直流充电需要从电压和电流两个方面来提升。

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电压首先要覆盖更宽的范围,从250-1000V的宽电压考虑,功率元器件的耐压、绝缘等方面,都需要在原有的设计上调整;电流需要从250A提升到500A,大部分的电气连接需要采取冷却措施。

更重要的是整个安全和温度的管理,由于这个功率对于充电过程中任何电连接点的温度都需要不超120℃。

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2018年和2019年7月的分省份充电热力图

充电基础设施从2012年开始从政策层面支持,目前中国的政策体系已渐趋完善,涵盖规划、建设运营奖励补贴、充电电价电费、土地等多个环节。2019年把地补取消以后,陆续出台多项强有力的政策扶持充电基础设施行业发展。

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高功率充电,目前来看是从60kW往80kW、120kW和150kW这样的功率等级逐步前行的,2-3年内由于没有直接的诉求,在中国还会是一个瓶颈,想要突破这个瓶颈,是从新的充电接口标准颁布,到现有的充电设施逐步改造,然后形成整体的充电设施收益率改进逐步完成的。这种更迭可能是个逐步加速的过程,特别是新的电动汽车平台都是以原有充电功率翻倍的需求来设计的。

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