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观点丨倪峰:大功率充电的进展、挑战与目标

为破解充电困境,探索新技术发展,中国电动汽车百人会于2017年8月23日在清华大学举办了2017年第五期“电动汽车热点问题系列研讨会”,细分纯电动乘用车面向大功率充电的高压系统技术挑战与发展前景、电动汽车无线充电技术、探索可持续发展的充电业态三个主题,探讨充电困境与技术发展。

以下为此次研讨会发言嘉宾南京南瑞集团国际部副主任倪峰的发言精编:

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大功率充电的需求是非常明确的,无论国内外,商用车、出租车、网约车等车辆都有非常急切、迫切的需求。另外,国内外在长途旅行上对大功率充电也有一定需求,尤其是欧洲、美国,长途旅行是较常见的一种出行方式,因此对大功率在高速公路上的应用,有非常迫切的需求。而我国除了上述方面的需求外,在一些特大型的城市里边,如北上广深,由于大多数车主很难找到车位进行充电,所以他们也会对大功率充电有强烈需求。

国外大功率充电进展

总体来说,欧美企业准备第一步在2017、2018年左右,实现150千瓦以上的大功率充电。在2020年前后,欧美企业将实现350千瓦及以上的大功率充电。

实际上,欧美日等企业真正开始在标准化方面进入大功率充电,并不是特别早,应该是2016年才提出来。但目前来看,进展速度非常快,明年或将发布部分标准。

今年,欧洲包括宝马、戴姆勒、保时捷、奥迪等车企和美国福特成立了合资公司,希望用2年的时间在欧洲建立大功率充电网络,而目前来看,这个充电网络的建设速度超出意料,今年底可能在欧洲会建成10座以内的充电站,2019年计划建成400余座350千瓦以上的充电站。

而这些大功率充电网络全部由车企出资,并由车企自己制定路线,其他的运营商没有直接加入。关于如何盈利,这些企业介绍,有两个方面,一是300公里续驶里程以上的电动汽车进入市场,如果没有大功率充电的支持,很难打开市场;二是在充电费用上,现在设置的充电费用高于汽油,以保证盈利。其理由是长途旅行需求对私人车辆来说占比不大,为此付出较高的费用,可以被使用者接受。

在大功率充电方面,日本走得相对缓慢。目前日本主要还是倾向于150千瓦左右的功率,而350千瓦的大功率充电计划在2022年以后再实现。日本认为当前不需要着急实现350千瓦的大功率充电。在这一点上,欧美和日本还存在差别。

大功率充电实施路线

目前,常用的大功率充电一般分两种:标准运行方式和特殊运行方式。标准运行方式,是通过加大电缆截面,多连接器,提高载流能力,重庆在几年前已经使用这种方式。但这种方式会导致电缆重量增加,操作不方便,不适合用于公共场所,可能比较适合专用的场地使用。目前,有人提出了全自动或半自动的解决方案,IEC也成立了工作组,做机器辅助充电。

特殊运行方式是目前比较流行的方式,就是采用热管理技术。实际上,大功率充电对充电侧来讲,最大的问题就是冷却方式,能够在较小的截面上实现大电流的承载。

大功率充电实际上在IEC61851两个版本种提出了不同的要求,相比旧标准,增加了大功率充电后,新标准对于温度点有了明确的要求,包括测试、工作方式等。

将两种方式做个比较。在普通方式下,通过增加电缆截面承载350安培或者400安培电流时,需要110平方米的电缆才能保证长期正常工作,但增加冷却后,只需要50-70平方米甚至更小。

大功率充电难点

大功率充电的连接器设计有一个难点,一般我们讲温度测量值,怎么得到的,通过连接器里某一特定的位置温度传感器来获得的,大家知道,尤其在接触面或者端接头这些地方是很难把传感器直接装在发热处的。温度检测的值和实际温度值中间是有德尔塔的,随着不同工况斜率是不一样的。所以,需要对整个充电过程的温度点进行测试,还要对整个充电过程的时间加速度有一定预判,所以这就是需要做连接器连接厂家,包括充电厂家要对温度有很精确的把握住。

另外,安装这个位置,因为大家说连接器工作环境是相对比较恶劣的,经常会跌落、碾压发生,这些连接器探头的位置不能发生偏移,如果发生偏移的话温度检测会有比较大的问题,这是比较难解决的问题,现在各个国家也都在想办法解决这些事情。

整个大功率有一个简单的拓扑图,和原来的拓扑相比最大的区别,在所有的发热端点,我们充电机而言,我们的车辆插头和车辆插座都可以安装车辆传感器,根据原来的要求包括我们国标的要求,现在对大功率的要求需要4个传感器装上去。另外,电缆里面还会有相应的东西。

同时针对大功率连接的设计也提出了实验检测的方法,包括制造一些测量的量具,模拟车端发热的过程检测插头,或者通过短路的电路模拟充电的过程产生大电流来检测整个车辆插头温升的情况,这个东西在IEC的标准里面都做了详尽的规定。

我国在大功率充电方面的进展和规划

中国大功率充电是从2016年开始的。目前由中电联和中汽研两家单位牵头,成立了大功率充电标准工作组,充电组成员包括充电设施厂家、连接器厂家、电缆厂家、车企和电池企业,将近20家企业参与了这方面工作,对大功率充电技术进行了探讨和研究,也做了相关实验和设计。

从2016年3月起,在北京、深圳、南京等地开了若干次关于大功率充电的会议,对技术细节进行了讨论。今年5月正式成立了工作组。6月,将大功率充电这一议题作为我国与德国的合作项目,已经得到了双方政府的认可。

目前,已经基本确定了中国大功率充电的目标,这个目标分近期和远期。经过一系列调研,第一步电压平台可能定在700V左右。对于电动汽车而言,电压平台现在最大的问题是,提升电压平台的器件,尤其是汽车级应用器件还不能轻易获得。因此,500-700V可能是大功率充电较好的起步点。而对于充电设施而言,再次提升电压,至少对充电设施来讲,较为容易实现。电流方面,可能会将400-500安培作为起步点。

关于兼容的问题,目前工作组有两个方案,一是延用2015版充电连接器,在目前国标情况下增加改造,来实现大功率充电。另一种方案是基于大功率充电进行重新设计。两种方案都有优缺点,第一个方案的优点是与现有标准端面兼容,理论上讲不需要做任何物理转换,缺点则是,2015版标准在设计时,根本没有考虑大功率充电的问题,甚至正常充电时,还存在很多当时没有考虑到的情况。而重新设计新的使用大功率的连接器,可以做很多优化,提高性能和安全性。这一方案的缺点是,与原来的端面不兼容,需要设计转接头。

关于充电电缆,也需要重新定义,包括冷却系统如何选择、工作情况下对导体温度的检测、电缆的抗碾压测试、柔软度、兼容性等。目前,关于电缆的标准刚出了一版,这都是需要讨论的问题。

在充电机侧也需要改进,包括控制导引电路。我国目前的控制导引电路在原来的基础上使用问题不大。但如果使用大功率充电,就会出现一些问题,最大的问题是没有硬节电信号,这也是我国原有方案和欧美日等国的一大区别。欧美的方案中,CCS电路里带了一个S开关,可以通过硬件的信号,从车侧向桩通知异常状态,日本的方案中有三个硬节电信号,保证车到桩、桩到车之间的信号传递。

因此,我们提出一个改进电路,利用现在的辅助电源,增加两个控制点,这样电路本身在控制逻辑上和原来完全兼容,但提供了车到桩、桩到车的信号,同时可以解决以前老电路对PE断针情况无法判断的问题。采用这个信号后,辅助电源是不能用了,但是根据调研的情况,包括大车在内,2015版标准实际上对辅助电源已经做了一定限制,当时限制是10安培,所以准备把这个作为一些辅助的功率电源,基本上已经不用了,所以说这个影响非常小。

另外,充电机也需解决一些问题。目前充电机标准没有完善,如果电压平台提高到1000V,覆盖范围可能就是200-1000V,如果还是采用原来的恒流方式,那么低压时功率会大幅减小体验会很差。这种情况,我们会对某一些电压端做恒功率的处理,保证在低电压时也能够达到一定的输出功率。在充电机里要记录的一些东西,有一些Y电容要求的问题,因为随着充电机的功率增大,Y电流也会增大。

最后是关于通讯协议。原来通讯协议对大功率没有任何支持,包括紧急情况的处理、温度的处理,以及即插即用的方式,以前是没有存在这种可以把车辆的ID传入充电机的方式。所以,希望借助大功率充电的机会,将充电协议进行部分修订,包括测试大功率充电的标准、即插即用的方式和充电通信安全的问题。

目前为止,工作组内部比较倾向性的意见还是设计新方案继续往前走。我们现在开始做验证系统,包括连接器的设计,可能在今年年底,会拿出连接器的设计初稿。从明年开始,可能会选择恰当时间,请一些公司加入并提供车辆,以供我们做实验,希望明年6月时能够完成初步的实验,初步定的功率可能200—300千瓦左右,在500—700V情况下实现400安培的充电。

关于标准,我们希望是在具备一定数据积累的情况下,再进行标准的详尽制定。因此,我们打算今年年底把计算报上去,明年开始在实验室验证,最后再进行标准的制定工作,最终,我们将在2019年前后将大功率充电标准制定完成。



(来源:中国电动汽车百人会 )

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