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  • 劉永東:電動汽車充電設施技術及標準

    • 2019-04-26 16:21
    • 來源:電車資源EV江湖

    摘要:原規劃目標、充電技術路線的選擇,是基于2012年、2013年對充電設施的認識,目前產業已發生很大變化。目前來看,一線城市車位緊張,一比一的交流充電技術路線很難滿足車主需求。

    原規劃目標、充電技術路線的選擇,是基于2012年、2013年對充電設施的認識,目前產業已發生很大變化。例如:原設想以交流充電為主,大部分車主在自家車位充電,但目前來看,一線城市車位緊張,一比一的交流充電技術路線很難滿足車主需求。

    另一方面,隨著新能源汽車產業的進一步發展,保有量也將繼續攀升,對于充電樁的需求也會日益增長,未來充電樁的建設規模非常巨大。

    01 不同充換電技術發展評估

    1. 2015版充電技術路線

    即2015年國家出臺《加快充電基礎設施建設意見》后提出的充電技術路線,目前應用最多。以居住地慢充為主,以道路旁、停車站、高速公路旁建設快充為輔,在特定領域進行換電。隨著我國居住區、單位停車場、城市公共場所建設充電設施的發展,2015版充電技術將長期存在,進一步完善。

    2.換電技術

    今后一段時間電池更換技術仍主要應用于局部區域運行的特定車輛,如出租車、租賃、公交車等。考慮到電池的梯級利用以及儲能、能源互聯網的發展,電池更換還有探索的空間。

    2011年—2014年,曾以電網公司為主導進行了換電探索,效果不好。新能源汽車最大的成本是電池,電池是技術中非常核心的制高點,當年提出“車電分離”,看似降低了新能源汽車的門檻,但車企是不滿意的。換電要想產業化、規模化,電池箱、接口標準化是前提條件。如果要求電池標準化、統一化,那么不僅電池企業會有不同聲音,也限制了車型的設計,車的個性化很難得到體現,價格就很難提高,這就限制了車企發展。

    2016年后又以車企為主導推行了新一輪換電技術路線。電池和車企的利益主體一致,應用范圍主要在出租、租賃領域。該領域車型相對穩定,容易實現電池箱的標準化。

    此輪換電還延伸了產業鏈,把換電和電池的更換、儲能結合起來。電池的一致性相對較好,電池維護使用和乘用車相比更加安全可靠,換電情況下電池再利用的可能性更高,電池梯級利用更容易實現。

    3.大功率直流充電技術

    2018-2019年,大功率充電關鍵技術研究、關鍵標準制定(如大功率充電接口、液冷電纜組件、通信協議)、小規模試運行;2020-2022年,投入商用;2023-2025年,開始大規模投入使用。

    大功率充電的應用場景有:

    1)長續航里程汽車。新能源汽車的續航里程越來越長,很多車型到了四五百公里,其電池容量相對較低,按2015版充電體驗非常差,需要大功率充電技術。

    2)出租、物流領域,時間寶貴,更希望加快充電。

    3)公交、重載汽車,電池數量特別大,原充電速度遠不能滿足需求。

    4)特大城市公共充電。2015版充電技術以慢充為主,特大城市停車位非常緊張,公共充電是剛需。廣州充電平臺調研顯示,一個人平均一周兩次在外充電,每次40-60分鐘,難以長期忍受。充電時間應保持在30-60分鐘。

    5)高速公路,很難想象到2035、2050年五一、十一等高峰期,新能源汽車還在高速公路服務區一輛車充半小時,服務區將變成停車場。

    4.小功率直流充電技術

    2018-2019年,小功率充電關鍵技術研究、關鍵標準制定、小規模試運行;2020-2022年,投入商用,大規模投入使用。其定位是為代替交流充電樁提供一個新選擇。

    小功率直流充電起源于物流車。為了節省成本,物流車往往把車上的OBC取消掉,使用便攜式10千瓦、15千瓦的直流充電器。按照GB/T 18487標準要求,直流充電必須硬性連接,必須和電網電源固定連接,便攜式直流充電器不符合標準。必須開發便攜式的小功率直流充電機,來解決臨時充電的產業需求。車企正在探索:取消車上的OBC,設計7千瓦、15千瓦壁掛式的直流充電機,解決小功率充電問題。

    這條技術路線對整個產業很有價值。對車企來講,取消OBC可節約空間,簡化充電技術路線,降低成本。對運營商來講,直流充電才有通訊協議,今后跟電網互動是必然的,如預約充電、有序充電等都需要車樁互動,小功率直流充電可解決這個問題。從社會總成本來講,OBC是定制化產品,成本較高,變成小功率充電就變成線下產品,成本必然大幅下降。

    目前行業標準的前期準備工作正在進行,行業標準計劃已申請立項,預計2020年底將出臺。

    5.無線充電技術

    目前,無線充電的相關技術和標準還處于逐步完善階段。預計到2020年,無線充電標準基本可以支撐無線充電的互操作性要求;2020-2025年期間,無線充電技術將逐步實現商業化運營,從局部特定場合下應用向普通商業化應用擴展。其應用場景主要包括:自動駕駛汽車,高端汽車,共享汽車,立體停車庫,景區、場站專用車等。

    6.V2X技術

    產業發展趨勢:V2G (電網),V2H\V2B(住宅),V2L(負載),V2V(車),有序充電、需求響應、微電網下的充放電、虛擬電廠、能源互聯網。

    V2X技術涉及的領域比較多,現階段談V2G還為時尚早,V2G的路線要結合不同的場景,現階段有價值的就是無線充電。

    綜上所述,不同技術路線有不同需求,適用不同應用場景,充電技術應滿足用戶具體的充電需求;充電技術產業化進程和充電技術成熟、成本降低密切相關,也和電動汽車發展密切相關;不同充電技術路線存在一定替代性。建議各地建立適用不同充電需求的充電服務體系。

    02 大功率充電技術及標準

    1.大功率充電技術背景

     劉永東:電動汽車充電設施技術及標準

    電動汽車大功率充電技術包括兩類,一是傳導大功率充電,二是無線大功率充電。其中,傳導大功率充電分為乘用車大功率充電技術、客車大功率充電技術。傳導大功率充電技術充電功率≥350kW,充電時間約為10-15分鐘,續航里程可達300公里。

    自2016年起,先后召開國內、國際相關會議50余次,聯合行業開展相關標準的預研工作。國際層面上,跟德國、日本、美國都開展了深入的研討。

     2. 大功率充電技術工作思路

    大功率充電技術采取了廣泛調研、行業討論、關鍵技術聯合研發、示范試點建設、標準研制和國際合作的工作思路。參與企業有電動汽車、動力電池、充電槍、充電電纜、充電機等。

    廣泛調研:中電聯先后與電動汽車制造企業、充電服務運營商進行了廣泛深入調研;中促盟啟動了《電動汽車充電技術發展路線圖與標準體系建設》研究課題并進行了行業調研。

    行業討論:針對大功率充電接口采用新接口的技術路線進行行業大討論;對我國大功率充電接口進行可行性分析,分別就原接口采用加冷卻方式與新接口加冷卻方式進行對比分析,形成了《我國大功率充電接口可行性分析報告》。

    關鍵技術聯合研發:對大功率充電中的汽車電壓等級、快充電池及電池熱管理、充電連接器組件、通信協議、充電機等關鍵技術進行行業聯合開發。

    示范試點建設:國家電網公司、萬幫新能源投資有限公司、深圳奧特迅電器股份有限公司等牽頭,在北京、南京、常州、濟南、深圳等地,汽車、電池、充電連接器企業、充電設施企業聯動。北汽、一汽、比亞迪、戴姆勒、寶馬、奧迪等車企,將派車進行測試。

    研制標準:針對充電連接器組件、通信協議、充電機等標準進行制修訂,形成與現有充電技術標準體系兼容的大功率充電技術標準。

    國際合作:堅持以我為主,充分利用國際資源;在國際標準化工作中積極參與,發揮主導作用。

    大功率充電技術是現有2015版充電技術路線的補充,是一定場景下的應用需求,將和現有充電技術路線長期并存。

     3.開展大功率充電的條件

    大功率充電技術作為一項系統工程,從技術提出到完成標準制定,需要2-3年時間,為了適用2020年前后汽車的發展規劃,有必要抓緊開展大功率充電技術的研究、工程實踐和標準預研工作。

    整車方面,大部分車企計劃在2020年充電電流升至200-400A,2025年達到500A,續航里程將達到400~500公里。

    動力電池方面,以寧德時代為代表的電池企業計劃2018年量產3C倍率充電的動力電池,采用合理充電區間和充電策略保證動力電池使用壽命。

    充電設施方面,以充電堆為代表的新充電技術,實現了充電模塊的集成與充電功率的動態分配,充電功率達到350kW及以上。

     4. 大功率充電技術主要技術指標

    大功率充電設施應用后不會影響原有充電設施的布局和應用,不存在技術路線重來的現象。

    1)乘用車遠期目標

    ?充電電壓1000(1500)V

    ?充電電流:不帶冷卻,最大電流120A,功率120kW;帶冷卻,最大電流400~500(600)A。

    ?接口標準實現向前兼容。

    2)電動客車

    ?終端充電:2015版接口或大功率充電接口 。

    ?途中充電:充電弓補電。

    3)向前兼容方案

    大功率充電機將配備大功率充電和2015版兩種接口,可以隨車配套接口適配器,可在現有充電設備上繼續使用2015版充電。導引電路向前兼容并繼續使用與2015版相同的CAN 物理接口,適配器只完成物理尺寸轉換,成本控制在非常低的范圍內。 

    5. 大功率充電技術主要技術方案

    1)電動汽車電壓平臺技術方案

    ?實現充電功率的提升,采用升高電壓平臺或提高充電電流。

    ?技術指標上,充電電壓平臺要達到1000V—1500V,充電電流要達到400安—500安。目前提出了一些簡化口號,如“充電10分鐘,續航300公里”,希望充電體驗和加油體驗一致,讓車主不再為快速補電耗時長而苦惱。

    ?國內已有少數企業能夠生產800V電壓等級的高壓零部件。限于制造工藝和規模不足,目前成本還較高。由于電流的升高存在明顯的性價瓶頸,升高電壓在未來也是必由之路。

    2)動力電池技術方案

    ?動力電池可以實現高能量密度和快充性能的平衡。

    ?研究正負極材料、電解液、隔膜、和極片設計,改善鋰離子的接收和傳輸能力,實現電池高倍率充電放電能力,正確識別電池在不同溫度和SOC下的“健康充電區間”,確保延長壽命。

    ?快充電池技術在逐漸完善,目前在北汽、一汽進行示范站建設,到2020、2021年有望逐漸產業化。

    3)充電連接組件技術方案

    ?若沿用2015版充電連接器,優點是與現有標準接口兼容,缺點是難以改進現有缺點,提升空間有限。

    ?若重新設計具有向前兼容但物理結構有所改進的連接器,優點是可以全面改進現有方案的固有問題,減小尺寸,提升安全性能;缺點是需要采用轉接頭的方式實現向前兼容。

    ?目前我們建議采用全新接口的大功率充電技術來適應和推動行業的發展。

    ?連接器設計在尺寸上做到了最小,同時考慮了與交流接口的組合方案;安全性能提升,特別是在機械和電氣設計上;支持技術升級,考慮人體工程、日常維護及未來新技術(如機械輔助充電)等要求;國際交流和合作,吸取了優缺點;充分考慮了向前兼容問題。

    4)通信協議技術方案

    ?比較現有PLC、CAN、以太網三種不同通信方式,決定繼續采用CAN通信方式,并基于現有的GB/T 27930-2015進行擴充修改:完善通信協議版本信息,擴充大電流充電范圍,增加溫度監控信息、放電功能、熱管理功能、預約充電、即插即充等新功能的信息交互,明確故障等級及處理方式,對故障信息進行了完善和分類。

    ?2019年準備啟動修訂GB27930:第一,滿足大功率的需要;第二,增加對支持小功率充電的需要;第三,支持充放電的雙向互動;第四,增加信息安全;第五,即插即充的技術路線。

    5)充電機技術方案

    提升充電接口的載流能力,提升充電機最高輸出電壓,完善散熱設計,增強保護的及時性。充電機升級比較容易實現。

    6)電網配合技術方案

    作為電動汽車能量補充的必要手段之一,大功率充電在規劃布點時一般只放在高速公路服務區、商用車集中停靠站點等真正有需求的地方,站點不會很多,結合電網規劃、合理布局。尚需開展電動汽車與電網互動,增強電網系統調峰能力,在有必要的站點綜合儲能設備,減少對電網的短時沖擊。

    7)充電安全技術方案

    ?車企的BMS依然是核心問題,充電策略沒有變化。唯一變化是增加溫度監控裝置,一旦溫度過高就必須降低電流。

    ?大功率充電過程并不是一直滿功率充到百分百,更多的是前一階段快充,后面階段慢下來。

     6.大功率充電標準

    電動乘用車方面規劃中的標準有:

    ?電動汽車大功率非車載直流充電系統: 通用要求;

    ?電動汽車大功率非車載直流充電系統: 通信協議;

    ?電動汽車大功率非車載直流充電系統: 連接組件;

    ?電動汽車大功率非車載充電機: 技術要求;

    ?電動汽車大功率非車載充電機: 測試要求。

    電動客車方面規劃中的標準有:

    ?電動客車電動客車頂部接觸式充電系統:通用要求、連接器。

    大功率充電標準已從行業標準上做了規劃,包括充電機、通訊協議及相關連接組件等。連接組件包括充電槍和電纜,一體化冷卻。

     7.大功率充電示范試點

    國網電動汽車服務公司于2018年底至2019年初在北京、山東、江蘇、湖南、福建等地建成3-5個大功率充電示范項目,涵蓋乘用車的大功率插充和商用車的大功率充電弓模式,以及群充群控、公共直流母線、充光儲一體化、自動充電和即插即充等不同類型的充電技術應用,功率范圍覆蓋240kW-600kW。

    萬邦新能源投資有限公司規劃建設3種類型共4個示范站點,常州總部充電站為新建大功率高效率全液冷充電系統,已經完成;北京東亞怡園、長春金川街場站是在現有運行站進行改造;南京古平崗站為在已投運公交充電站上改造。

    深圳奧特迅電力設備股份有限公司對已投運的深圳市電動汽車充(放)電機與電網雙向互通工程實驗室進行改造,在原有的電動汽車柔性充電堆基礎上,新增大功率充電終端,具備大功率充電能力。 

     劉永東:電動汽車充電設施技術及標準

    03 無線充電技術及標準

    1.電動汽車無線充電產業及技術現狀

    我國高度重視電動汽車充電技術,開展了傳導充電、無線充電、電池更換等充電技術研究及應用。大部分主流乘用車車廠對無線充電系統進行了適配。從2014年開始,共部署有十幾條商用車無線充電商用示范線。2016年初建立了首條乘用車移動式無線充電示范道路。目前正在建設首條乘用車移動式無線充電示范道路。

    1)行業標準制定組織

    中國電力企業聯合會、能源行業電動汽車充電設施標準化技術委員會、能源行業電動汽車充電設施標準化技術委員會無線充電標準工作組。

    中國汽車技術研究中心,全國汽車標準化技術委員會、全國電動汽車標準化分技術委員會 (SC27)。

    2)在編標準概況

    目前在編的五部分標準,前四部分已編制完成,正在上報,第五部分已啟動編制。

    ?第一部分:通用要求。規定無線充電系統框架、功率等級、安全要求、結構要求、機械要求等電源設備通用類要求。

    ?第二部分:通訊協議。規定無線充電系統充電控制流程以及充電過程中的消息定義、參數定義。

    ?第三部分:特殊要求。規定磁耦合方式無線充電系統關鍵參數、功能以及相應的測試方法。

    ?第四部分:電磁暴露限值。規定電磁曝露限值以及電磁場的測試方法。

    ?第五部分:電磁兼容性。規定電磁兼容性的限值以及測試要求、試驗方法。

    3)新國家標準立項獲批 

    《電動汽車無線充電系統 第六、七部分:互操作性及測試(車輛端、地面端) 》《電動汽車無線充電系統 第八部分:商用車應用特殊要求 》《立體停車庫無線供電系統 技術要求 》完成立項。

     劉永東:電動汽車充電設施技術及標準

    4)電動汽車標準化工作思路

    我國無線充電的技術跟國外相比還有差距,無線充電的標準要結合國內技術的成熟度來開展。電動汽車標準化工作分四個步驟:優先制定無線充電的基礎標準,為產業提供發展環境;加快制定無線充電互操作標準,為產業提供應用條件;試點制定無線充電產品標準,為產業提供推廣基礎;制定無線充電運維標準,為產業提供服務準則。

     劉永東:電動汽車充電設施技術及標準

    5)產業發展趨勢

    目前,無線充電的相關標準還在逐步完善,無線充電技術在電動汽車上的初期應用仍將集中在中高端車型,預計到2020年,無線充電標準基本可以支撐無線充電的互操作性要求;2020-2025年期間,無線充電技術將逐步實現商業化運營;2025年以后隨著智能網聯汽車產業成熟,無線充電產業也將實現產業化。

    產業化成熟之前,立體車庫、專用場站、示范試點等無線充電項目會得以發展。實現電動汽車無線充電系統間的互聯互通,滿足電動汽車無線充電系統互操作性,是電動汽車無線充電技術在公共領域普及應用的關鍵。 

    2.無線充電互操作測試活動

    無線充電互操作性標準需要開展大量實驗驗證,我們組織了互操作性行業的測試活動,得到了行業的高度關注和廣泛參與,國內外25家機構、公司,包括車、設施企業都參與了測試活動。

    測試活動的目標是:通過電動汽車無線充電產品及互操作性測試活動,確定無線充電產品性能測試的項目、測試方法以及配套的測試裝置;確定無線充電產品安全測試(包括EMC, EMF,FOD等)的項目、測試方法以及配套測試裝置;確定無線充電互操作性的測試項目、方法以及配套測試裝置;根據我國互操作性測試結果,制定我國互操作性及測試標準。

     3.無線充電頻率選擇

    目前的頻率段大概是79K赫茲到90K赫茲,中心頻率點在85K赫茲。頻率的確定需要得到政府部門批準;頻率的選擇需要國際協調統一(ITU);頻率的選擇需要與廣播電視系統博弈;頻率的確定可能帶來技術路線的確定。 

    4.無線充電電磁環境 EMF

    據悉,中華人民共和國機動車環保信息隨車清單(中國第六階段)第二部分“檢驗信息”中將把GB 8702(預留)作為第10項“型式檢驗信息”依據標準之一。GB 8702-2014《電磁環境控制限值》為強制性國家標準。GB 8702修訂的主要變化是增加了1Hz~100kHz頻段電場和磁場的公眾曝露限值。

    GB 8702標準是公共環境下的電磁環境要求,不是產品質量標準;線充電系統電磁環境指標應符合無線充電產品標準,可以不按照GB 8702標準制定;電動汽車周邊環境應符合GB 8702標準;針對無線充電系統保護區域3的距離開展測試活動。我們計劃到環保部溝通,希望明確第六階段的環保信息隨車清單不含GB 8702。

    本文整理自劉永東主任在百人會未來出行學院課程“電動汽車充電服務市場發展現狀及先進技術”(2019.4.13)上的演講

    (來源:電車資源EV江湖 ChinaEV100)

    本文由電車資源【EV江湖】作者撰寫,觀點僅代表個人,不代表電車資源。

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