引言
新基建下的直流快充模塊 本文主要探討一下在目前充電基礎(chǔ)設(shè)施大發(fā)展的情況下，直流快充模塊的發(fā)展。
新基建和新四化下的充電基礎(chǔ)設(shè)施的發(fā)展
2019 年底，全國的充電樁總數(shù)達 122 萬個(公共樁 52 萬個，私人樁 70 萬個)，形成 “十縱十橫兩環(huán)”的充電網(wǎng)絡(luò)。從中央將充電樁納入新基建，地方和國網(wǎng)重點推進充電建設(shè)與運營，核心在于補足新能源車使用環(huán)節(jié)的短板。
目前汽車正在被改變，以電動化、智能化、網(wǎng)聯(lián)化、共享化為趨勢的汽車“新四化”，事實上是一個漸變的過程。特別是電動汽車是新一輪工業(yè)革命的標志性、引領(lǐng)性產(chǎn)品，它是智能交通、智慧城市的基本單元，是把綠色能源、新一代移動通信、共享出行鏈接在一起的節(jié)點。
目前新能源汽車市場對快充技術(shù)有切實需求，主流電動車的續(xù)航里程已經(jīng)升級到400公里起步，500、600甚至700公里層出不窮的地步。目前電動汽車的電池容量從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，把充電時間壓縮到半小時，至少需要100KW的充電功率;而更大的充電電池，對應(yīng)的充電功率要求150kW-200kW以上。
圖1 電動汽車平均的快充功率的升級
充電設(shè)施的發(fā)展趨勢
所以目前新能源車主的用車生活中，真正構(gòu)成充電速度瓶頸的另一大關(guān)鍵因素，其實是充電樁的瓶頸。充電樁的輸出功率，直接限制電動車的充電速度，高功率的公共快充樁，尤為重要。在超高功率的快充樁建設(shè)上，由于整體投入有限，國外的超快充的設(shè)施設(shè)計走得非常超前。戴姆勒、大眾、福特、寶馬等汽車巨頭組建的歐洲快速充電聯(lián)盟Ionity，宣布首個350KW快速充電站已啟用。
從總體來看，華為提出面向2025年的充電基礎(chǔ)設(shè)施有八個基本的趨勢：
趨勢一：充電接近加油體驗 現(xiàn)在到在未來的幾年之內(nèi)，乘用車充電電壓將從500V升級到800V，單槍充電功率從60KW要支持到350KW，充滿電的時間會從1個小時左右縮短到10到15分鐘，接近燃油車的加油體驗。
趨勢二：充電設(shè)施有更好的可用度 充電基礎(chǔ)設(shè)施要有更高的可用度，具備“高可靠”、“高質(zhì)量”的特性，要能夠適應(yīng)高溫潮濕、鹽霧、粉塵等復(fù)雜和惡劣的運行環(huán)境，核心部件比如充電槍、充電模塊等產(chǎn)品質(zhì)量要高。
趨勢三：更節(jié)能更綠色 到2025年，中國將有3000萬臺電動車，年充電量超過2500億度，效率如果提升3個百分點，將節(jié)省85億度電。充電基礎(chǔ)設(shè)施變得更節(jié)能更綠色，固態(tài)變壓器、新拓撲新器件、新算法的新技術(shù)導(dǎo)入，在電站設(shè)計上要能夠支持光伏、儲能的本地接入和綜合調(diào)度。
趨勢四：核心部件標準化 就充電模塊來講，各個廠家的型號、尺寸都不一樣，不能互相替換和兼容。在常用、易損、核心部件上一定要持續(xù)推進“標準化”的工作，做到“標準化、可替換、可演進”。
趨勢五：無處不在，環(huán)境友好 充電基礎(chǔ)設(shè)施將變得無處不在，商場、辦公區(qū)、居民區(qū)附近都將有充電基礎(chǔ)設(shè)施的覆蓋，所以一定要“環(huán)境友好”。“低噪音”，比如要做到不高于空調(diào)室外機的噪音水平。“低電磁輻射”，減少對電氣設(shè)備、特別是對人體的影響。“電網(wǎng)友好”，充電要減少對電網(wǎng)的不良影響。
趨勢六：設(shè)施智能化 物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計算、人工智能等技術(shù)將改變充電基礎(chǔ)設(shè)施在“充電體驗、運行維護、網(wǎng)絡(luò)協(xié)同”等方面的體驗，實現(xiàn)“充電體驗安全快捷、充電設(shè)施安全高效和無人值守、充電網(wǎng)絡(luò)智能調(diào)度”。
趨勢七：更嚴格的安全可信與隱私保護 充電基礎(chǔ)設(shè)施是用電設(shè)備，也是網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，還直接受電網(wǎng)的調(diào)度和管理，高可靠性，高設(shè)備安全性，高網(wǎng)絡(luò)安全性，高可用性，高韌性，同時要實施嚴格的隱私保護。
趨勢八：充電基礎(chǔ)設(shè)施是多網(wǎng)融合的節(jié)點，能源互聯(lián)網(wǎng)的入口 充電基礎(chǔ)設(shè)施就會成為“能源互聯(lián)網(wǎng)”的一個關(guān)鍵入口，充分發(fā)揮充電基礎(chǔ)設(shè)施在整個電力基礎(chǔ)設(shè)施投資以及互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施上的融合地位，將各種新技術(shù)、新模式落地，實現(xiàn)真正的“綠色能源社會”。
充電基礎(chǔ)設(shè)施下的核心直流快充模塊
直流充電模塊是充電樁的核心，是構(gòu)建高功率充電基礎(chǔ)設(shè)施的核心部分，在這個里面很重要的需求是：
1)產(chǎn)品生命周期問題：當(dāng)前的充電樁電壓功率不滿足未來電動車的長期演進，未來需要同時具備高電流和高電壓兩種特性，以兼容商用車和乘用車的充電需求。如果不滿足未來的發(fā)展而大量采購硬件，會導(dǎo)致新基建充電樁的投資不確定性升高，出現(xiàn)產(chǎn)品生命周期比較短的問題。
2)滿足電壓和功率需求的成本：隨著充電設(shè)備技術(shù)發(fā)展成熟和規(guī)模擴大，直流快充模塊的最低生產(chǎn)價格也不斷降低，2019 年直流快充模塊成本價格最低降至0.4元/W。而隨著快充功率的提升，整個成本還需要進一步下降。在這個過程中，直流快充模塊規(guī)格的切換是重要的因素。
3)效率: 對于快充的充電運營市場，是一個重資產(chǎn)的行業(yè)，想要提升整體的盈利很重要的是降低成本，電費在建站后的運營過程中，是占整個支出比例最大的，所以對于不同的車輛的需求，對充電模塊實際效率提出了很高的要求。
4)功率密度：功率密度的需求，實際上是需要把新一代的直流充電模塊放在之前的模塊空間下面，這樣可以向前兼容，把之前老的型號可以快速升級。
5)開關(guān)電源的噪音：隨著充電樁的普及，充電樁也會對周邊環(huán)境產(chǎn)生聲音上的污染，所以這方面也是需要控制的。
6)維護和軟件管理：目前直流快充模塊的故障是充電樁損壞的較大的要素，所以能夠有效的故障診斷之后進行維護是非常重要的，并聯(lián)模塊的好處是可以調(diào)度和降額使用。異常維護的不及時，會導(dǎo)致整體充電體驗差，影響客戶滿意度。
華為HiCharger直流快充模塊
在整個直流快充模塊的降價和提高性能方面的過程中，華為扮演了一個挺有意思的角色。如下圖所示的華為充電模塊的Roadmap來看，是從開始的750V 15kW充電模塊，演化為500V&950V雙平臺的20kW模塊，到現(xiàn)在的國內(nèi)版30kW充電模塊和國外版20kW充電模塊。
圖2 三代充電模塊的演化
新一代的直流快充模塊共有兩個版本，其中國內(nèi)版為30kW，海外版為20kW，兩款尺寸相似，主要支持充電樁同尺寸擴容。在電壓范圍上和前一代一樣，支持300-1000V全段恒功率輸出，滿足400V和800V兩種車輛的電壓平臺。從總體來看，主要的提高特點是：
1)提高了效率：在拓撲優(yōu)化上面進行進一步提高， 所以在上一代效率基礎(chǔ)上，最高的地方突破了96.55%的基準線，進一步往上提了。這里主要是通過高效控制算法及低損耗器件的應(yīng)用降低損耗，同時為了控制噪音，通過溫度控制來調(diào)節(jié)風(fēng)扇的速度。
圖5 上一代的400V和800V兩種平臺下的效率曲線
2)故障和維護的問題：新一代直流快充模塊最主要的特點是采用了全灌膠工藝，這樣可以使得模塊適應(yīng)惡劣的工作環(huán)境，通過積塵高濕測試、加速高鹽霧測試以及在海南、西雙版納、敦煌、拉薩等外場長期可靠性測試，驗證了模塊在惡劣場景的長期可靠性。這里涉及很重要的問題就是灌膠工藝，使用這種工藝設(shè)計以后需要特別注意對內(nèi)部的元器件進行溫度控制，需要對每個元件的工作狀態(tài)做評估確認整體的可行性。這種工藝對于直流快充模塊的熱管理提出了苛刻的要求，特別是對于布局和器件的散熱設(shè)計，需要爭取達到最優(yōu)秀散熱性能。在這種工藝下，模塊效率、熱管理和模塊的可靠性是一個相互影響，也會決定整個直流快充模塊的綜合特性。在這個直流快充模塊設(shè)計中，有一個關(guān)鍵器件隔離風(fēng)道的概念，把發(fā)熱量比較大的器件，進行強迫風(fēng)的方式幫助散熱。
3)軟件智能管控：在智能直流快充模塊里面引入了智能化管理，主要解決的是遠程診斷的問題，解決充電樁或者充電模塊失效沒法快速定位、不知道什么原因失效、失效之后怎么去恢復(fù)模塊的正常運行等問題。之前的做法都需要現(xiàn)場去排查，去恢復(fù)。通過遠程的故障診斷和遠程的故障恢復(fù)，并且結(jié)合充電模塊壽命的預(yù)計可以對整個運營的效率提升有很大的改善。
小結(jié)：隨著這一輪新基建的充電樁投資和電動汽車的普及，充電這項事業(yè)里面是圍繞著大功率充電進行的。其中快充基礎(chǔ)設(shè)施核心是直流快充充電樁，而充電模塊是充電樁之心，是公共充電基礎(chǔ)設(shè)施的核心。
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