中国快充充电设施的升级之路

中国的电动汽车发展催生出在产业层面的繁荣景象, 而充电设施领域的快速扩张与升级也是其中重要一环。截至2019年7月,中国已经建成了全球最大的公共充电网络—— 一共铺设了44.66万根充电桩,其中交流电桩25.95万根,直流电桩18.65万根。

以直流充电桩为例,实现“地区上万”这样规模的省份/直辖市有好几个,如下图1所示。

图1 直流充电桩布局上万的省份/直辖市

但是对于下一步推进电动汽车发展来说,两大主要因素——里程焦虑和充电焦虑,矛盾是比较深刻的。随着补贴政策鼓励续航里程和动力电池技术的突破,电动汽车续航里程逐渐提高。如下图所示,2019年7月国内的汽车企业新能源乘用车的续航格局,已经形成了分化:

● 2019年上半年还是续航400公里为主导,已经有续航500公里的车型逐步进入市场;

● 原本续航300-400公里的车型,由于补贴退坡可能往更加经济实惠的250-300公里续航这个区段去配置。

图2 2019年7月份新能源车产量及续航分层

因此对于目前的电动汽车而言,分层的结构会形成两类车——面向长距离续航和面向经济实用的车型。前一类通过安装60kWh以上的电池,基本上已经解决了电动汽车的里程焦虑 。与此同时,这类车型的充电反而变成了一个核心的技术问题,甚至成为中外新一轮技术竞争的焦点问题。

在这方面快充功率的迭代和发展,是接下来电动汽车差异化的重要分界点:

 快充功率的提升使得电动汽车快充与燃油车的加油体验基本一致:国内电动乘用车用的直流快充桩充电功率为60kW左右,实际充电时间10-80%在常温下为40分钟,在温度比较低的时候普遍大于1小时,消费者对于充电的时间需求是期望和加油一样(10-20分钟),而且目前消费者目视能看到的快充功率补电的速度,可以直接对应折算成每分钟车辆增加了多少的里程,高功率的充电是直接有助于打消客户的充电顾虑,增加车主对于这台车的特性的信心的。


l 高功率快充有助于提高充电基础设施运营的盈利能力:在目前快充桩服务场景里面,出现了大量高频使用的点,使得目前60kW的充电桩服务能力有限制,这个可以折算为有效的周转次数,目前充电桩的极限服务能力是10辆车/一天,而高功率的150kW的直流大功率快充桩,周转次数能提升3倍,消费者也会选择更高的充电功率段以节约时间,进一步提高周转率。盈利能力方面,主要依靠充电,如果考虑服务费0.8元/kWh为例,普通的60kW充电桩1小时理论上所赚取的充电服务费为40×0.8元=32元,而150kW充电桩1小时理论上所能赚取的充电服务费为50×0.8元×2=80元(30分钟充50kWh,一小时可以充2台车)。对于在热点地区的充电基础设施运营,是有直接的帮助的。

1)充电的标准和技术挑战

基于快充,国内外车企和充电桩企业建立了Charin的组织,在电动汽车快充的路径上不断去做标准,而宝马、戴姆勒、福特、奥迪以及保时捷5家车企通过联合投资将会打造一个350kW的快速充电网络,特斯拉进一步升级它的Supercharger,在第三代的充电功率往250kW来设计。从充电接口标准来看,中国在演化路径上GB/T的充电接口标准(原有GB/T 20234.3-2015中规定额定电流最大为250A),在电压、电流两项指标上,都通过一个系统性的升级来切换到面向高功率设计。

图3 在标准演化层面,国标会有一个很大的切换

从技术上来说,这里涉及几个方面的问题:

l 连接接口:目前的充电连接接口标准往前推进是有一些阻力的,特别是由于接口与原有的不一样设计思路,使得需要有完善的充电接口兼容设备(充电转换接口)才能达到很好的新老交替,目前在这个点上,这个标准的出台时机是非常关键的。

l 对车辆和动力电池的要求:车辆层面,在400V和800V条件下能达到的两个不同的充电功率,需要车企对各高压零部件的绝缘、耐压等级,铜排的载流、耐高温能力设计等进行调整。对于电芯来说充电倍率要求3C和4C,整个电芯层面的设计取向需要从成本降低的角度考虑,这方面的需求相对比较窄。而且对于电池系统里面的电气设计和电池热管理都提出了要求——在高功率快充条件下需要冷却的部件会增加,包括充电接口和充电线缆,甚至是电池系统内的电连接散热都需要进一步考虑,此外电池系统的低温加热也有新的要求。

图4 充电功率的电压平台选择

l 对电网和充电桩的要求:大功率充电站是根据用户充电时间与地点的选择,更大程度上取决于行驶的需要,呈现出离散的特点,也会对功率负荷要求呈现较为明显的随机性、间歇性特点;特别是可能在极端需求下,如在夏季电力供应紧张时期,在区域特性上出现局部过负荷问题,这对于建超级快充桩和相应的快充站,影响是最为直接的。相对而言从充电桩来看,倒是小问题了。大功率直流充电需要从电压和电流两个方面来提升,电压首先要覆盖更宽的范围,从250-1000V的宽电压考虑,功率元器件的耐压、绝缘等方面,都需要在原有的设计上调整;电流需要从250A提升到500A,大部分的电气连接需要采取冷却措施。更重要的是整个安全和温度的管理,由于这个功率对于充电过程中任何电连接点的温度都需要不超120℃。

2)充电运营的考虑

充电基础设施从2012年开始从政策层面支持,目前中国的政策体系已渐趋完善,涵盖规划、建设运营奖励补贴、充电电价电费、土地等多个环节。2019年把地补取消以后,陆续出台多项强有力的政策扶持充电基础设施行业发展。

据充电联盟统计,7 月充电电量约 4.43 亿 kWh,较上月增加 3.7 千万kWh,同比增长 104.1%,环比增长 9.0%。全国充电电量主要集中在广东、江苏、陕西等省份,电量流向主要以公交车为主,电动乘用车占比同样较高,环卫物流车、出租车等其他类型车辆占比较小。实际上,目前公共桩中80%以上的充电量由运营车辆贡献,公交车、城际大巴等运营车辆充电需求有保障且比较固定,对应的大功率充电设备(双充2*60kW=120kw)利用率接近10%。以上海市为例,2018 年充电量中 74.4%流向了公交专用充电桩,公交专用充电桩2018年使用率为 9.48%,相比而言物流专用、小区专用、单位专用等场景的利用率远不到盈亏平衡点。

图5 2018年和2019年7月的分省份充电热力图

所以从整体来看,电动乘用车的快充发展,有以下的几个路径:

1) 首先是要搭公交和运营车辆的“便车”。由于本身大巴车的电压比较高,如果首先采用高电压的充电和高功率新的充电接口,充电运营商在产品完善的条件下逐步采用,这样“种子用户”也就有了。从商用车先行,然后更新高功率快充的充电设施。

图6 在原有专用桩的区域采用集中式的Load Center替代可以在充电设施段逐步上量

备注:目前采用60kW双枪的充电方式,也是一种妥协,如果直接升级可能效果更好,但这里如何往前兼容是最困难的,如果以现有电桩的模式下,在以后形成基础设施段的完善是很难关键的。

1) 车企也需要通过大的运营商一起来共建超级快充站。目前车企与充电运营商的合作,主要采取的策略还是预约资源给自己的用户,极少数类似特斯拉自建部分网络,但是往高功率方向走,不管是400V 500A还是800V 300A,都需要在运营商的支持下在需求集中的点,集中升级高功率的充电桩。实际上,以后高功率电桩的使用率和受欢迎程度,是肯定要超过50kW一大截的,这需要第一批能支持150kW的车辆进入中国(特斯拉的专有接口不算),形成差异化。运营层面的效率会打破部分固有运营商的形态,因为单个快充站的回本时间就会比之前快很多,这会改变之前投资充电桩主要是为了跑马圈地的诉求,把充电基础设施的投资策略往实际的商业利益来靠。

图7 充电运营商的充电桩数量

小结:

高功率充电,目前来看是从60kW往80kW、120kW和150kW这样的功率等级逐步前行的,2-3年内由于没有直接的诉求,在中国还会是一个瓶颈,想要突破这个瓶颈,是从新的充电接口标准颁布,到现有的充电设施逐步改造,然后形成整体的充电设施收益率改进逐步完成的。这种更迭可能是个逐步加速的过程,特别是新的电动汽车平台都是以原有充电功率翻倍的需求来设计的。


作者介绍:

朱玉龙,资深电动汽车三电系统和汽车电子工程师,目前从事新能源汽车电子化工作,10年以上的新能源汽车专业从业经验,在电池系统、充电系统和电子电气架构方面有较深的认识和实践,著有《汽车电子硬件设计》,开设《汽车电子设计》公众号。

*本文由盖世汽车大V说专栏作者撰写,他们为本文的真实性和中立性负责,观点仅代表个人,不代表盖世汽车。本文版权归原创作者和盖世汽车所有,禁止转载,违规转载法律必究。

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