深圳奧特迅電力設(shè)備股份有限公司總工程師李志剛

　　各位專家，下午好，我是奧特迅（002227）的李志剛，十分高興今天有機(jī)會來和大家進(jìn)行交流。我分享題目是《基于電動汽車柔性充電堆大功率充電技術(shù)》。

　　首先，我先介紹一個(gè)電動汽車充電行業(yè)的背景。

　　第一，新推出電動汽車車型的充電功率逐年加大，平均功率已經(jīng)接近六七十個(gè)千瓦，將來還會進(jìn)一步加大，電動汽車平均充電功率逐年增長，已經(jīng)是一種發(fā)展趨勢。

　　第二，在充電過程中充電功率也不是維持不變，充電電流一般在充電末期會向下調(diào)整。

　　第三，現(xiàn)在無論在國際還是國內(nèi)，大功率充電技術(shù)已成為當(dāng)前行業(yè)熱點(diǎn)。

　　在這種情況下怎么建充電設(shè)施？如何規(guī)劃？建成什么樣？是比較值得思考的一個(gè)問題。結(jié)合上面介紹的情況，我相信未來的電動汽車將會是以下情形：

　　第一，未來，車輛性能的差異會長期存在，既有要求安全性能高、充電速度快、續(xù)駛里程長的高端車型，又有要求安全性能一般、充電速度慢、續(xù)駛里程短的低端車型，不同車型差異化的充電功率需求將長期共存。

　　第二，車輛在充電過程中將根據(jù)電池的實(shí)際情況智能動態(tài)調(diào)整充電功率，充電過程中的差異化充電需求將長期存在。

　　第三，充電5分鐘，續(xù)航200公里以上，充電接近加油體驗(yàn)的大功率充電車型必將出現(xiàn)，而大功率充電技術(shù)將加劇充電功率需求的差異化。

　　那么，我們應(yīng)該建設(shè)什么樣的充電設(shè)施？電動汽車對充電設(shè)施的基本要求主要有以下幾個(gè)方面：

　　一是高度安全。安全無疑是電動汽車充電過程中需要重點(diǎn)考慮的因素。所以需要采取各種可能的手段來保證充電安全?？赏ㄟ^對充電設(shè)備、配電設(shè)備、周邊環(huán)境以及充電過程進(jìn)行全面監(jiān)控，并通過多重保護(hù)手段以及大數(shù)據(jù)專家系統(tǒng)的應(yīng)用等，來提升充電過程的安全。

　　二是高度兼容?，F(xiàn)在車輛電壓平臺差異很大，充電功率差異也很大，甚至通信協(xié)議也存在很多不同版本。所以，建設(shè)的充電設(shè)施必須要考慮其與各種不同電動汽車之間的兼容，包括電壓范圍兼容、功率范圍兼容、接口兼容、通信協(xié)議兼容等。

　　三是高效利用。上午可能很多充電運(yùn)營領(lǐng)域的專家也都提到過，現(xiàn)在充電設(shè)施運(yùn)營很難盈利。這主要涉及到充電設(shè)備的高效利用問題，包括能量傳輸過程中的轉(zhuǎn)換效率，也包括充電設(shè)備的利用率。從車主的角度講，充電設(shè)施應(yīng)使車主充電更加便捷。

　　四是高度智能。高度智能主要包括充電設(shè)備的自適應(yīng)、自診斷，以及與電網(wǎng)之間良好的互動，充電大數(shù)據(jù)的發(fā)掘應(yīng)用也對智能化產(chǎn)生重要的影響。

　　說完電動汽車對充電設(shè)施的需求，我們再來看一下現(xiàn)有充電設(shè)施的主要問題。目前，已經(jīng)建成的電動汽車充電設(shè)施，大多還是固定功率的充電設(shè)備，包括交流充電樁與固定功率充電機(jī)。

　　對于交流充電樁來說，充電時(shí)間長、設(shè)備分散，不便于管理、設(shè)備利用率極低，同時(shí)，對停車位、配電容量等社會資源的需求較高。

　　固定功率的直流充電設(shè)備，難以自動適應(yīng)電動汽車的差異化充電需求，難以適應(yīng)未來大功率充電的發(fā)展趨勢，充電基礎(chǔ)設(shè)施難以規(guī)劃，且整體利用率較低。

　　奧特迅在行業(yè)里一直推行電動汽車柔性充電堆技術(shù)。那么，什么是充電堆？充電堆就是將電動汽車充電站全部或部分充電模塊集中在一起形成功率池，并進(jìn)行集中監(jiān)控及調(diào)度，按充電過程中，電動汽車實(shí)際需求功率動態(tài)自動匹配最優(yōu)的充電模塊數(shù)量，同時(shí)為多輛電動汽車快速充電的高度集成化系統(tǒng)。

　　電動汽車柔性充電堆的簡單原理，把功率模塊整合在一起，集中進(jìn)行控制與調(diào)度。充電堆最核心的技術(shù)特點(diǎn)，就是功率融合+動態(tài)分配。圖中左上角展示的就是共享功率池，紅色代表已經(jīng)利用部分，黃色是還沒有利用的部分，通過共享功率，充電模塊的利用率可以達(dá)到最佳的實(shí)用效果。

　　下面展示的是奧特迅標(biāo)準(zhǔn)充電堆的關(guān)鍵參數(shù)。奧特迅建設(shè)的標(biāo)準(zhǔn)充電堆容量為1080kW，充電接口數(shù)量為8～24個(gè)，前兩年的直流輸出電壓范圍為200～950V，從今年開始，所有新建充電站的直流輸出電壓范圍均為200～1000V。充電終端的輸出電流分為兩檔：常規(guī)GB2015版充電槍為250A，大功率充電槍為600A。充電堆有兩種結(jié)構(gòu)形式，一種是集裝箱式，還有一種是微模塊式。隨充電堆配置的充電終端尺寸特別小，十分便于利用車位后部有限的空間安裝。

　　與傳統(tǒng)的充電設(shè)備相比，充電堆的最大優(yōu)勢在于利用率。我們通過MATLAB建立了一個(gè)仿真模型，在相同的裝機(jī)功率、車位數(shù)量、配電容量等條件下，通過改變同時(shí)充電的車輛數(shù)量和不同車輛的實(shí)際需求功率，來進(jìn)行對比分析。如果實(shí)際需求功率按13kW的步長從0增長到182kW，16個(gè)充電車位的實(shí)際需求功率組合情況將高達(dá)6.6×1018種，為了進(jìn)一步簡化計(jì)算，將充電車位數(shù)量縮減為4個(gè)，實(shí)際需求功率組合數(shù)量將縮減為19049種，充電67280車次。仿真的結(jié)果如下面的曲線所示。

　　通過仿真結(jié)果可以看出，當(dāng)平均充電功率比較小的時(shí)候，三種充電設(shè)備的充電能力差異并不是很大，但隨著平均充電功率逐步加大，三種不同充電設(shè)備的實(shí)際充電效果的差別就逐漸體現(xiàn)出來了。當(dāng)平均充電功率超過120kW后，充電堆的設(shè)備利用率要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其它兩種方案。未來，隨著電動汽車和動力電池技術(shù)的進(jìn)步，社會車輛平均充電功率不斷加大，我們相信具備功率分配的充電設(shè)備占比將逐步增加，我們預(yù)計(jì)到2025年，充電堆裝機(jī)功率將超過直流充電設(shè)備總裝機(jī)功率的10%以上。

　　最后，我們再來看一下仿真的結(jié)果：

　　當(dāng)社會平均充電功率較低時(shí)，充電堆方案與60kW充電機(jī)、120kW雙槍充電機(jī)的利用率差異較小，但隨著平均需求充電功率的提升，充電堆的利用率顯著提升，當(dāng)平均需求充電功率為80kW時(shí)，充電堆的利用率較60kW一體機(jī)、120kW雙槍一體機(jī)分別提升23%和8%，當(dāng)平均需求功率增加到160kW時(shí)，上述數(shù)值將提升到93%和16%。

　　隨著未來大功率應(yīng)用，大功率充電技術(shù)將加劇需求充電功率的差異。

　　充電堆易于拓展大功率充電功能。談到大功率充電，下面接下來介紹一下大功率充電技術(shù)。目前，電動汽車充電領(lǐng)域有兩個(gè)熱點(diǎn)，分別是大功率充電技術(shù)和無線充電技術(shù)。大功率充電技術(shù)目前存在兩個(gè)瓶頸，一個(gè)是電池技術(shù)，另外一個(gè)是大功率充電的連接裝置。電動汽車的動力電池組能否承受這么大的電流，充電連接裝置能否在不增加尺寸重量的情況下傳輸更多的能量，是大功率充電需要解決的兩大關(guān)鍵技術(shù)。

　　眼下，談到大功率充電，很多人就簡單地理解為帶液冷的大功率充電接口。其實(shí)，大功率充電技術(shù)應(yīng)該是一整套完整的解決方案，包括大功率充電的熱管理、數(shù)據(jù)導(dǎo)引控制、通信協(xié)議、安全保護(hù)機(jī)制等，是一個(gè)系統(tǒng)工程。

　　我們在制定大功率充電標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，將電壓分為1000V和1500V兩檔，分別適用于常規(guī)電動汽車和重載電動汽車。而電流可根據(jù)是否帶液冷系統(tǒng)，分為150（200）A和500（600）A兩檔，最大功率高達(dá)900kW，1000V電壓的大功率充電系統(tǒng)，最大裝機(jī)功率可達(dá)500（600）kW。

　　大功率充電設(shè)備設(shè)計(jì)有以下幾個(gè)技術(shù)要點(diǎn)：

　　（1） 熱管理系統(tǒng)。

　　為了在不增加體積和重量，在不影響操作者使用的情況下能夠傳輸更大的電流，大功率充電必須要配備熱管理系統(tǒng)。熱管理系統(tǒng)主要由下列部分組成的：1）熱交換，主要包括泵和散熱風(fēng)機(jī)、散熱片等；2）熱傳導(dǎo)；3）溫度監(jiān)測與保護(hù)。設(shè)計(jì)時(shí)，必須設(shè)計(jì)熱管理系統(tǒng)失效時(shí)的保護(hù)機(jī)制，可以通過檢測充電插頭溫度，當(dāng)超過設(shè)定的保護(hù)值（一般為90℃）時(shí)，通過限流或關(guān)機(jī)來進(jìn)行保護(hù)。

　　（2） 兼容設(shè)計(jì)。

　　大功率充電的兼容設(shè)計(jì)包括物理接口的兼容、控制導(dǎo)引電路兼容、通信協(xié)議兼容等多個(gè)方面。

　　在物理接口方面，我們國內(nèi)從2017年開始對大功率充電技術(shù)進(jìn)行研究，到目前位置已經(jīng)基本形成了大功率充電物理接口的方案。但由于大功率充電接口與GB2015版充電接口存在較大差異，所以必須考慮采用不同充電接口的車輛在不同的充電設(shè)施的兼容問題，以及充電設(shè)施為不同充電接口的電動汽車提供充電服務(wù)的兼容問題。目前，基本確定車端和樁端將采用不同的兼容解決方案。對樁端而言，將分別配置兩種不同的充電口來為采用不同充電接口的車輛充電，而裝有大功率充電接口的電動汽車，將通過適配器（Adaptor）在配置GB2015版充電槍的設(shè)備上充電。

　　在控制導(dǎo)引電路方面，由于大功率充電要求在更短的時(shí)間內(nèi)為電動汽車傳輸更多的能量，對保護(hù)及時(shí)性比常規(guī)充電給出更高要求，所以大功率充電控制導(dǎo)引電路采用全新設(shè)計(jì)，并充分考慮與GB2015、CCS、CHAdeMO等其它接口的兼容問題。新設(shè)計(jì)的控制導(dǎo)引電路，與GB2015版控制導(dǎo)引電路主要存在以下差異：

　　a）正常充電過程當(dāng)中只有一個(gè)電源，車端電源退出，從而保證在任何情況下均可準(zhǔn)確判斷異常的發(fā)生。規(guī)避了GB2015版控制導(dǎo)引電路中PE斷針無法檢測的問題；

　　b）在樁端和車端分別加了硬開關(guān)S1和S2，在緊急故障時(shí)可通過硬件開關(guān)來通知對方，比通信方式響應(yīng)更快；

　　3）CC端設(shè)置不同的編碼電阻，以實(shí)現(xiàn)不同的充電接口的識別和兼容;

　　4）車端設(shè)置Sv開關(guān)，避免車輛帶著插頭啟動。

　　在通信協(xié)議方面，現(xiàn)在行業(yè)里正在無錫開閉門會議，討論GB/T27930的修訂以及未來大功率充電的通信協(xié)議，這里面將增加一些版本相互通知和協(xié)商的機(jī)制，可自動完成車樁版本識別和協(xié)商，最終確定一個(gè)雙方接受的版本進(jìn)行充電過程的控制。

　　（3）安全設(shè)計(jì)

　　大功率充電的系統(tǒng)設(shè)計(jì)要充分考慮充電安全。與現(xiàn)有充電設(shè)施相比，主要在以下方面存在差異：（a）2015版充電過程中的絕緣監(jiān)測功能是由車輛來實(shí)現(xiàn)的，而在新的大功率充電方案里面，將有樁端對整個(gè)充電過程進(jìn)行絕緣監(jiān)測。樁端一般采用平衡橋+不平衡橋方式，實(shí)現(xiàn)對充電過程中動力母線的絕緣狀況進(jìn)行精準(zhǔn)的判斷，可同時(shí)檢測平衡接地和不平衡接地。同時(shí)，檢測電路的參數(shù)設(shè)計(jì)，應(yīng)保證正常充電時(shí)的人員觸電接觸電流不超過0.5mA，發(fā)生單點(diǎn)故障時(shí)的接觸電流不超過10mA。同時(shí)，還應(yīng)具備正負(fù)母線對地電容的檢測和保護(hù)功能。(b)充電過程中電動汽車和充電設(shè)備組成一個(gè)完整的系統(tǒng)，要整體考慮I2t、PE導(dǎo)線選擇、最大短路容量、機(jī)械結(jié)構(gòu)、PE斷線等與安全相關(guān)的問題。

　　為了推動電動汽車大功率充電技術(shù)研究，國家能源局在2018年批準(zhǔn)由國家電網(wǎng)、深圳奧特迅、星星充電3家企業(yè)建設(shè)電動汽車大功率充電試點(diǎn)項(xiàng)目，并開展大功率充電設(shè)備研制。下面圖片展示的是奧特迅在2018年底建成的大功率充電系統(tǒng)，系統(tǒng)額定電壓為950V DC，每個(gè)大功率充電終端分別帶兩個(gè)充電接口，大功率充電接口額定電流為500A，常規(guī)充電接口額定電流為250A。該試點(diǎn)是在奧特迅已經(jīng)建成的基于電動汽車柔性充電堆的集約式柔性公共充電站的基礎(chǔ)上改造的。由于充電堆的額定功率達(dá)到了MW級，所以只需更換兩個(gè)大功率充電終端即可實(shí)現(xiàn)大功率充電，升級十分方便。

　　我們在這個(gè)大功率充電系統(tǒng)進(jìn)行了大量試驗(yàn)，包括大功率實(shí)車充電測試，數(shù)據(jù)導(dǎo)引控制功能測試，通信協(xié)議驗(yàn)證，充電流程測試，大功率充電溫升測試，溫度監(jiān)測及保護(hù)功能測試，adaptor充電試驗(yàn)。下面圖中展示的是試驗(yàn)過程中的一些圖片，其中需要重點(diǎn)關(guān)注的一個(gè)點(diǎn)，是液冷系統(tǒng)對充電接口溫度監(jiān)測和保護(hù)的影響。我們通過試驗(yàn)波形可以看出，當(dāng)液冷系統(tǒng)不工作時(shí)，安裝在充電接口的溫度探頭能夠準(zhǔn)確充電接口兩側(cè)的溫度，但當(dāng)液冷系統(tǒng)啟動后，該溫度探頭僅能監(jiān)測到槍端的溫度，已經(jīng)不能準(zhǔn)確反應(yīng)車輛插座端的溫度了，所以要求車輛插頭、插座端均應(yīng)單獨(dú)安裝溫度探頭并進(jìn)行保護(hù)。

　　圖中展示了奧特迅大功率充電終端與奧迪etron實(shí)車大功率充電的完整充電曲線，當(dāng)時(shí)實(shí)際的充電電流為340A，整個(gè)充電過程大約為20多分鐘。另外，我們還分別和比亞迪（002594）、戴姆勒、廣汽、豐田等的大功率樣車或臺架進(jìn)行了大功率充電測試。

　　在2021年，能源局將啟動大功率充電示范。奧特迅將在深圳每個(gè)區(qū)布置大功率充電試點(diǎn)，而車企也會推出大功率充電示范運(yùn)營車輛來配合運(yùn)營，從而收集相關(guān)數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)和總結(jié)出現(xiàn)的各類問題，為后續(xù)的大功率充電標(biāo)準(zhǔn)制定做支撐。