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大功率充电桩在孤军作战?

2019-08-06 浏览次数:1,436 次 第一电动网

虽然景色诱人,但前往的道路也许并未就绪。

“我们的500kW大功率充电桩,一个小时可以充500度电,普通的纯电动车10分钟左右即可充满。”星星充电战略市场中心总经理向冀介绍说。

这是一组新能源汽车行业梦寐以求的数字,在打消续航焦虑的道路上,大功率充电桩似乎被视为救世主,它让纯电动车变成近乎完美的交通工具。

但世间,哪有完美二字。

充电设施企业为了缩短充电时间不遗余力,技术研发上也有了喜人的突破。但面向未来的市场化目标,充电接口的另一端,或许才是更应被重视的大山。

大功率充电桩,顾名思义,具备大输出功率的充电设施,一般来说数据上的定义为传导大功率充电技术充电功率≥350kW,充电时间约为10-15分钟,续航里程可达300公里。它的出现,一方面可以提高整个充电场站的运营效率和收益,更大的意义在于,其将有效缩短充电等待时间,解决续航焦虑的问题。

日本电动汽车用快速充电器协会(CHAdeMP)将快速充电的输出功率定义在120kW-180kW,最大充电电流300A。根据规划,到2025年以后充电功率将进一步提高到350kW-400kW,最大充电电流400A,电压平台设定为1000V。

国内也有相关的技术路线,即2018年-2019年,大功率充电关键技术研究、关键标准制定(如大功率充电接口、液冷电缆组件、通信协议)、小规模试运行;2020年-2022年,投入商用;2023年-2025年,开始大规模投入使用。

去年9月,中国电力企业联合会与日本电动汽车用快速充电器协会(CHAdeMO)签署备忘录,双方会在充电设施国际标准化方面进行协商,并重点推进电动汽车大功率充电领域合作。据悉,双方将在2020年前共同研发大功率充电桩,目标是10分钟即可将车辆充满电。

关于大功率充电的界定,国内的标准一直比较模糊,功率值的界定并不清晰。不过,针对快速充电标准,新的国标有望在1-2年内发布实施。“据我所知,目前有一个正在计划中的国家标准还未正式出台,出台后将定义基于未来的大功率充电桩,现在还处于试点阶段。”普天新能源充电设备负责人彭博透露。

目前全球充电标准大致可分为五大类,分别为日本CHAdeMO、中国GB/T、美国COMBO(CCS1)、欧洲CCS以及特斯拉自己的标准。彭博口中的新国标,即新版GB/T快速充电标准,新版本中1500V和600A时最大功率可达到900kW(现版GB/T在950V和250A时提供237.5kW)。

各国都在努力推进大功率充电标准的同时,技术储备进度如何?

今年3月,占据全美70%充电桩份额的ChargePoint宣布,将推出Express Plus模块化平台,专为主要道路或运输仓库的企业和充电中心而设计,可为纯电动车提供高达400kW的充电输出功率。

同月,特斯拉首席执行官埃隆·马斯克在一份声明中表示,第三代特斯拉超级充电站即将投入运营,站内的充电桩输出功率或高达350kW。

国内方面,星星充电自主研发的大功率充电桩已蓄势待发,“我们为公交和4C倍率的电池配套的大功率快充,已经与保时捷的产品做了对口测验,可以实现非常快的充电,(功率为)500kW、(电压为)1000V、(电流为)500A。这个产品正常情况我们至少需要18个月的研发周期,但是因为我们有工业互联网,在前期已经采集了大量的用户数据和大量的产品数据,所以极大的压缩了我们的研发成本,压缩了研发时间,大概用了12个月的时间,提高了我们研发的效率50%,这个产品已经下线。” 星星充电董事长邵丹薇介绍说。

“普天新能源已有充电功率400kW以上的液冷充电桩处于验证阶段,目标是15分钟从20%充到80%。”彭博说。
特来电技术研究院副院长、电气技术中心总经理穆晓鹏表示:“特来电的大功率充电桩充电功率可达450kW,今年已经在和车企进行对接测试,将根据国标的推进情况安排投放市场。”

除充电设施企业外,新能源车企也在布局自己的超级充电站,但充电功率要小不少。小鹏超级充电桩采用180kW双枪直流快充桩,通过柔性分配单枪可实现最高120kw的充电功率,平均功率可达90kw;不久前,蔚来官方宣布,105kW超级充电桩在苏州蔚来交付中心开启试运营。

液冷和密封,大功率充电桩的关键

从技术上说,大功率充电桩需要做诸多特殊的设计和调整,其中散热系统和密封技术是保证可靠性与安全性的关键。

动辄数百千瓦的充电功率,传统的风冷已无法满足大功率充电桩的散热需求,用一位充电设施企业技术负责人的话来说,“液冷技术是可见范围内最实际的解决方案。”

液冷技术的原理并不复杂,简单来说,即在电缆和充电枪之间设置一个专门的循环通道,通道内加入起散热作用的冷却液,通过动力泵推动液体循环从而把热量带出。

液体冷却方式可以缩小电缆直径,使其轻量化。我们在询问多家充电设施企业后发现,各家的技术思路比一,只是由于核心元器件的来源(进口或自主研发)不同,造成了细节上的差异而已。
这里就要提及成本问题,虽然星星充电、特来电等头部企业均表示IGBT等功率元器件已实现自主研发,但多数企业的相关零部件还是依赖于进口。“国内还是依靠进口,产业发展相对保守一些,还是按照既定的技术路线走,一些核心器件受控于进口。”万马爱充相关负责人曾表示。

此外向冀坦言,液冷技术难度还是比较高的,在电流、电压非常大的情况下,系统非常容易发热,电损也会比较高。

一位星星充电相关技术的负责人向我们表示,充电设备散热问题直接决定设备的使用寿命和稳定性,通过热仿真技术研究大功率充电系统内部发热量及选择合适的散热方式极为关键。采用液冷技术对大功率充电设备散热时,需要解决系统设计散热管道排布,冷却液的选择等问题。

目前应用最多的冷却液为复合型绝缘油,线缆为一体式液冷线缆,与普通线缆相比,液冷线缆可以一边导电,一边用冷却液散热。

液冷不同于风冷,此前特斯拉的大功率充电桩曾被曝有冷却液泄露的隐患,密封技术需要被格外重视。

在穆晓鹏看来,特来电大功率充电桩在密封方面需要做特殊的设计和处理,以确保可靠性。“当管路发生泄露时,容易导致冷却系统失效,需要进行实时监控。”

他给出了三种对策:第一,基于流量信号变化的检测,采用质量/体积平衡法,评判质量/体积是否平衡;第二,基于压力信号变化的检测,采用负压波检漏法,捕捉压力下降波;第三,基于次声压力信号变化的检测,采用声波泄漏检测,检测与背景不同频率的次声波 ,来做判定保护。

技术准备好,还远远不够

纵然大功率充电桩有了突破性的发展,但前方道路上依旧存在很多未知数。

问题主要有二:其一,大功率充电如何保证电池安全和寿命,现在的电池技术是否能应对?其二,渴望大功率充电尽早落地的整车企业,产品是否能承受这种充电方式?

面对大功率充电下的电池问题,通用汽车中国首席技术专家杜江凌认为,重点在于电池的负极材料。“快充是一个充满潜力的研究领域,也是通往‘零排放’未来的路上必须解决的问题。电池负极就像一个大海绵,吸引锂离子从正极向负极传输。如果充电太快,相当于这些离子跑得太快,就会在负极表面形成结晶,从而降低负极的效率。好的负极材料可以使离子在传输时,迅速镶嵌到负极,不会在表面形成结晶,这样就不会影响到电池的循环次数。这也是我们电池研发团队目前的一个研究项目。”

我们在与通用中国科学研究院电池研究员孔德文的沟通中得知,通用中国前瞻技术科研中心已经将最新研发出的新型高功率电池授权给两家国际电池供应商进行量产,这款电池通过混合两种性能完全不同的电核贮能材料作为极耳,提高了低温功率特性和高温耐久性。

动力电池研究领域一直将此视为研发方向,但作为动力电池生产企业来说,日益白热化的竞争环境,或许不允许他们把过多的精力放在相对遥远的事情上。

当被问及是否有计划针对大功率充电进行技术升级时,安驰科技总经理徐小明坦言,“暂时不考虑。”他认为,大功率充电对电芯的发热、散热、安全、寿命都会提出新的挑战,“现有的电池,要进行PCAK的重新设计才有适应350kW大功率充电的可能性,我们目前不考虑做相关的技术升级的研发。”他还表示,大功率充电对电网负荷也是很大的挑战,目前中国的政策没有考虑这种情况的充电。

动力电池的主要问题在于安全和寿命,整车层面需要升级的则是电池管理系统、充电控制系统以及电压平台。
对此爱驰汽车动力系统副总裁吴畏认为,目前在售的车型,没有一款电池可以承受连续350kW的大功率充电,更不用说500kW。“充电桩具有350kW、450kW、甚至500kW的大功率充电能力,代表可以涵盖大电量电池包的充电功率需求,但是电池包的充电电流和功率边界要以不影响安全和寿命为前提。”

他表示,能适用大电流充电的电池包、电芯、模组、高压系统以及电池热管理系统,必须具有足够的耐受大电流能力,电池管理系统也需要做适应性的调整。

升级电压平台成为可行的方案之一,“如果要做大功率的充电,最佳的办法是提高电压平台,目前国外做350kW快充的电压平台都提高到700V-800V,这就需要所有的高压器件也要做相应的调整,或者通过大功率的DCDC进行电压转换。” 但吴畏也提出了自己的担忧,“目前国内电动车及高压部件的电压平台还是以350V为主,高电压零部件的资源有限。”

大众汽车学院技术培训师陈庆贵也提出了类似的观点,他表示大众品牌电动车目前还无法承受大功率充电,“大众的电动车电压平台都在400V,现在的车还做不到。”

这些困难,大家心知肚明,于是一些新能源整车企业将换电看作是更切实际的解决方案。“蔚来的能源补充,包括家充桩、超充桩、移动充电车、换电站、充电地图(公共桩)、蔚来能源云(一键代客加电调度体系)等,这是一个系统的组合,根据用户使用场景各取所长,互相补充。”蔚来汽车传播总监万锐认为,相对于大功率充电桩,换电要更加合理。

大功率充电一定是未来的发展趋势,这点毋庸置疑。但在起步阶段,大功率充电将会更多的应用于公共车辆、商用车、物流车、出租车等领域,并主要建设在高速公路上,对电网的短时冲击不得不考虑。此外,一些充电设施企业之所以能较快的实现商业化落地,离不开与整车企业的深度合作,普天新能源充电设备负责人彭博的一句话颇有深意,“乘用车领域短期内还无法大规模实现大功率充电,这需要充电设备和整车双轮驱动才行。”

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