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。
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2019 年底，全國(guó)的充電樁總數(shù)達(dá) 122 萬(wàn)個(gè)（公共樁 52 萬(wàn)個(gè)，私人樁 70 萬(wàn)個(gè)），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(guó)網(wǎng)重點(diǎn)推進(jìn)充電建設(shè)與運(yùn)營(yíng)，核心在于補(bǔ)足新能源車(chē)使用環(huán)節(jié)的短板。
目前汽車(chē)正在被改變，以電動(dòng)化、智能化、網(wǎng)聯(lián)化、共享化為趨勢(shì)的汽車(chē)“新四化”，事實(shí)上是一個(gè)漸變的過(guò)程。特別是電動(dòng)汽車(chē)是新一輪工業(yè)革命的標(biāo)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(dòng)通信、共享出行鏈接在一起的節(jié)點(diǎn)。
目前新能源汽車(chē)市場(chǎng)對(duì)快充技術(shù)有切實(shí)需求，主流電動(dòng)車(chē)的續(xù)航里程已經(jīng)升級(jí)到400公里起步，500、600甚至700公里層出不窮的地步。目前電動(dòng)汽車(chē)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(shí)間壓縮到半小時(shí)，至少需要100KW的充電功率；而更大的充電電池，對(duì)應(yīng)的充電功率要求150kW-200kW以上。
圖1 電動(dòng)汽車(chē)平均的快充功率的升級(jí)
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所以目前新能源車(chē)主的用車(chē)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(shí)是充電樁的瓶頸。充電樁的輸出功率，直接限制電動(dòng)車(chē)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(guó)外的超快充的設(shè)施設(shè)計(jì)走得非常超前。戴姆勒、大眾、福特、寶馬等汽車(chē)巨頭組建的歐洲快速充電聯(lián)盟Ionity，宣布首個(gè)350KW快速充電站已啟用。
從總體來(lái)看，華為提出面向2025年的充電基礎(chǔ)設(shè)施有八個(gè)基本的趨勢(shì)：
趨勢(shì)一：充電接近加油體驗(yàn) 現(xiàn)在到在未來(lái)的幾年之內(nèi)，乘用車(chē)充電電壓將從500V升級(jí)到800V，單槍充電功率從60KW要支持到350KW，充滿電的時(shí)間會(huì)從1個(gè)小時(shí)左右縮短到10到15分鐘，接近燃油車(chē)的加油體驗(yàn)。
趨勢(shì)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(yùn)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(shì)三：更節(jié)能更綠色 到2025年，中國(guó)將有3000萬(wàn)臺(tái)電動(dòng)車(chē)，年充電量超過(guò)2500億度，效率如果提升3個(gè)百分點(diǎn)，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?fù)湫缕骷⑿滤惴ǖ男录夹g(shù)導(dǎo)入，在電站設(shè)計(jì)上要能夠支持光伏、儲(chǔ)能的本地接入和綜合調(diào)度。
趨勢(shì)四：核心部件標(biāo)準(zhǔn)化 就充電模塊來(lái)講，各個(gè)廠家的型號(hào)、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(jìn)“標(biāo)準(zhǔn)化”的工作，做到“標(biāo)準(zhǔn)化、可替換、可演進(jìn)”。
趨勢(shì)五：無(wú)處不在，環(huán)境友好 充電基礎(chǔ)設(shè)施將變得無(wú)處不在，商場(chǎng)、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(jī)的噪音水平。“低電磁輻射”，減少對(duì)電氣設(shè)備、特別是對(duì)人體的影響。“電網(wǎng)友好”，充電要減少對(duì)電網(wǎng)的不良影響。
趨勢(shì)六：設(shè)施智能化 物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)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(yàn)、運(yùn)行維護(hù)、網(wǎng)絡(luò)協(xié)同”等方面的體驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)“充電體驗(yàn)安全快捷、充電設(shè)施安全高效和無(wú)人值守、充電網(wǎng)絡(luò)智能調(diào)度”。
趨勢(shì)七：更嚴(yán)格的安全可信與隱私保護(hù) 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(shí)要實(shí)施嚴(yán)格的隱私保護(hù)。
趨勢(shì)八：充電基礎(chǔ)設(shè)施是多網(wǎng)融合的節(jié)點(diǎn)，能源互聯(lián)網(wǎng)的入口 充電基礎(chǔ)設(shè)施就會(huì)成為“能源互聯(lián)網(wǎng)”的一個(gè)關(guān)鍵入口，充分發(fā)揮充電基礎(chǔ)設(shè)施在整個(gè)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(shí)現(xiàn)真正的“綠色能源社會(huì)”。
03
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(gè)里面很重要的需求是：
1）產(chǎn)品生命周期問(wèn)題：當(dāng)前的充電樁電壓功率不滿足未來(lái)電動(dòng)車(chē)的長(zhǎng)期演進(jìn)，未來(lái)需要同時(shí)具備高電流和高電壓兩種特性，以兼容商用車(chē)和乘用車(chē)的充電需求。如果不滿足未來(lái)的發(fā)展而大量采購(gòu)硬件，會(huì)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(wèn)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(kuò)大，直流快充模塊的最低生產(chǎn)價(jià)格也不斷降低，2019 年直流快充模塊成本價(jià)格最低降至0.4元/W。而隨著快充功率的提升，整個(gè)成本還需要進(jìn)一步下降。在這個(gè)過(guò)程中，直流快充模塊規(guī)格的切換是重要的因素。
3）效率: 對(duì)于快充的充電運(yùn)營(yíng)市場(chǎng)，是一個(gè)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(fèi)在建站后的運(yùn)營(yíng)過(guò)程中，是占整個(gè)支出比例最大的，所以對(duì)于不同的車(chē)輛的需求，對(duì)充電模塊實(shí)際效率提出了很高的要求。
4）功率密度：功率密度的需求，實(shí)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(hào)可以快速升級(jí)。
5）開(kāi)關(guān)電源的噪音：隨著充電樁的普及，充電樁也會(huì)對(duì)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(hù)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(jìn)行維護(hù)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(hù)的不及時(shí)，會(huì)導(dǎo)致整體充電體驗(yàn)差，影響客戶(hù)滿意度。
04
在整個(gè)直流快充模塊的降價(jià)和提高性能方面的過(guò)程中，華為扮演了一個(gè)挺有意思的角色。如下圖所示的華為充電模塊的Roadmap來(lái)看，是從開(kāi)始的750V 15kW充電模塊，演化為500V&950V雙平臺(tái)的20kW模塊，到現(xiàn)在的國(guó)內(nèi)版30kW充電模塊和國(guó)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(gè)版本，其中國(guó)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(kuò)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(chē)輛的電壓平臺(tái)。從總體來(lái)看，主要的提高特點(diǎn)是：
1）提高了效率：在拓?fù)鋬?yōu)化上面進(jìn)行進(jìn)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(zhǔn)線，進(jìn)一步往上提了。這里主要是通過(guò)高效控制算法及低損耗器件的應(yīng)用降低損耗，同時(shí)為了控制噪音，通過(guò)溫度控制來(lái)調(diào)節(jié)風(fēng)扇的速度。
圖5 上一代的400V和800V兩種平臺(tái)下的效率曲線
2）故障和維護(hù)的問(wèn)題：新一代直流快充模塊最主要的特點(diǎn)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(guò)積塵高濕測(cè)試、加速高鹽霧測(cè)試以及在海南、西雙版納、敦煌、拉薩等外場(chǎng)長(zhǎng)期可靠性測(cè)試，驗(yàn)證了模塊在惡劣場(chǎng)景的長(zhǎng)期可靠性。這里涉及很重要的問(wèn)題就是灌膠工藝，使用這種工藝設(shè)計(jì)以后需要特別注意對(duì)內(nèi)部的元器件進(jìn)行溫度控制，需要對(duì)每個(gè)元件的工作狀態(tài)做評(píng)估確認(rèn)整體的可行性。這種工藝對(duì)于直流快充模塊的熱管理提出了苛刻的要求，特別是對(duì)于布局和器件的散熱設(shè)計(jì)，需要爭(zhēng)取達(dá)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(gè)相互影響，也會(huì)決定整個(gè)直流快充模塊的綜合特性。在這個(gè)直流快充模塊設(shè)計(jì)中，有一個(gè)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(jìn)行強(qiáng)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(yuǎn)程診斷的問(wèn)題，解決充電樁或者充電模塊失效沒(méi)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(yùn)行等問(wèn)題。之前的做法都需要現(xiàn)場(chǎng)去排查，去恢復(fù)。通過(guò)遠(yuǎn)程的故障診斷和遠(yuǎn)程的故障恢復(fù)，并且結(jié)合充電模塊壽命的預(yù)計(jì)可以對(duì)整個(gè)運(yùn)營(yíng)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(dòng)汽車(chē)的普及，充電這項(xiàng)事業(yè)里面是圍繞著大功率充電進(jìn)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。
