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东风日产 | 大功率充电规模化关键要素分析

2021-11-15 20:13:11·  来源：电动学堂  作者：韦德启等  
　
文章来源：东风日产乘用车公司技术中心引言《新能源汽车产业发展规划（2021-2035年）》明确提出，发展新能源汽车是我国从汽车大国迈向汽车强国的必由之路，预计
文章来源：东风日产乘用车公司技术中心

引言
《新能源汽车产业发展规划（2021-2035年）》明确提出，发展新能源汽车是我国从汽车大国迈向汽车强国的必由之路，预计到2025年，我国新能源汽车新车销售量达到汽车新车销售总量的20%左右，电动汽车的普及趋势己不可逆转。
随着电池能量密度的提升，市场上500km、600km长续
航的电动汽车产品越来越多，续航己不再是客户购买电动汽车的焦虑点。另一方面，高续航也意味着电池电量的增加，在现有的充电体系下，充电慢、充电难己成为客户使用电动汽车的一大痛点，亟待解决。根据统计，2020年7月-2021年2月份新上市的电动汽车中，30%~80%SOC快充时间，平均为0.55h（图1），与客户期望的接近传统汽油车加油体验还存在着较大的差距。


客户对理想、快充时间的满意度如图2所示，15min为客户满意度较高的充电时间，为了满足客户对短充电时间的需求，大功率充电技术应运而生。本文将从产业发展规划、标准预研、技术研究，以及成本等多个维度分析电动汽车大功率充电市场规模化的关键因素。


1用户需求
国家对高速公路和城乡公共充电网络基础设施建设的规划为适度超前、快充为主、慢充为辅，客户对大功率充电技术的需求场景可按车型和区域进行划分。
按车型：分为长续航里程电动汽车及出租网约运营电动汽车。目前电动汽车的续航里程逐渐向500km以上集中，像小鹏、广汽、北汽、特斯拉等车企更是推出了650km以上续航的车型，所搭载电池电量80kW•h以上。如果还按照60kW的常规功率充电，显然己不能满足需求；另一种对大功率充电有需求的车型为出租网约等运营车型，车主和运营商对于补电速度有迫切需求，用时间换取更大运营利润。
按区域：分为特大城市和高速公路。首先像北上广深这样的特大城市，停车位资源、非常紧张，拥有属于自己并具备充电桩安装条件的停车位十分困难，对大功率公共快充有很大需求；另一方面，随着电动汽车的普及发展，远行是必然趋势，高速公路服务区在节假日已出现电动汽车排队集中充电的现象，现有的充电技术无法满足这种大量电动汽车出行对于快速补电需求。
2政策因素
在未来510年，新能源汽车产业的发展及完全市场化离不开政策扶持。大功率充电技术作为新能源领域前沿技术，同样需要法规政策的扶持以及产业的引导。
2.1大功率充电标准趋势
标准引领产品和技术的发展。目前行业内针对大功率充电标准存在两条技术路线之争，其中技术路线一为以国网及中电联联合主导的全新ChaoJi充电技术标准，在2020年6月发布的《电动汽车ChaoJi传导充电技术白皮书》对ChaoJi充电技术标准的编制规划为，在2021年12月前，完成相关标准国标、行准的编制工作，在2022年，完成ChaoJi技术相关标准制修订，预计2023前后有望发布。标准理论上支持最高功率900kW，且具备足够的前瞻性及向前向后兼容性。
另一条技术路线为以中国汽车技术研究中心为代表主推在现有GB/T2015版本基础上进行升级，以适应大功率充电技术的需求。
目前两条路线的标准均未获得立项审批，未来是按照全新的ChaoJi标准发展，还是在原标准基础上升级路线发展，目前尚未明朗，但可以肯定的是，未来的大功率充电标准必定是二者中其一。
2.2大功率充电产业规划
由中电联和国家电网于2020年6月联合发布的《电动汽车ChaoJi传导充电技术白皮书》对ChaoJi产业推广做了明确规划，计划用15年的时间，在电动汽车和充电设施行业同步开展新一代ChaoJi技术产业推广和升级，其中2022～2035年为过渡期，ChaoJi接口和2015版国标接口在市场上并存。图3所示为20202030年ChaoJi充电技术产业推广规划路线图，2025年后ChaoJi充电的新（29%)/双接口桩(53%）将占大多数。


虽然大功率标准还未发布，但部分车企已经在进行超充桩的布局了。大众在power day发布会上宣布，到2025年，将在中国布设1.7万个充电桩，遍布大多数城市，充电功率120~300kW；特斯拉截止2020年底，己在我国开放充电站
730座，充电网络覆盖300个以上城市，形成了横跨东西、纵观南北的充电网络，支持250kW的峰值充电功率；以国网为代表的充电桩企业在2020年己建成采用ChaoJi技术的大功率充电示范站，完成了技术储备，一旦大功率充电标准发布，即具备大规模具备的条件，相信在大功率充电车辆普及之时，超充桩会早一步完成产业布局。
2.3大功率充电行业动态
图4所示为己发布搭载大功率充电的OEM信息。到2022年，搭载大功率充电技术的OEM将逐渐增多，且搭载该技术的品牌也有从高端逐渐往普通品牌下沉的趋势。


其中，特斯拉大功率充电技术路线为在400V电压平台基础上提升充电电流的方案·以比亚迪为代表的部分车企在保持250A电流边界下提高整车电压平台；其余大部分品牌在提高电压平台的同时，增大了充电电流，以便支持更大的充电功率。
3技术解决方案
3.1大功率充电高压系统解决方案
行业六种大功率充电系统解决方案见表10方案一为全400V（低电压平台）系统＋升流方案，方案二为全800V（高电压平台）系统方案，方案三为在方案二基础上增加DC升压模块，以兼容市场上最大输出电压为500V以下的充电桩充电；方案四、方案五为部分800V＋保留部分400V方案，充电时使用800V电压充电，放电时部分负载在800V下工作，部分负载在400V电压下工作；方案六则实现电池包在400V与800V电压间切换，充电时为了提升充电功率将电池包电压切换为800V，放电时切换为400V放电。对应地，六种大功率充电系统解决方案高压架构见表2。上述各个方案各有优劣，各厂家可根据各自需求进行方案设计。




3.2关键零部件解决方案
3.2.1电池技术
技术现状：动力电池的充电倍率直接关系到大功率充电能否实现。行业主流电芯的充电倍率见表3，其最大充电倍率均在2C以下，很明显，按照当前的充电倍率，很难实现满足大功率充电需求。


技术趋势：电池供应商规划中充电倍率2.6 C 以下快充电芯资源见表4 ｡2022 年底实现量产的快充电芯最大充电率可达到2.6C，且可选择产品多；另外，在2021年GNEVll大会上，7德时代表示目前己具备1.6C、2.2C、3C、4C、5C的快充电池技术；广汽也发布了石墨烯快充电池，支持旺的充电倍率，可在8min内将电池soc充至80%。


小结：从电池供应商的技术路线来看，预计在2025年，动力电池的充电倍率将不再成为制约大功率充电的技术因素。
3.2.2电驱动系统
技术现状：目前行业主流的电驱动系统有两种电压规格：750V和1200V。其中750V电驱动产品已经很成熟，特斯拉己实现SiC功率器件在量产车上的应用。而随着整车电压平台的提升，需要电驱动产品向1200V发展。市场上1200V电驱动产品尚未成熟，行业1200VIGBT资源见表5。


目前已量产的具备车规级1200V IGBT模块产品，可选范围技术趋势：电池供应商规划中充电倍率2.6C以下快充相对少。由于SiC材料具有耐高压等优点，要发展高电压，需要SiC 技术的支持。
技术趋势：相比IGBT,SiC功率器件在耐压以及功率损耗方面更具技术优势，在高压化以及效率提升的贡献上己被行业普遍认可，行业内像日立、德尔福、英飞凌等企业均已实现SOOY逆变器的量产。
小结：随着第三代半导体的技术发展，SiC高电压电驱产品己不存在技术瓶颈，预计2025年在高端车上可实现性能及成本的平衡，满足未来大功率充电高压平台需求。
3.2.3冷却技术
随着充电电流的增大，充电系统的冷却问题将成为大功率充电技术需要解决的关键技术课题。大功率充电系统需要冷却的对象主要包括电池包、高压线缆以及充电连接器，下面将逐一进行说明。


电池包冷却：等效电流对应的电池产热量见表6。随着充电电流的增大，电池产热随也之增加。当等效充电电流由180A提升至500A，电池产热将增加3倍，给电池冷却带来了很大的挑战。行业电池冷却解决方案见表7，分为风冷、液冷、直冷和浸没式冷却等新兴方式。以上方案在成本、性能上各具优缺点，目前行业液冷及直冷应用正在逐渐增多，且向集成化方案发展。为应对大功率充电的挑战，行业倾向于在直冷、浸没式冷却上不断优化，以满足大功率产热量增加的冷却需求，同时寻求其他新兴冷却技术路线，如浸没式冷却方案。




高压线缆冷却：在2015充电国家标准框架下，最大充电电流限制在250A以内，线径50mm2的高压充电线缆3无须冷却即可满足需求。随着大功率充电电流的提升，需要考虑线缆的冷却方案。以最大400A充电电流为前提，目前行业内有三种解决方案进行冷却，见表8：高压线束冷却解决方案，分别为自然冷却、油冷、液冷。三种高压线束冷却方案各有优缺点，行业普遍共识为当充电电流低于400A时，采用自然冷却。如果采用冷却介质冷却方案，则需要新设冷却系统，增加系统失效点的同时，整车成本也会增加。当充电电流超过400A时，结合实测数据考虑采用加冷却介质的方案。


直流充电连接器冷却：目前ChaoJi工作组成员单位有在进行应对HPC功能的液冷充电接口方案的研究与探索，且已经取得了一定的进展与成果。充电接口液冷技术方案见表9。

4零部件成本
除政策支持以及车桩关键技术的突破外，大功率充电技术的普及还取决于大功率充电系统成本能否下降至客户接受的范围，这其中挑战较大的为大倍率快充电芯的成本。目前高倍率快充电J[t的成本（2.6C）较同材料普通电J[t上涨5%30%每瓦时不等；其次，高电压平台零部件的成本，尤其是SiC驱动产品，受限于成品率和生产规模成本也相对较高，目前国际上SiC价格是Si基产品5～6倍，电驱动总成的成本也会有10%20%的上涨。因此想要将成本降下来，关键是要形成规模效应。预测2022年会优先在高端性能车上使成本和性能得到平衡，当达到一定的规模后，可以向普通车型下探，从而促进大功率充电技术的大规模普及。

5结论
基于前文所述大功率充电法规政策规划、产业发展动态以及关键零部件技术及成本分析预计大功率充电技术市场规模化将以2025年作为时间拐点。2025年之前，大功率充电标准方向将逐渐明朗，加上产业规划的引导，预测在高端性能车上将少批量搭载大功率充电技术的产品，作为主机厂展现品牌技术力的体现；2025年之后，大功率充电技术的实现将不再存在技术瓶颈，且随着大功率充电基础设施的普及，充电系统关键零部件成本的进一步下降以及客户感知性能提升所带来的优势，都将全面推动大功率充电电动汽车产品的市场规模化，最终满足客户的需求。
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