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新基建下的充电基础设施及直流充电模块

2020-06-01
来源:与非网

引言:新基建下的直流快充模块 本文主要探讨一下在目前充电基础设施大发展的情况下,直流快充模块的发展。       

 

01
新基建和新四化下的充电基础设施的发展

      

2019 年底,全国的充电桩总数达 122 万个(公共桩 52 万个,私人桩 70 万个),形成 “十纵十横两环”的充电网络。从中央将充电桩纳入新基建,地方和国网重点推进充电建设与运营,核心在于补足新能源车使用环节的短板。

 

目前汽车正在被改变,以电动化、智能化、网联化、共享化为趋势的汽车“新四化”,事实上是一个渐变的过程。特别是电动汽车是新一轮工业革命的标志性、引领性产品,它是智能交通、智慧城市的基本单元,是把绿色能源、新一代移动通信、共享出行链接在一起的节点。

 

目前新能源汽车市场对快充技术有切实需求,主流电动车的续航里程已经升级到 400 公里起步,500、600 甚至 700 公里层出不穷的地步。目前电动汽车的电池容量从 400 公里的 50-55KWh 起步,形成了 60-65kwh 500 公里、70-75kwh 600 公里和 85kwh 的 700 公里以上。以 50kwh 而言,把充电时间压缩到半小时,至少需要 100KW 的充电功率;而更大的充电电池,对应的充电功率要求 150kW-200kW 以上。 

 

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图 1 电动汽车平均的快充功率的升级

 

02
充电设施的发展趋势

       

所以目前新能源车主的用车生活中,真正构成充电速度瓶颈的另一大关键因素,其实是充电桩的瓶颈。充电桩的输出功率,直接限制电动车的充电速度,高功率的公共快充桩,尤为重要。在超高功率的快充桩建设上,由于整体投入有限,国外的超快充的设施设计走得非常超前。戴姆勒、大众、福特、宝马等汽车巨头组建的欧洲快速充电联盟 Ionity,宣布首个 350KW 快速充电站已启用。

 

从总体来看,华为提出面向 2025 年的充电基础设施有八个基本的趋势:

 

趋势一:充电接近加油体验 现在到在未来的几年之内,乘用车充电电压将从 500V 升级到 800V,单枪充电功率从 60KW 要支持到 350KW,充满电的时间会从 1 个小时左右缩短到 10 到 15 分钟,接近燃油车的加油体验。

 

趋势二:充电设施有更好的可用度 充电基础设施要有更高的可用度,具备“高可靠”、“高质量”的特性,要能够适应高温潮湿、盐雾、粉尘等复杂和恶劣的运行环境,核心部件比如充电枪、充电模块等产品质量要高。

 

趋势三:更节能更绿色 到 2025 年,中国将有 3000 万台电动车,年充电量超过 2500 亿度,效率如果提升 3 个百分点,将节省 85 亿度电。充电基础设施变得更节能更绿色,固态变压器、新拓扑新器件、新算法的新技术导入,在电站设计上要能够支持光伏、储能的本地接入和综合调度。

 

趋势四:核心部件标准化 就充电模块来讲,各个厂家的型号、尺寸都不一样,不能互相替换和兼容。在常用、易损、核心部件上一定要持续推进“标准化”的工作,做到“标准化、可替换、可演进”。

 

趋势五:无处不在,环境友好 充电基础设施将变得无处不在,商场、办公区、居民区附近都将有充电基础设施的覆盖,所以一定要“环境友好”。“低噪音”,比如要做到不高于空调室外机的噪音水平。“低电磁辐射”,减少对电气设备、特别是对人体的影响。“电网友好”,充电要减少对电网的不良影响。

 

趋势六:设施智能化 物联网、大数据、云计算、人工智能等技术将改变充电基础设施在“充电体验、运行维护、网络协同”等方面的体验,实现“充电体验安全快捷、充电设施安全高效和无人值守、充电网络智能调度”。

 

趋势七:更严格的安全可信与隐私保护 充电基础设施是用电设备,也是网络设备,还直接受电网的调度和管理,高可靠性,高设备安全性,高网络安全性,高可用性,高韧性,同时要实施严格的隐私保护。

 

趋势八:充电基础设施是多网融合的节点,能源互联网的入口 充电基础设施就会成为“能源互联网”的一个关键入口,充分发挥充电基础设施在整个电力基础设施投资以及互联网基础设施上的融合地位,将各种新技术、新模式落地,实现真正的“绿色能源社会”。

 

03

充电基础设施下的核心直流快充模块

 

                                

直流充电模块是充电桩的核心,是构建高功率充电基础设施的核心部分,在这个里面很重要的需求是:

 

1)产品生命周期问题:当前的充电桩电压功率不满足未来电动车的长期演进,未来需要同时具备高电流和高电压两种特性,以兼容商用车和乘用车的充电需求。如果不满足未来的发展而大量采购硬件,会导致新基建充电桩的投资不确定性升高,出现产品生命周期比较短的问题。

 

2)满足电压和功率需求的成本:随着充电设备技术发展成熟和规模扩大,直流快充模块的最低生产价格也不断降低,2019 年直流快充模块成本价格最低降至 0.4 元 /W。而随着快充功率的提升,整个成本还需要进一步下降。在这个过程中,直流快充模块规格的切换是重要的因素。

 

3)效率: 对于快充的充电运营市场,是一个重资产的行业,想要提升整体的盈利很重要的是降低成本,电费在建站后的运营过程中,是占整个支出比例最大的,所以对于不同的车辆的需求,对充电模块实际效率提出了很高的要求。

 

4)功率密度:功率密度的需求,实际上是需要把新一代的直流充电模块放在之前的模块空间下面,这样可以向前兼容,把之前老的型号可以快速升级。

 

5)开关电源的噪音:随着充电桩的普及,充电桩也会对周边环境产生声音上的污染,所以这方面也是需要控制的。

 

6)维护和软件管理:目前直流快充模块的故障是充电桩损坏的较大的要素,所以能够有效的故障诊断之后进行维护是非常重要的,并联模块的好处是可以调度和降额使用。异常维护的不及时,会导致整体充电体验差,影响客户满意度。

 

04
华为 HiCharger 直流快充模块

 

在整个直流快充模块的降价和提高性能方面的过程中,华为扮演了一个挺有意思的角色。如下图所示的华为充电模块的 Roadmap 来看,是从开始的 750V 15kW 充电模块,演化为 500V&950V 双平台的 20kW 模块,到现在的国内版 30kW 充电模块和国外版 20kW 充电模块。

 

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图 2 三代充电模块的演化 

 

新一代的直流快充模块共有两个版本,其中国内版为 30kW,海外版为 20kW,两款尺寸相似,主要支持充电桩同尺寸扩容。在电压范围上和前一代一样,支持 300-1000V 全段恒功率输出,满足 400V 和 800V 两种车辆的电压平台。从总体来看,主要的提高特点是:

 

1)提高了效率:在拓扑优化上面进行进一步提高, 所以在上一代效率基础上,最高的地方突破了 96.55%的基准线,进一步往上提了。这里主要是通过高效控制算法及低损耗器件的应用降低损耗,同时为了控制噪音,通过温度控制来调节风扇的速度。

 

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图 5 上一代的 400V 和 800V 两种平台下的效率曲线 

 

2)故障和维护的问题:新一代直流快充模块最主要的特点是采用了全灌胶工艺,这样可以使得模块适应恶劣的工作环境,通过积尘高湿测试、加速高盐雾测试以及在海南、西双版纳、敦煌、拉萨等外场长期可靠性测试,验证了模块在恶劣场景的长期可靠性。这里涉及很重要的问题就是灌胶工艺,使用这种工艺设计以后需要特别注意对内部的元器件进行温度控制,需要对每个元件的工作状态做评估确认整体的可行性。这种工艺对于直流快充模块的热管理提出了苛刻的要求,特别是对于布局和器件的散热设计,需要争取达到最优秀散热性能。在这种工艺下,模块效率、热管理和模块的可靠性是一个相互影响,也会决定整个直流快充模块的综合特性。在这个直流快充模块设计中,有一个关键器件隔离风道的概念,把发热量比较大的器件,进行强迫风的方式帮助散热。

 

3)软件智能管控:在智能直流快充模块里面引入了智能化管理,主要解决的是远程诊断的问题,解决充电桩或者充电模块失效没法快速定位、不知道什么原因失效、失效之后怎么去恢复模块的正常运行等问题。之前的做法都需要现场去排查,去恢复。通过远程的故障诊断和远程的故障恢复,并且结合充电模块寿命的预计可以对整个运营的效率提升有很大的改善。

 

 

小结:随着这一轮新基建的充电桩投资和电动汽车的普及,充电这项事业里面是围绕着大功率充电进行的。其中快充基础设施核心是直流快充充电桩,而充电模块是充电桩之心,是公共充电基础设施的核心。


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