一、什么是大功率充電

          1、大功率充電的概念

          目前，業界還沒有對大功率充電進行明確的定義。我們姑且將電動汽車搭載的電量設定為100kWh（按照每百公里20kWh耗電量計算），且充電倍率＞2C（即半小時充滿電）為前提條件，充電10-20分鐘（與傳統燃油車的加油時間保持一致），可以行駛＞100km的充電功率定義為大功率充電。

          2、大功率充電的應用場景

          首先，乘用車采用大功率充電，充電時間與燃油車的加油時間大體一致，這樣就不會長期占用車位，也不會改變用戶的用車習慣，能夠緩解北上廣深等城市停車位資源緊張的現狀。其次，商用車方面，充電時間將會直接影響到運營收益，因此，出租車、共享汽車（分時租賃等）等，對于大功率充電是有迫切需求的。

          簡單來說，大功率充電可以降低電動汽車的補電時間，提高出行效率。

           二、大功率充電的優勢

           1、與燃油車的加油體驗基本一致

          目前，我國電動乘用車用的直流快充樁充電功率為40-60kW，實際充電時間普遍大于1小時，即便是特斯拉的超級充電站也需要30分鐘，而加油則只需要10-20分鐘，從能源補給的便利性來講還不能與燃油車相比。而大功率充電（假設350kW）幾乎可以實現與加油相同的用戶體驗，有助于打消客戶的充電顧慮，增加購買信心。

          2、提高了充電基礎設施運營商的盈利能力

          服務能力方面，比如40kW的充電樁一天的服務能力是10輛車，而350kW的直流大功率快充樁，一天就能服務80輛車。盈利能力方面，比如某國產純電動乘用車的裝載電量為30kWh，充電倍率為3C，以北京服務費0.8元/kWh為例，40kW的充電樁1小時所賺取的充電服務費為30×0.8元×3（20分鐘充滿，一小時可以充3輛車）=72元，而將來的電動汽車搭載的電量為100kWh，充電倍率為4C（未來可能達到6C），350kW的充電樁1小時所能賺取的充電服務費為100×0.8元×4（15分鐘充滿，一小時可以充4輛車）=320元。因此，當前普遍虧損的充電基礎設施運營商對于大功率充電是迫切需要的。

           3、有助于提高電動汽車的市場份額

          如果350kW大功率充電變為現實，隨著電池技術的不斷突破，當電動汽車的續航里程達到500km左右時，電動汽車與燃油汽車從使用習慣上來講已無多少區別。而且隨著電動汽車生產成本的下降、碳交易、綠證制度的不斷完善、V2G技術的應用，電動汽車的全生命周期成本優勢會突顯出來，屆時電動汽車的市場份額勢必會逐漸增加。

          三、實現大功率充電的要求

          1、對動力電池的要求

          假設未來電動汽車的續航里程為500km，每100km消耗20kWh電量，整車需要配備電量為100kWh。從實際使用角度出發，充電分為兩種情況：一是臨時補電。不需要充滿，只需要所充電量足夠跑到指定充電地點即可（城市內續航里程大于100km）。此種情況下按照燃油車的使用習慣，即加油時間為10-20分鐘，那么充電倍率為2C即可，充電功率為200kW，我國現有的標準是可以完全覆蓋的。二是完全充滿。同樣按照汽油車的加油習慣10-20分鐘為例，充電倍率需要至少3-6C之間，充電功率需要300-600kW之間，目前我國的充電標準無法覆蓋如此大的充電功率，需要重新制定充電標準。

          動力電池重量和比能量方面。我國目前三元電池的系統比能量大約在140Wh/kg左右，如果要搭載100kWh的電量，電池系統的重量估計在714kg，對于乘用車來講是不可接受的。另外，在國內目前的動力電池比能量和主流純電動乘用車的技術水平下，對于如何有效利用車內的空間來搭載100kWh的電量所面臨的挑戰還是比嚴峻的。

          充電倍率方面。在我國現有的動力電池技術水平下，已經實現了乘用車用鋰離子電池3C的充電倍率，4C也在推廣驗證階段，在保持高比能量的前提下實現6C的充電倍率，至少在我國的乘用車用鋰離子動力電池市場上還沒有類似的產品。

          電池熱管理方面。由于鋰離子電池的特性，低溫下無法實現快充，而高溫時快充會導致電池發熱，因此，需要熱管理系統來確保快充的可靠性。所謂熱管理系統，就是在低溫下為電池加熱，加熱到快充的窗口后再進行快充；高溫下給電池降溫，克服快充帶來的發熱問題，把熱量帶走，以確保電池在全氣候下健康的快充。

          2、對充電樁的要求

          要實現大功率直流充電需要從電壓和電流兩個方面來提升，由此會對充電樁的設計提出新的要求。

          電壓方面，假設提升到1000V，GB/T18487.1-2015是能夠覆蓋的，但在元器件的耐壓、絕緣等方面，需要重新設計。

          電流方面，假設從250A提升到350A甚至500A，如果不采取冷卻措施的話，電纜將會變粗許多，充電體驗將更差。如果保證電纜規格不變的情況下，需要采取一些復雜的措施，比如添加特殊的冷卻系統。德國在這方面進行了一些研究（如圖1所示），當線纜采用冷卻系統之后，不僅溫度可以迅速的降到50℃以下，而且線纜的重量、粗細程度也有所下降。

          溫度方面。當采用大功率充電的時候，單位時間傳輸的能量會增加，而溫升同樣會增加很多，所以需要在整個電路設計上增加更多的溫度檢測以及飽和措施。以350kW充電，電效率為95%為例，發熱功率為350kW×5%=17.5kW，如散熱不暢，可能會造成大的安全事故。在溫升方面，歐洲要求在充電過程中任何點的溫度都不超120℃，而日本則更保守一點，如果在充電過程中的溫度超過90℃的時候是可以延長一段時間再進行保護，但如果超過120℃的時候就需要立即保護。

          兼容性方面。首先是充電接口，由于GB/T 20234.3-2015中規定額定電流最大為250A，因此，采用大功率充電的充電接口到底是采用全新的接口，還是要兼容原來的接口，需要進行論證。其次，已有的通訊協議是不是能支持400A以上的電流，同樣需要探討。最后，大功率充電站應具備寬范圍功率的兼容性，可以柔性、智能分配充電功率，既可以滿足大功率充電需要，也能夠兼容不支持大功率充電的電動汽車充電需求，這樣也能提高充電樁的利用率。比如：Charge point已經生產出了功率可達400kW的直流充電樁，它是由若干個充電功率為31.25kW的充電模塊組合而成，模塊之間可以隨意組合。如果想得到400kW的輸出功率，需要12個功率模塊組合，單槍輸出即可；如果是雙槍輸出，則每支槍的輸出功率為200kW；根據不同的功率模塊組合，得到不同的輸出功率。

          電流速度方面。根據GB/T18487.1-2015中規定，在充電階段，車輛控制裝置向非車載充電機控制裝置實時發送電池充電需求參數，調整充電電流下降時：I＞20A時,最長在I/dlmin內將充電電流調整到與命令值相一致， 目前dlmin為20安/秒。如果在充電電流為350A（或500A）的情況下，電流不能及時降下來，很有可能會造成電池過充，從而影響電池的使用壽命和安全性。目前在大巴車上已經發現這個問題，需要考慮在大功率充電標準制定的時候對電流速度進行重新定義或提升。

          3、對電動汽車的要求

          如果采用大功率直流充電（假設350kW,1000V,350A），那么整車的電壓平臺將會提高到1000V。但目前國內主流的純電動乘用車的電壓平臺范圍在275-550V，商用車在450-820V左右，而最大快充電流普遍在200A以下。因此，要實現1000V、350A的大功率直流快充，將對零部件提出更高的要求。比如：電池、電機、電控的控制策略需要重新開發，而且周期較長；對整車的高壓防護等級、熱管理等安全性能要求更高，意味著由于電壓、電流的顯著提升，整車各高壓零部件的絕緣、耐壓等級，銅排的載流、耐高溫能力設計等均需要重新開發。另外，現階段單靠國內整體的行業水平還無法完全自主的解決上述困難，大部分的零部件是需要進口的，這除了會增加車輛的生產成本外，還會對我國新能源汽車產業帶來一定的沖擊。

          4、對電網的要求

          從技術角度來講，電網為350kW充電站配電是完全沒有問題的。比如：城際高速上的快充站容量一般是630KVA，而集中式專用充電站的容量需求可能是數百至上萬KVA。但從實際情況出發，大規模建設大功率充電站可能會存在以下問題。一是大功率充電一般應用于公共快速補電，用戶充電時間與地點的選擇更大程度上取決于行駛的需要，顯著降低有序充電的潛力，提高電網負荷峰谷差，降低了大電網的整體投入產出效益。二是由于接入電網時間較短，呈現較為明顯的隨機性、間歇性特點，對電網需求響應的能力明顯下降。三是電動汽車可作為移動儲能裝置和調峰系統，在電力供應富余時充電,提高電力的利用效率，在用電緊張時放電，緩解用電壓力，延緩電網建設投資，提高電網運行效率和可靠性。但大功率充電可能無法實現V2G，降低了可再生能源電力的消納能力。四是在夏季電力供應緊張時期，很容易出現過負荷問題，引起線路過熱、跳閘等情況，這將導致大量負荷被切除。

          四、對于發展大功率充電的建議

          1、整車企業應研發高電壓平臺車型

          現階段國內主流的新能源乘用車的電壓平臺范圍在275-550V，而且最大快充電流普遍在200A以下，理論上充電功率為110kW的充電樁即可滿足充電需求。如果未來350kW大功率充電成為現實，同時假設我國現階段的電動汽車（110kW充電功率）可以正常使用的前提下，大功率充電樁的功率利用還不到1/3，不僅不會縮短充電時間，還會影響大功率充電樁的利用率，因此，必須要提高車輛可負載的電流和電壓。如果電流大幅度提高，會增加車輛電子元器件的發熱量，浪費電能，同時對于線束的要求也比較高，而相比之下，提高整車的電壓平臺效果要好一些。國外的車企已經嘗試將乘用車的電壓平臺提升到了1000V，而我國即便是商用車的電壓平臺最高也只達到了820V。因此，建議我國乘用車企業趁著大功率充電還沒有到來之前，要將高電壓平臺的產品列入到研發規劃之中，甚至可以根據國內電動汽車市場的發展情況有序地推進研發，并驗證技術可行性，且不可由于技術門檻高而不去嘗試，防止重蹈覆轍，繼續走用“市場換技術”老路。

          2、部件供應商應注重高壓零部件的研發

          以IGBT（ 絕緣柵雙極型晶體管）為例，如果系統是300V，IGBT電壓等級需要600V，國產的產品即可滿足要求。但如果系統是1000V，IGBT電壓等級需要達到1400V，則只能從國外進口，而且國外能生產的企業也不多，如三菱、英飛凌。如果IGBT提高到1700V的，則只有英飛凌可以提供，況且壟斷企業的產品售價也不會便宜。因此，我國零部件供應商應把自身的技術研發規劃與全球電動汽車的發展趨勢相結合，盡早突破高壓零部件的技術障礙，實現國產化，為“彎道超車”做好準備。

          3、電池廠應關注高比能量的快充電池研發

          假設未來電動汽車平均續航里程為500km，每百公里耗電量為20kWh，因此，需要搭載100kWh的電量，同時又要保證在350kW的充電功率下，充電時間在10-20分鐘（充電功率設定在350kW），就現階段我國車用鋰離子動力電池行業整體水平而言，面臨的挑戰還是比較嚴峻的。首先，對于乘用車而言，電池的單體能量密度要達到300Wh/kg，否則對于100kWh的電量裝載難度較大（重量和體積都是瓶頸）；其次，充電倍率也要在2-6C，否則無法保證充電時間。由于鋰離子電池的特性決定了能量密度與充電倍率是魚和熊掌不可兼得的，單獨實現高能量密度或較大的充電倍率還比較容易，但如何平衡這兩種特性是我國動力電池企業必須要面對的問題。因此，建議我國動力電池企業要加大高能量密度快充電池的研發布局，爭取在2020年補貼取消之前，研發出有競爭力的產品，以避免市場被外國產品占領。

          4、充電設備企業應提早布局柔性智能充電技術的研發

          即使未來大功率充電成為事實之后，對電動汽車來講，可能還是會有一些小功率充電的車存在，這種情況下如何提高整個設備的功率兼容性，是一個比較關鍵的問題。當電壓提升到1000V之后，如果仍然給電壓平臺為350V的車來充，用現有的技術方案功率利用率只有原來的1/3不到，對設備的利用率是特別低的。因此，建議充電樁的生產企業要提前布局柔性智能充電技術的研發，在充電模式的拓補上要考慮寬范圍功率的兼容性和保持全范圍的高效性。

           5、標準委應開展大功率充電標準的制定

          據了解，我國部分乘用車企業已經將續航500km的產品規劃在了2020年左右，因此，對于大功率充電的態度是需求但并不是十分迫切，這也給予了標委會足夠時間來驗證技術的可行性，以及相關標準的制定，包括連接器、電纜、電流速度、散熱等方面內容應重新定義或修改。另外，今年3月4－8日，國際電工委員會TC69MT5-6工作組在荷蘭代爾夫特召開了電動汽車大功率充電國際標準第一次會議。該工作組的目標就是為了實現大功率充電，對現有的標準進行全面修訂以適應新的技術要求。我國在標準制定的時候，應該更多的參與到國際討論當中，以增強國產電動汽車的國際競爭力。

          6、國家能源局應推廣充電樁的認證制度

          由于充電基礎設施行業的門檻較低，缺少必要的產品準入制度，導致市場上的產品種類繁多、質量參差不齊。另外，現有檢驗制度只“對送檢樣品負責”，市場上的產品是否達標也無法確定，進而會對充電的安全性、可靠性和兼容性產生一定影響。而大功率充電樁對于元器件、耐壓、絕緣、線纜、插頭、散熱、兼容性等方面有更高的要求，為了確保充電的安全性、可靠性和兼容性，認證制度就顯得尤為重要了。因此，建議國家能源局盡早出臺充電樁產品的認證制度，以保障充電樁的安全性、可靠性和產品一致性，避免發生重大的充電安全事故，確保充電行業的健康發展。

          7、電網公司應積極探索大功率充電技術的可行性和運行模式

          現階段國內乘用車用的直流快充樁充電功率為40-60kW，充電時間也普遍大于1小時，即便是特斯拉的超級充電站也需要30分鐘，從能源補給的便利性來講還不能與燃油車相比。為了打消客戶的充電顧慮，可以嘗試建立大功率充電站的示范項目來探索大功率充電技術的可行性，包括對電網、電池、充電設備、標準等方面的可行性驗證，以及推廣大功率充電的時間規劃。同時還要考慮大功率充電站成規模后的運行模式，以減小或避免對大電網的沖擊。

          8、電網公司應做好電力規劃準備

          充電基礎設施離不開電網，因此電網公司要做好接入大規模大功率充電的準備，包括有關的負荷預測、電源規劃、電網規劃等等。

          負荷預測方面，要在傳統負荷預測的基礎上，挖掘有序充放電潛力，考慮時空特性，根據不同類型電動汽車在不同充電行為下對應的充電模式，預測電動汽車充電需求，提高負荷預測精度。

          電源規劃方面，要依據電動汽車發展規模，分析電動汽車與電網互動促進可再生能源消納的比例，優化電源結構。

          電網規劃方面，配電網規劃與充換電設施規劃相銜接，根據不同地區負荷接入標準、充換電設施用電容量，及時調整電力設計標準，滿足各地電動汽車發展需求。

           9、電網公司應加強電網建設準備

          城市電網方面，要加大智能化項目和信息通信基礎設施的投入，為有序充電管理提供支撐；依據大型集中充電站點建設需求，及時建設或改造配套變電站，滿足充電基礎設施接納條件。

          局部配電網方面，要對老舊居民小區和公共停車場依據需要及時進行電網增容改造；加強對充電設施用戶接入把關，確保電能質量符合國標要求，強化用電安全管理；對沖擊性負荷，做好局域電網補強，避免對周圍用戶造成影響。

          10、電網公司應做好調度運行準備

          通信方面，要開發電網調度與車聯網平臺的接口，電網調度從車聯網平臺獲取用戶需求和充電設施實時運行狀態的數據。

          控制方面，要在設定的互動目標下，調度系統根據電網實時信息、電動汽車狀態、用戶需求信息等，構建多時間尺度電動汽車與清潔能源協同優化調動策略，并發送控制指令。

          工作機制方面，要建立多層級電動汽車有序充電架構，包括電動汽車用戶管理層、本地能量管理層、集成管理層、電網管理層等，并將其納入需求側響應、調度的常規工作運行機制。

          制定充電網絡運營企業作為電力零售商參與電力市場交易的規則，明確充電網絡運營企業參與市場交易的計量關口以及核算原則。

          明確充電網絡運營企業作為中間商代理用戶參與電力市場交易的責任和義務；制定引導電動汽車提供電力輔助服務的價格機制、激勵機制和監管機制。

          可考慮在電動汽車推廣力度大的城市先行開展有序充放電試點。比如在北京、上海、天津等城市開展電動汽車通過與電網互動參與輔助服務等試點工作，探索研究電動汽車參與電網互動、實現有序充放電對電網資產效率的提升效益。

作者：李松哲