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国内直流充电桩(直流快充解决方案)技术演进分析

文字:[大][中][小] 2021-11-17    浏览次数:172    

一、直流快充充电场景演进趋势

1.1 由单一集中式充电场站向 集中式+分布式 相补充的多元化场景协同发展
以往直流快充场站以占据城市及交通关键位置的集中式充电场站为绝大比例的存在形式,该建站方式对选址,电力容量均有较高的要求。由于当前锂电池技术的现状,短时间直流快充(满)时间还无法达到燃油汽车的相同速度体验,对于常规的乘用车充电,从10%到100%充满普遍仍然需要1.5~2个小时。因此,受制于充电体验(时长),集中式充电场站大部分面对的充电需求为营运型车辆为主(由于业务运营的连续性需要持续的大功率补电),及小比例的私家车主。根据主流充电运营平台及数据检测平台统计的运营数据,集中式直流快充场站中直流充电桩的利用率仍然较低,普遍在15%以下。固然新能源车辆的比例是一个现实因素,但是不可否认的是,大部分充电场站的选址以及目标用户的定位分析并不充分,因此也实际造成了一定的资源浪费。
目的地分布式充电场站将是完善充电网络的有效补充。如果说传统的集中式充电场站是“人找桩”,那么目的地分布式充电场站将是“桩等人”。充电用户在目的地停留的同时(通常>1小时以上)进行充电,对充电速度的时效性要求不高(一定程度的补电即可),即充电桩充电功率以20~30kW为主(乘用车为主)。同时,目的是分布式充电场站对位置及电力容量要求性的难度均较小,建站难度较低,具备普遍的推广条件。
1.2 集中式充电场站根据应用场景(环境)细分为“普通环境集中式充电站”+“严酷环境高防护集中充电站”+“350kW以上集中式超充站(液冷)” 
众所周知,充电桩在实际现场应用中普遍反映出由于环境原因造成的故障频发现象。究其原因,主要是因为充电桩核心部件充电模块的防护等级为IP20,对恶劣环境(沙尘,盐雾,凝露,导电粒子)的防护性能较弱,同时充电模块的功率密度较大,普遍工作在高电压、大电流状态下,进一步造成了对恶劣环境的敏感性。因此,有必要将严酷环境的充电场站独立于常规环境充电场站,采用特殊的充电场站(充电桩)的设计形式。目前针对严酷环境充电站,存在可行的两种升级解决方案,a)采用IP65独立风道充电模块;b)采用IP20充电模块+换热器/空调散热方案。
 随着全社会对电动汽车充电体验(速度)的持续提升需求,电池侧,主机厂以及配套的充电桩系统方案均在进行持续的变革。以主机厂为引导的高电压电池平台(800V以上),采用新型电池技术支撑4C~6C充电,所需要配套350kW以上及单枪充电电流支持最大500A上的“超级充电桩”(以下简称“超充桩”)。超充桩中的充电模块从行业参与者的意见看,普遍认为采用“液冷模块”是理想的技术方案。
二、直流充电桩技术发展趋势
直流充电桩产业经过十多年的发展和充分竞争,当前市场应用现状显露出几个主要问题:1、技术路线相对单一,90%以上采用直通风散热方案,从应用效果看,不能满足多元化应用场景对环境适应性,高可靠性的要求。2、市场竞争高度集中在价格竞争,而不是“产品价值创新”上的竞争。导致厂家普遍的降成本,产品可靠性降低。3、技术路线单一造成,充电桩展现的环境防护性能力不足,造成维护工作量大、维护成本高,最终导致整个生命周期的TCO较高。
2.1 集中式场站充电桩系统容量增大趋势随着电动汽车电池容量的普遍提升,充电桩单枪容量也普遍存在提升的需求。以A级电动车e-golf为例,电池容量为35.8kWH,可支持1C 35.8kW的最大充电功率,即A级入门车型在亏电状态下的最大充电功率需求已经超过35kW。 
从当前市场实际应用看,120kW双枪目前为市场铺装比例较大的充电桩规格,并有继续向160kW双枪容量演变的趋势,本质原因来源于动力电池密度的提升、充电倍率的提升。充电桩系统容量的增大需求也会带来充电模块颗粒度增大的配置需求。
 2.2 充电桩高压化趋势影响电动汽车普及化速度的一个重要因素是充电体验的提升,影响充电体验比重最高的两个因素,其一是寻找充电站(充电桩)的便利性,另外一个重要因素就是充电速度。当前电动乘用车从亏电(10%SOC)到充满(100%SOC)普遍需要1.5~2小时,该充电时间仍然有较大的提升空间,并逐步向燃油车15分钟满油时间追进。
电动汽车电气平台高压化是当前主机厂技术演进的一个趋势。在相同充电电流的情况下,高压化电池组能够支持更大的充电功率和更短的充电时间。国外保时捷2020年已经推出800V Taycan车型,国内北汽2021年5月份推出极狐支持800V充电,同时小鹏,蔚来、广汽等主要主机厂均有发布信息在规划800V以上高压车型,预计在未来2年内800V以上高压车型的推出数量会逐渐增多。在电动汽车高压化演变的趋势下,迫切需要充电桩能够提升充电电压上限至1000V,以支持在未来普遍应用的高压车型。根据理论分析,对于90kWh配置锂电池(续航约700公里),以1080V/最大500A高电压平台进行充电,最大充电功率540kW,达到6C充电能力,10分钟可将电池充满。据市场信息了解,广汽、小鹏、蔚来等主机厂,均已经在进行高倍率充电电池包和新车型(支持4C~6C)的规划。
基于该市场发展需求,国家电网公司在2021年5月份充电桩集采项目中,已明确要求中标充电桩规格需支持最高1000V充电,这无疑是一个重要的市场信号。
2.3 目的地充电站高可靠性、高紧凑度设计要求针对目的地充电站,已经有较为普遍的市场需求,需要新型式的小直流充电桩满足短期停留时间的直流补电。且该种场景下普遍面临:1、安装空间有限;2、要求充电机的外观较为美观(尤其是在商业空间环境下); 3、安装于户外的机型对环境防护/可靠性要求较高;4、绝大部分情况下无人值守,又反向对产品高可靠/免维护性提出了高需求。上述4大应用需求,对小直流充电机提出了高可靠性、高紧凑度的两大设计要求,这对充电机研发生产企业在设计上提出了较高的要求。
三、直流充电桩充电模块技术发展趋势作为充电桩系统内的核心关键部件,充电模块的技术方案、性能及可靠性直接影响着充电桩系统的整体性能。从过往十年的发展看,早期是市场上有什么可借用的现成技术方案(通信电源行业的IP20直通风技术方案),就以“拿来主义”的形式直接继承到充电桩行业。但当市场经历了十年多的发展,充电桩特有的应用环境已经证明:传统的单一技术方案,无法去支撑未来行业向更健康和更先进的目标发展。这时,就需要从充电模块的技术方案本身做创新性的思考和新技术方案的设计,以此来推动行业向更健康和更先进的方向发展。
3.1 20kW较大份额市场向20/30/40kW多元化配置市场发展当前国内市场,20kW模块占据市场容量比例约为60%左右,其余容量大比例由30kW占据,及部分40kW模块。随着近年来电动汽车电池容量的提升,充电倍率的提升,已经有明显的实际市场发展趋势:20kW较大份额市场正在逐渐向20kW,30kW,40kW多元化规格发展。 
主要原因是不同系统功率,不同充电枪功率分配需求的充电桩,需要不同的最合适功率颗粒度的充电模块。因此在充电模块的标准规格上,宜制定不同容量的系列化的充电模块。
3.2 30kW/40kW充电模块宜采用统一尺寸/统一接口的设计方案随着充电模块技术的发展演进和市场应用规模的逐渐成熟,充电模块产品的设计方向也在持续向高可靠性,高功率密度方向提升。对于市场上已经明确的30kW/40kW充电模块需求,应该减少以往在充电桩标准升级演进过程中,由于未考虑充分远期发展的兼容性,造成的充电桩由于模块规格迭代而进行的重复化设计工作。因此,对于30kW/40kW规格模块应从设计之初就向同结构尺寸,同接口尺寸的目标进行设计。 
3.3 输出电压范围上限由750V向1000V高压落地应用主机厂高压化电气平台的持续推进,推动充电桩基础设施配套升级。1000V最高输出电压已形成充电模块行业的共识,各充电模块主要厂商已经逐步推出1000V高压充电模块规格。
优优绿能在2018年上半年率先推出30kW/1000V充电模块,并陆续在2019年和2020年分别推出20kW/1000V和40kW/1000V模块。华为、英飞源、永联、通合、中兴等厂家也分别在2020年和2021年推出了1000V充电模块产品。
由于30kW/40kW的高功率密度,更高电压,更大电流,因此对产品可靠性提出了更大的挑战。部分推出30/40kW较晚的厂家,仍需要一定量、一定时间的市场应用去验证产品可靠性。
3.4  独立风道设计方案/IP65高防护方案的推广应用市场发展早期,成熟的IP20直通风技术产品支撑充电产业走过了近10年的发展阶阶段。在此过程中,充电桩安装使用环境所固有的户外,高温,沙尘,水气等环境因素对产品的可靠性带来了较大的考验。由于技术路线本身(直通风)就难以满足恶劣环境应用要求,因此造成充电桩产品较为普遍的故障率高,运维费用高等现象。再加上充分竞争后的价格走低(又需承担持续的维护费用),对大多数桩企的业务开展造成了极大的压力。行业中也存在部分厂商,宣称采用了“半独立风道”的改善方案。通过分析其细节后,实际上是采用了灌胶工艺将板面上的器件进行覆盖保护,板面以上较高的器件仍然会面临长时间灰尘、水气、盐雾的影响。虽然能在一定程度上延缓故障发生的时间,但未从本质上解决内部器件的环境防护问题。 

独立风道技术

在这种困境下,个别厂商推出了采用创新方案设计的“独立风道技术方案”。独立风道技术区别于常规IP20直通风技术,通过在结构设计以及内部关键器件布局上的创新,将模块内部分为上下两层。上层封装为对环境(沙尘,水气,盐雾等)敏感的器件,如电容、半导体、磁性元件等;下层为散热器等对环境不受影响的部件,而且下部的风道更为通畅,保证了换热效率。
以一台120kW充电桩为例,采用IP65高防护模块与采用常规IP20模块,以10年使用寿命的整个生命周期,去统计对比整体TCO(Total Cost of Ownership)。数据显示,从第三年开始,使用IP65高防护模块的总体拥有成本的经济性优势就已经体现出来了。相比IP20桩,5年TCO节省约1.2万元,10年TCO节省约5.2万元。 一台120kW充电桩 TCO对比  IP20模块VS IP65模块
随着独立风道技术的推出,其他充电场景的充电机产品(小功率直流,V2G充电机)也可以借鉴进行相应的设计升级。
3.5  高集成小功率直流充电机2.0的升级应用随着靠经用户测目的地充电体验的提升需求,7kW 交流充电已无法满足用户充电体验,小功率直流快充(20kW/30kW/40kW)正在得到越来越多的落地应用。小功率直流快充目前正在从第一阶段方案(充电模块+机壳)向第二阶段方案(高集成一体化充电机)优化演变。 更为理想的高集成一体化充电机方案,是将其中的关键单元充电模组设计为标准接口,标准尺寸、独立风道设计。通过此标准化的充电模组设计,充电模组可便于被第三方充电机系统商进行集成,在此基础上第三方系统商进行监控开发和造型设计,形成自有的产品系列。 
小功率直流 产品性能对比
采用独立风道方案的高集成一体式充电机,不管从外观上,还是从性能、可靠性上均要明显优于第一代“模块+机箱”式方案。因此,该方案成为当下各主机厂以及高品质工商业环境中分布式充电所关注的重点。关键优势点:外观档次高,低噪音绿色健康、长寿命(8~10年),运维费用极低。

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