纯电动乘用车大功率充电技术需求分析

王伯军 李威 梁士福

（中国第一汽车集团有限公司 新能源开发院，长春 130013）

主题词：电动汽车 大功率充电 需求分析 充电功率

1 前言

随着中央政府的大力支持，各方的不懈努力，我国电动汽车市场获得快速发展。根据公安部发布机动车保有量数据，截止2018年底，全国新能源汽车保有量达261万辆，纯电动汽车保有量211万辆，占新能源汽车总量的81.06%。然而电动车单次充电用时长、续驶里程短的问题仍然是制约电动车发展的关键因素。为解决用户单次充电时间长，缓解用户充电和里程焦虑问题，发展大功率充电技术得到国内外行业参与者的普遍共识。

在细分领域，由于纯电动公交车、物流车、旅游客车等纯电动商用车多有固定路线，运营者会根据实际情况对充电基础设施进行配比，因此纯电动商用车充电问题并不十分突出。相反，纯电动乘用车应用场景更加广泛，且充电功率低，充电时间长，解决纯电动乘用车的充电问题需求更加强烈。因此本文主要对纯电动乘用车大功率充电技术发展现状进行论述，并依据用户实际使用需求、车辆和充电设施的充电技术情况，对纯电动乘用车所应达到的大功率充电技术要求进行研究和分析，为我国电动车行业大功率充电技术的发展提供意见。

2 大功率充电技术现状

2.1 大功率充电概念

目前大功率充电并无明确定义。现阶段电动车快充时间在30～60 min左右。大功率充电目的是通过提升车辆充电功率的方式，将电动汽车短时间充电缩短至15 min以内，以解决用户的充电焦虑。从技术角度，纯电动乘用车使用的大功率充电技术采用的依旧是传统直流传导式充电方案，其区别就在于现有充电技术和标准已经无法满足大功率充电要求，大功率充电涉及到大功率充电连接组件冷却技术、充电通信控制技术、大功率充电机、动力电池热管理、电动汽车电压等级、电网协调等技术的提升。

电动车方面，目前纯电动乘用车的电压平台普遍在240～500 V之间，充电电流＜250 A，充电功率普遍低于100 kW[1]，电压或者电流的提升都需要对现有车辆充电相关系统和总成进行升级。

充电设施方面，根据国家标准要求，目前国内充电桩产品输出电压最高在可达950 V，充电电流＜250 A，单枪输出功率≤237.5 kW[2]，电压或者电流的提升，同样需要对充电设备软硬件进行重新开发。

因此本文将充电功率超过100 kW的电动乘用车和单枪输出功率超过237.5 kW的充电设备定义为大功率充电的范畴。

2.2 发展现状

2016年，欧洲首次提出350 kW大功率充电概念，大众、宝马、戴姆勒、奥迪等整车制造企业联合成立合资公司IONITY，建设大功率充电网络。目前，奔驰、奥迪、Tesla已经发布大功率充电车型，欧美多家充电设备企业已经开始投建大功率充电设备。

2017年7月，中电联标准化管理中心牵头成立中国电动汽车大功率充电技术与标准预研工作组，国内参与大功率充电技术研究主要有北汽、一汽、比亚迪、南瑞、星星充电、许继、奥特迅、沃尔、中航光电、南京康尼等20余家电动汽车充电相关企业。

2018年8月23日，日本Chademo与中电联签署合作备忘录，重点推进大功率充电领域的合作，中日将共同制定大功率充电相关标准，预计2020年，日本能够推出首款150～200 kW级大功率充电样车。

2019年1月，国家电网大功率充电示范站的建成，以及同期一汽、北汽大功率试制样车的推出，宣布中国大功率充电技术取得阶段性成果。

目前国内外大功率充电车企和充电设施企业技术现状见表1和表2。

综合对比各地区大功率充电技术现状，可以看出：

（1）欧美已经实现产业化，处于领先地位，中国正在逐步赶上，日本仍处于起步阶段；

（2）充电设施输出能力明显高于车辆充电能力，说明车辆端实现大功率技术难度更高。

表1 车企大功率充电技术现状

表2 充电设施企业大功率充电技术现状

3 纯电动乘用车大功率充电技术需求分析及建议

3.1 用户需求

3.1.1 快速补电需求

乘用车包括私家车、出租车、租赁车和公务车，2018年，我国纯电动乘用车月均快充数量和比例见表3。

表3 2018年我国纯电动乘用车月均快充车次占比统计[9]

以上数据可以看出：

（1）出租车表现出明显快充意愿。由于充电时间直接影响其运营收益，所以出租车用户有明显的快速补电需求；

（2）私家车快充比例低，但是用户基数大，快充用户数量很多，快速补电需求同样明显。此部分用户应属于没有便捷慢充资源的用户，需要去公共快充站进行充电；

（3）租赁车和公务车的快充比例都在40%左右，但并无明显快速补电需求特征。有固定人员和地点进行充电的运营方式可能是这两类车型对快速补电需求不明显的原因。

3.1.2 续驶里程需求

对有明显快速补电需求的出租车和私家车续驶里程进行分析。

我国私家车日均续驶里程低于45 km[9]，一周补电一次的话，续驶里程350 km左右能够满足私家车用户需求。

出租车单班日均里程257 km，双班单日总里程不超过400 km[10]，歇班或者交接班补电一次，续驶里程300 km左右的车型即可满足其需求。

纯电动乘用车实际续驶里程与工况续驶里程相差17～30%[9]，因此可以得出，满足出租车和私家车用户对于车辆续驶里程的需求，见表4

表4 出租车和私家车用户续驶里程需求

3.1.3 充电时间需求

据中德电动汽车充电项目在2016年对634名电动汽车用户进行的问卷调查显示，87%的用户希望能够在30 min内充满80%电量，而44%的受访者更是希望充电时间能够缩短到15 min以内。

图1 用户希望电池充满80%时间[1]

因此，我们把15 min充电80%，同时续驶里程350～500 km的车型作为用户的需求进行分析。

3.2 技术需求

3.2.1 充电功率

对工信部公布的第21、22、23批免征购置税车辆中续驶里程350～500 km的85辆车的整备质量分别进行统计分析，得到各里程车型的平均整备质量。

按照公式（1）计算出各车型满足二阶段电耗要求[11]的充电功率。

式中，P为充电功率，n为充电倍率=3.2 C，K为不同整备质量车辆对应电耗，S为续驶里程。

图2 不同续驶里程车型整备质量

根据上式计算结果见表5，

表5 满足二阶段电耗要求的充电功率

显然，250 kW的充电功率已经能够满足用户快速补电的需求。

3.2.2 电压平台和充电电流

充电功率=充电电流×电池电压，因此要提升充电功率务必要提升电池电压或者充电电流。

电池电压由整车高压系统电压平台决定，受高压总成部件功率器件电压等级影响，受限部件成熟度和成本因素影响，目前大部分乘用车高压系统最高电压在450 V左右，通过使用更高电压等级的功率器件，预计可将系统最高电压提升到了750 V左右。而电池总成电压=电池单体电压×单体串联数量，三元锂离子电池单体额定电压一般在3.6～3.8 V之间，最高电压4.3 V左右，由此可得出表6两个电压平台

表6 电压平台

由充电功率和电池电压，可得出不同续驶里程车辆对应两种电压平台下的充电电流（表7）。

表7 充电电流

3.3 开发建议

按照上述分析结果，无论采取哪种电压平台，充电电流都将超过250 A，因此升流是必然选择，然而仅升流的话，充电电流值将达到600 A级别，这将对整个充电系统的热管理带来巨大挑战。因此，建议车企大功率充电可分三步走：

（1）短期内各车企在现有电压平台基础上，将大功率充电目标定在150 kW左右，提升充电电流至350～400 A，满足400 km左右车型15 min充满80%的需求，同时解决电流提升后的充电系统热管理问题，包括充电设备、充电接口、高压电连接组件和电池的热管理。

（2）对750 V的高压总成部件进行前瞻性技术研究，解决高压化后产生的电气安全问题，包括总成耐压、电气间隙、系统绝缘等。待高压化的总成部件具备产业化条件后，适时提升系统电压，将充电功率提升至250 kW左右，满足500 km左右车型15 min充满80%的需求。

（3）待各项大功率充电相关技术成熟度和产业化程度较高时，再进一步将充电功率提升至350～500 kW，满足600 km以上车型10～15 min充满80%的需求。

4 结束语

目前，我国纯电动乘用车大功率技术已经取得很大进步，但距离实现产业化还有一段时间。除了上述提到的提升电压、电流带来的电气安全、热安全问题和高压化功率器件产业化问题外，还需要考虑电网负荷、大功率充电设备产业化时间、标准制定和发布时间、电池技术的发展等等一系列问题。

随着我国政府的大力支持以及国内电动汽车充电相关行业快速发展，未来电动汽车充电像加油一样快速便捷已经不是梦。