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                            今天是2021年12月15日 星期三,歡迎光臨本站 安徽普為智能科技有限責任公司 網址: www.cdzzjj.com

                            資訊動態

                            國內直流充電樁(直流快充解決方案)技術演進分析

                            文字:[大][中][小] 2021-11-17    瀏覽次數:70    

                            一、直流快充充電場景演進趨勢

                            1.1 由單一集中式充電場站向 集中式+分布式 相補充的多元化場景協同發展
                            以往直流快充場站以占據城市及交通關鍵位置的集中式充電場站為絕大比例的存在形式,該建站方式對選址,電力容量均有較高的要求。由于當前鋰電池技術的現狀,短時間直流快充(滿)時間還無法達到燃油汽車的相同速度體驗,對于常規的乘用車充電,從10%到100%充滿普遍仍然需要1.5~2個小時。因此,受制于充電體驗(時長),集中式充電場站大部分面對的充電需求為營運型車輛為主(由于業務運營的連續性需要持續的大功率補電),及小比例的私家車主。根據主流充電運營平臺及數據檢測平臺統計的運營數據,集中式直流快充場站中直流充電樁的利用率仍然較低,普遍在15%以下。固然新能源車輛的比例是一個現實因素,但是不可否認的是,大部分充電場站的選址以及目標用戶的定位分析并不充分,因此也實際造成了一定的資源浪費。
                            目的地分布式充電場站將是完善充電網絡的有效補充。如果說傳統的集中式充電場站是“人找樁”,那么目的地分布式充電場站將是“樁等人”。充電用戶在目的地停留的同時(通常>1小時以上)進行充電,對充電速度的時效性要求不高(一定程度的補電即可),即充電樁充電功率以20~30kW為主(乘用車為主)。同時,目的是分布式充電場站對位置及電力容量要求性的難度均較小,建站難度較低,具備普遍的推廣條件。
                            1.2 集中式充電場站根據應用場景(環境)細分為“普通環境集中式充電站”+“嚴酷環境高防護集中充電站”+“350kW以上集中式超充站(液冷)” 
                            眾所周知,充電樁在實際現場應用中普遍反映出由于環境原因造成的故障頻發現象。究其原因,主要是因為充電樁核心部件充電模塊的防護等級為IP20,對惡劣環境(沙塵,鹽霧,凝露,導電粒子)的防護性能較弱,同時充電模塊的功率密度較大,普遍工作在高電壓、大電流狀態下,進一步造成了對惡劣環境的敏感性。因此,有必要將嚴酷環境的充電場站獨立于常規環境充電場站,采用特殊的充電場站(充電樁)的設計形式。目前針對嚴酷環境充電站,存在可行的兩種升級解決方案,a)采用IP65獨立風道充電模塊;b)采用IP20充電模塊+換熱器/空調散熱方案。
                             隨著全社會對電動汽車充電體驗(速度)的持續提升需求,電池側,主機廠以及配套的充電樁系統方案均在進行持續的變革。以主機廠為引導的高電壓電池平臺(800V以上),采用新型電池技術支撐4C~6C充電,所需要配套350kW以上及單槍充電電流支持最大500A上的“超級充電樁”(以下簡稱“超充樁”)。超充樁中的充電模塊從行業參與者的意見看,普遍認為采用“液冷模塊”是理想的技術方案。
                            二、直流充電樁技術發展趨勢
                            直流充電樁產業經過十多年的發展和充分競爭,當前市場應用現狀顯露出幾個主要問題:1、技術路線相對單一,90%以上采用直通風散熱方案,從應用效果看,不能滿足多元化應用場景對環境適應性,高可靠性的要求。2、市場競爭高度集中在價格競爭,而不是“產品價值創新”上的競爭。導致廠家普遍的降成本,產品可靠性降低。3、技術路線單一造成,充電樁展現的環境防護性能力不足,造成維護工作量大、維護成本高,最終導致整個生命周期的TCO較高。
                            2.1 集中式場站充電樁系統容量增大趨勢隨著電動汽車電池容量的普遍提升,充電樁單槍容量也普遍存在提升的需求。以A級電動車e-golf為例,電池容量為35.8kWH,可支持1C 35.8kW的最大充電功率,即A級入門車型在虧電狀態下的最大充電功率需求已經超過35kW。 
                            從當前市場實際應用看,120kW雙槍目前為市場鋪裝比例較大的充電樁規格,并有繼續向160kW雙槍容量演變的趨勢,本質原因來源于動力電池密度的提升、充電倍率的提升。充電樁系統容量的增大需求也會帶來充電模塊顆粒度增大的配置需求。
                             2.2 充電樁高壓化趨勢影響電動汽車普及化速度的一個重要因素是充電體驗的提升,影響充電體驗比重最高的兩個因素,其一是尋找充電站(充電樁)的便利性,另外一個重要因素就是充電速度。當前電動乘用車從虧電(10%SOC)到充滿(100%SOC)普遍需要1.5~2小時,該充電時間仍然有較大的提升空間,并逐步向燃油車15分鐘滿油時間追進。
                            電動汽車電氣平臺高壓化是當前主機廠技術演進的一個趨勢。在相同充電電流的情況下,高壓化電池組能夠支持更大的充電功率和更短的充電時間。國外保時捷2020年已經推出800V Taycan車型,國內北汽2021年5月份推出極狐支持800V充電,同時小鵬,蔚來、廣汽等主要主機廠均有發布信息在規劃800V以上高壓車型,預計在未來2年內800V以上高壓車型的推出數量會逐漸增多。在電動汽車高壓化演變的趨勢下,迫切需要充電樁能夠提升充電電壓上限至1000V,以支持在未來普遍應用的高壓車型。根據理論分析,對于90kWh配置鋰電池(續航約700公里),以1080V/最大500A高電壓平臺進行充電,最大充電功率540kW,達到6C充電能力,10分鐘可將電池充滿。據市場信息了解,廣汽、小鵬、蔚來等主機廠,均已經在進行高倍率充電電池包和新車型(支持4C~6C)的規劃。
                            基于該市場發展需求,國家電網公司在2021年5月份充電樁集采項目中,已明確要求中標充電樁規格需支持最高1000V充電,這無疑是一個重要的市場信號。
                            2.3 目的地充電站高可靠性、高緊湊度設計要求針對目的地充電站,已經有較為普遍的市場需求,需要新型式的小直流充電樁滿足短期停留時間的直流補電。且該種場景下普遍面臨:1、安裝空間有限;2、要求充電機的外觀較為美觀(尤其是在商業空間環境下); 3、安裝于戶外的機型對環境防護/可靠性要求較高;4、絕大部分情況下無人值守,又反向對產品高可靠/免維護性提出了高需求。上述4大應用需求,對小直流充電機提出了高可靠性、高緊湊度的兩大設計要求,這對充電機研發生產企業在設計上提出了較高的要求。
                            三、直流充電樁充電模塊技術發展趨勢作為充電樁系統內的核心關鍵部件,充電模塊的技術方案、性能及可靠性直接影響著充電樁系統的整體性能。從過往十年的發展看,早期是市場上有什么可借用的現成技術方案(通信電源行業的IP20直通風技術方案),就以“拿來主義”的形式直接繼承到充電樁行業。但當市場經歷了十年多的發展,充電樁特有的應用環境已經證明:傳統的單一技術方案,無法去支撐未來行業向更健康和更先進的目標發展。這時,就需要從充電模塊的技術方案本身做創新性的思考和新技術方案的設計,以此來推動行業向更健康和更先進的方向發展。
                            3.1 20kW較大份額市場向20/30/40kW多元化配置市場發展當前國內市場,20kW模塊占據市場容量比例約為60%左右,其余容量大比例由30kW占據,及部分40kW模塊。隨著近年來電動汽車電池容量的提升,充電倍率的提升,已經有明顯的實際市場發展趨勢:20kW較大份額市場正在逐漸向20kW,30kW,40kW多元化規格發展。 
                            主要原因是不同系統功率,不同充電槍功率分配需求的充電樁,需要不同的最合適功率顆粒度的充電模塊。因此在充電模塊的標準規格上,宜制定不同容量的系列化的充電模塊。
                            3.2 30kW/40kW充電模塊宜采用統一尺寸/統一接口的設計方案隨著充電模塊技術的發展演進和市場應用規模的逐漸成熟,充電模塊產品的設計方向也在持續向高可靠性,高功率密度方向提升。對于市場上已經明確的30kW/40kW充電模塊需求,應該減少以往在充電樁標準升級演進過程中,由于未考慮充分遠期發展的兼容性,造成的充電樁由于模塊規格迭代而進行的重復化設計工作。因此,對于30kW/40kW規格模塊應從設計之初就向同結構尺寸,同接口尺寸的目標進行設計。 
                            3.3 輸出電壓范圍上限由750V向1000V高壓落地應用主機廠高壓化電氣平臺的持續推進,推動充電樁基礎設施配套升級。1000V最高輸出電壓已形成充電模塊行業的共識,各充電模塊主要廠商已經逐步推出1000V高壓充電模塊規格。
                            優優綠能在2018年上半年率先推出30kW/1000V充電模塊,并陸續在2019年和2020年分別推出20kW/1000V和40kW/1000V模塊。華為、英飛源、永聯、通合、中興等廠家也分別在2020年和2021年推出了1000V充電模塊產品。
                            由于30kW/40kW的高功率密度,更高電壓,更大電流,因此對產品可靠性提出了更大的挑戰。部分推出30/40kW較晚的廠家,仍需要一定量、一定時間的市場應用去驗證產品可靠性。
                            3.4  獨立風道設計方案/IP65高防護方案的推廣應用市場發展早期,成熟的IP20直通風技術產品支撐充電產業走過了近10年的發展階階段。在此過程中,充電樁安裝使用環境所固有的戶外,高溫,沙塵,水氣等環境因素對產品的可靠性帶來了較大的考驗。由于技術路線本身(直通風)就難以滿足惡劣環境應用要求,因此造成充電樁產品較為普遍的故障率高,運維費用高等現象。再加上充分競爭后的價格走低(又需承擔持續的維護費用),對大多數樁企的業務開展造成了極大的壓力。行業中也存在部分廠商,宣稱采用了“半獨立風道”的改善方案。通過分析其細節后,實際上是采用了灌膠工藝將板面上的器件進行覆蓋保護,板面以上較高的器件仍然會面臨長時間灰塵、水氣、鹽霧的影響。雖然能在一定程度上延緩故障發生的時間,但未從本質上解決內部器件的環境防護問題。 

                            獨立風道技術

                            在這種困境下,個別廠商推出了采用創新方案設計的“獨立風道技術方案”。獨立風道技術區別于常規IP20直通風技術,通過在結構設計以及內部關鍵器件布局上的創新,將模塊內部分為上下兩層。上層封裝為對環境(沙塵,水氣,鹽霧等)敏感的器件,如電容、半導體、磁性元件等;下層為散熱器等對環境不受影響的部件,而且下部的風道更為通暢,保證了換熱效率。
                            以一臺120kW充電樁為例,采用IP65高防護模塊與采用常規IP20模塊,以10年使用壽命的整個生命周期,去統計對比整體TCO(Total Cost of Ownership)。數據顯示,從第三年開始,使用IP65高防護模塊的總體擁有成本的經濟性優勢就已經體現出來了。相比IP20樁,5年TCO節省約1.2萬元,10年TCO節省約5.2萬元。 一臺120kW充電樁 TCO對比  IP20模塊VS IP65模塊
                            隨著獨立風道技術的推出,其他充電場景的充電機產品(小功率直流,V2G充電機)也可以借鑒進行相應的設計升級。
                            3.5  高集成小功率直流充電機2.0的升級應用隨著靠經用戶測目的地充電體驗的提升需求,7kW 交流充電已無法滿足用戶充電體驗,小功率直流快充(20kW/30kW/40kW)正在得到越來越多的落地應用。小功率直流快充目前正在從第一階段方案(充電模塊+機殼)向第二階段方案(高集成一體化充電機)優化演變。 更為理想的高集成一體化充電機方案,是將其中的關鍵單元充電模組設計為標準接口,標準尺寸、獨立風道設計。通過此標準化的充電模組設計,充電模組可便于被第三方充電機系統商進行集成,在此基礎上第三方系統商進行監控開發和造型設計,形成自有的產品系列。 
                            小功率直流 產品性能對比
                            采用獨立風道方案的高集成一體式充電機,不管從外觀上,還是從性能、可靠性上均要明顯優于第一代“模塊+機箱”式方案。因此,該方案成為當下各主機廠以及高品質工商業環境中分布式充電所關注的重點。關鍵優勢點:外觀檔次高,低噪音綠色健康、長壽命(8~10年),運維費用極低。

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