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東風(fēng)日產(chǎn) | 大功率充電規(guī)?；P(guān)鍵要素分析

2021-11-15 20:13:11·  來源：電動學(xué)堂  作者：韋德啟等  
　
文章來源：東風(fēng)日產(chǎn)乘用車公司技術(shù)中心引言《新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2021-2035年）》明確提出，發(fā)展新能源汽車是我國從汽車大國邁向汽車強國的必由之路，預(yù)計
文章來源：東風(fēng)日產(chǎn)乘用車公司技術(shù)中心

引言
《新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2021-2035年）》明確提出，發(fā)展新能源汽車是我國從汽車大國邁向汽車強國的必由之路，預(yù)計到2025年，我國新能源汽車新車銷售量達到汽車新車銷售總量的20%左右，電動汽車的普及趨勢己不可逆轉(zhuǎn)。
隨著電池能量密度的提升，市場上500km、600km長續(xù)
航的電動汽車產(chǎn)品越來越多，續(xù)航己不再是客戶購買電動汽車的焦慮點。另一方面，高續(xù)航也意味著電池電量的增加，在現(xiàn)有的充電體系下，充電慢、充電難己成為客戶使用電動汽車的一大痛點，亟待解決。根據(jù)統(tǒng)計，2020年7月-2021年2月份新上市的電動汽車中，30%~80%SOC快充時間，平均為0.55h（圖1），與客戶期望的接近傳統(tǒng)汽油車加油體驗還存在著較大的差距。


客戶對理想、快充時間的滿意度如圖2所示，15min為客戶滿意度較高的充電時間，為了滿足客戶對短充電時間的需求，大功率充電技術(shù)應(yīng)運而生。本文將從產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃、標準預(yù)研、技術(shù)研究，以及成本等多個維度分析電動汽車大功率充電市場規(guī)模化的關(guān)鍵因素。


1用戶需求
國家對高速公路和城鄉(xiāng)公共充電網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的規(guī)劃為適度超前、快充為主、慢充為輔，客戶對大功率充電技術(shù)的需求場景可按車型和區(qū)域進行劃分。
按車型：分為長續(xù)航里程電動汽車及出租網(wǎng)約運營電動汽車。目前電動汽車的續(xù)航里程逐漸向500km以上集中，像小鵬、廣汽、北汽、特斯拉等車企更是推出了650km以上續(xù)航的車型，所搭載電池電量80kW•h以上。如果還按照60kW的常規(guī)功率充電，顯然己不能滿足需求；另一種對大功率充電有需求的車型為出租網(wǎng)約等運營車型，車主和運營商對于補電速度有迫切需求，用時間換取更大運營利潤。
按區(qū)域：分為特大城市和高速公路。首先像北上廣深這樣的特大城市，停車位資源、非常緊張，擁有屬于自己并具備充電樁安裝條件的停車位十分困難，對大功率公共快充有很大需求；另一方面，隨著電動汽車的普及發(fā)展，遠行是必然趨勢，高速公路服務(wù)區(qū)在節(jié)假日已出現(xiàn)電動汽車排隊集中充電的現(xiàn)象，現(xiàn)有的充電技術(shù)無法滿足這種大量電動汽車出行對于快速補電需求。
2政策因素
在未來510年，新能源汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展及完全市場化離不開政策扶持。大功率充電技術(shù)作為新能源領(lǐng)域前沿技術(shù)，同樣需要法規(guī)政策的扶持以及產(chǎn)業(yè)的引導(dǎo)。
2.1大功率充電標準趨勢
標準引領(lǐng)產(chǎn)品和技術(shù)的發(fā)展。目前行業(yè)內(nèi)針對大功率充電標準存在兩條技術(shù)路線之爭，其中技術(shù)路線一為以國網(wǎng)及中電聯(lián)聯(lián)合主導(dǎo)的全新ChaoJi充電技術(shù)標準，在2020年6月發(fā)布的《電動汽車ChaoJi傳導(dǎo)充電技術(shù)白皮書》對ChaoJi充電技術(shù)標準的編制規(guī)劃為，在2021年12月前，完成相關(guān)標準國標、行準的編制工作，在2022年，完成ChaoJi技術(shù)相關(guān)標準制修訂，預(yù)計2023前后有望發(fā)布。標準理論上支持最高功率900kW，且具備足夠的前瞻性及向前向后兼容性。
另一條技術(shù)路線為以中國汽車技術(shù)研究中心為代表主推在現(xiàn)有GB/T2015版本基礎(chǔ)上進行升級，以適應(yīng)大功率充電技術(shù)的需求。
目前兩條路線的標準均未獲得立項審批，未來是按照全新的ChaoJi標準發(fā)展，還是在原標準基礎(chǔ)上升級路線發(fā)展，目前尚未明朗，但可以肯定的是，未來的大功率充電標準必定是二者中其一。
2.2大功率充電產(chǎn)業(yè)規(guī)劃
由中電聯(lián)和國家電網(wǎng)于2020年6月聯(lián)合發(fā)布的《電動汽車ChaoJi傳導(dǎo)充電技術(shù)白皮書》對ChaoJi產(chǎn)業(yè)推廣做了明確規(guī)劃，計劃用15年的時間，在電動汽車和充電設(shè)施行業(yè)同步開展新一代ChaoJi技術(shù)產(chǎn)業(yè)推廣和升級，其中2022～2035年為過渡期，ChaoJi接口和2015版國標接口在市場上并存。圖3所示為20202030年ChaoJi充電技術(shù)產(chǎn)業(yè)推廣規(guī)劃路線圖，2025年后ChaoJi充電的新（29%)/雙接口樁(53%）將占大多數(shù)。


雖然大功率標準還未發(fā)布，但部分車企已經(jīng)在進行超充樁的布局了。大眾在power day發(fā)布會上宣布，到2025年，將在中國布設(shè)1.7萬個充電樁，遍布大多數(shù)城市，充電功率120~300kW；特斯拉截止2020年底，己在我國開放充電站
730座，充電網(wǎng)絡(luò)覆蓋300個以上城市，形成了橫跨東西、縱觀南北的充電網(wǎng)絡(luò)，支持250kW的峰值充電功率；以國網(wǎng)為代表的充電樁企業(yè)在2020年己建成采用ChaoJi技術(shù)的大功率充電示范站，完成了技術(shù)儲備，一旦大功率充電標準發(fā)布，即具備大規(guī)模具備的條件，相信在大功率充電車輛普及之時，超充樁會早一步完成產(chǎn)業(yè)布局。
2.3大功率充電行業(yè)動態(tài)
圖4所示為己發(fā)布搭載大功率充電的OEM信息。到2022年，搭載大功率充電技術(shù)的OEM將逐漸增多，且搭載該技術(shù)的品牌也有從高端逐漸往普通品牌下沉的趨勢。


其中，特斯拉大功率充電技術(shù)路線為在400V電壓平臺基礎(chǔ)上提升充電電流的方案·以比亞迪為代表的部分車企在保持250A電流邊界下提高整車電壓平臺；其余大部分品牌在提高電壓平臺的同時，增大了充電電流，以便支持更大的充電功率。
3技術(shù)解決方案
3.1大功率充電高壓系統(tǒng)解決方案
行業(yè)六種大功率充電系統(tǒng)解決方案見表10方案一為全400V（低電壓平臺）系統(tǒng)＋升流方案，方案二為全800V（高電壓平臺）系統(tǒng)方案，方案三為在方案二基礎(chǔ)上增加DC升壓模塊，以兼容市場上最大輸出電壓為500V以下的充電樁充電；方案四、方案五為部分800V＋保留部分400V方案，充電時使用800V電壓充電，放電時部分負載在800V下工作，部分負載在400V電壓下工作；方案六則實現(xiàn)電池包在400V與800V電壓間切換，充電時為了提升充電功率將電池包電壓切換為800V，放電時切換為400V放電。對應(yīng)地，六種大功率充電系統(tǒng)解決方案高壓架構(gòu)見表2。上述各個方案各有優(yōu)劣，各廠家可根據(jù)各自需求進行方案設(shè)計。




3.2關(guān)鍵零部件解決方案
3.2.1電池技術(shù)
技術(shù)現(xiàn)狀：動力電池的充電倍率直接關(guān)系到大功率充電能否實現(xiàn)。行業(yè)主流電芯的充電倍率見表3，其最大充電倍率均在2C以下，很明顯，按照當前的充電倍率，很難實現(xiàn)滿足大功率充電需求。


技術(shù)趨勢：電池供應(yīng)商規(guī)劃中充電倍率2.6 C 以下快充電芯資源見表4 ?2022 年底實現(xiàn)量產(chǎn)的快充電芯最大充電率可達到2.6C，且可選擇產(chǎn)品多；另外，在2021年GNEVll大會上，7德時代表示目前己具備1.6C、2.2C、3C、4C、5C的快充電池技術(shù)；廣汽也發(fā)布了石墨烯快充電池，支持旺的充電倍率，可在8min內(nèi)將電池soc充至80%。


小結(jié)：從電池供應(yīng)商的技術(shù)路線來看，預(yù)計在2025年，動力電池的充電倍率將不再成為制約大功率充電的技術(shù)因素。
3.2.2電驅(qū)動系統(tǒng)
技術(shù)現(xiàn)狀：目前行業(yè)主流的電驅(qū)動系統(tǒng)有兩種電壓規(guī)格：750V和1200V。其中750V電驅(qū)動產(chǎn)品已經(jīng)很成熟，特斯拉己實現(xiàn)SiC功率器件在量產(chǎn)車上的應(yīng)用。而隨著整車電壓平臺的提升，需要電驅(qū)動產(chǎn)品向1200V發(fā)展。市場上1200V電驅(qū)動產(chǎn)品尚未成熟，行業(yè)1200VIGBT資源見表5。


目前已量產(chǎn)的具備車規(guī)級1200V IGBT模塊產(chǎn)品，可選范圍技術(shù)趨勢：電池供應(yīng)商規(guī)劃中充電倍率2.6C以下快充相對少。由于SiC材料具有耐高壓等優(yōu)點，要發(fā)展高電壓，需要SiC 技術(shù)的支持。
技術(shù)趨勢：相比IGBT,SiC功率器件在耐壓以及功率損耗方面更具技術(shù)優(yōu)勢，在高壓化以及效率提升的貢獻上己被行業(yè)普遍認可，行業(yè)內(nèi)像日立、德爾福、英飛凌等企業(yè)均已實現(xiàn)SOOY逆變器的量產(chǎn)。
小結(jié)：隨著第三代半導(dǎo)體的技術(shù)發(fā)展，SiC高電壓電驅(qū)產(chǎn)品己不存在技術(shù)瓶頸，預(yù)計2025年在高端車上可實現(xiàn)性能及成本的平衡，滿足未來大功率充電高壓平臺需求。
3.2.3冷卻技術(shù)
隨著充電電流的增大，充電系統(tǒng)的冷卻問題將成為大功率充電技術(shù)需要解決的關(guān)鍵技術(shù)課題。大功率充電系統(tǒng)需要冷卻的對象主要包括電池包、高壓線纜以及充電連接器，下面將逐一進行說明。


電池包冷卻：等效電流對應(yīng)的電池產(chǎn)熱量見表6。隨著充電電流的增大，電池產(chǎn)熱隨也之增加。當?shù)刃С潆婋娏饔?80A提升至500A，電池產(chǎn)熱將增加3倍，給電池冷卻帶來了很大的挑戰(zhàn)。行業(yè)電池冷卻解決方案見表7，分為風(fēng)冷、液冷、直冷和浸沒式冷卻等新興方式。以上方案在成本、性能上各具優(yōu)缺點，目前行業(yè)液冷及直冷應(yīng)用正在逐漸增多，且向集成化方案發(fā)展。為應(yīng)對大功率充電的挑戰(zhàn)，行業(yè)傾向于在直冷、浸沒式冷卻上不斷優(yōu)化，以滿足大功率產(chǎn)熱量增加的冷卻需求，同時尋求其他新興冷卻技術(shù)路線，如浸沒式冷卻方案。




高壓線纜冷卻：在2015充電國家標準框架下，最大充電電流限制在250A以內(nèi)，線徑50mm2的高壓充電線纜3無須冷卻即可滿足需求。隨著大功率充電電流的提升，需要考慮線纜的冷卻方案。以最大400A充電電流為前提，目前行業(yè)內(nèi)有三種解決方案進行冷卻，見表8：高壓線束冷卻解決方案，分別為自然冷卻、油冷、液冷。三種高壓線束冷卻方案各有優(yōu)缺點，行業(yè)普遍共識為當充電電流低于400A時，采用自然冷卻。如果采用冷卻介質(zhì)冷卻方案，則需要新設(shè)冷卻系統(tǒng)，增加系統(tǒng)失效點的同時，整車成本也會增加。當充電電流超過400A時，結(jié)合實測數(shù)據(jù)考慮采用加冷卻介質(zhì)的方案。


直流充電連接器冷卻：目前ChaoJi工作組成員單位有在進行應(yīng)對HPC功能的液冷充電接口方案的研究與探索，且已經(jīng)取得了一定的進展與成果。充電接口液冷技術(shù)方案見表9。

4零部件成本
除政策支持以及車樁關(guān)鍵技術(shù)的突破外，大功率充電技術(shù)的普及還取決于大功率充電系統(tǒng)成本能否下降至客戶接受的范圍，這其中挑戰(zhàn)較大的為大倍率快充電芯的成本。目前高倍率快充電J[t的成本（2.6C）較同材料普通電J[t上漲5%30%每瓦時不等；其次，高電壓平臺零部件的成本，尤其是SiC驅(qū)動產(chǎn)品，受限于成品率和生產(chǎn)規(guī)模成本也相對較高，目前國際上SiC價格是Si基產(chǎn)品5～6倍，電驅(qū)動總成的成本也會有10%20%的上漲。因此想要將成本降下來，關(guān)鍵是要形成規(guī)模效應(yīng)。預(yù)測2022年會優(yōu)先在高端性能車上使成本和性能得到平衡，當達到一定的規(guī)模后，可以向普通車型下探，從而促進大功率充電技術(shù)的大規(guī)模普及。

5結(jié)論
基于前文所述大功率充電法規(guī)政策規(guī)劃、產(chǎn)業(yè)發(fā)展動態(tài)以及關(guān)鍵零部件技術(shù)及成本分析預(yù)計大功率充電技術(shù)市場規(guī)?；瘜⒁?025年作為時間拐點。2025年之前，大功率充電標準方向?qū)⒅饾u明朗，加上產(chǎn)業(yè)規(guī)劃的引導(dǎo)，預(yù)測在高端性能車上將少批量搭載大功率充電技術(shù)的產(chǎn)品，作為主機廠展現(xiàn)品牌技術(shù)力的體現(xiàn)；2025年之后，大功率充電技術(shù)的實現(xiàn)將不再存在技術(shù)瓶頸，且隨著大功率充電基礎(chǔ)設(shè)施的普及，充電系統(tǒng)關(guān)鍵零部件成本的進一步下降以及客戶感知性能提升所帶來的優(yōu)勢，都將全面推動大功率充電電動汽車產(chǎn)品的市場規(guī)模化，最終滿足客戶的需求。
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