新基建下的充電基礎設施及直流充電模塊

 

　　

　　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設施大發展的情況下，直流快充模塊的發展。

　　新基建和新四化下的充電基礎設施的發展

　　2019 年底，全國的充電樁總數達 122 萬個(公共樁 52 萬個，私人樁 70 萬個)，形成 “十縱十橫兩環”的充電網絡。從中央將充電樁納入新基建，地方和國網重點推進充電建設與運營，核心在于補足新能源車使用環節的短板。

　　目前汽車正在被改變，以電動化、智能化、網聯化、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革命的標志性、引領性產品，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點。

　　目前新能源汽車市場對快充技術有切實需求，主流電動車的續航里程已經升級到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

　　充電設施的發展趨勢

　　所以目前新能源車主的用車生活中，真正構成充電速度瓶頸的另一大關鍵因素，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上，由于整體投入有限，國外的超快充的設施設計走得非常超前。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年的充電基礎設施有八個基本的趨勢：

　　趨勢一：充電接近加油體驗 現在到在未來的幾年之內，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：充電設施有更好的可用度 充電基礎設施要有更高的可用度，具備“高可靠”、“高質量”的特性，要能夠適應高溫潮濕、鹽霧、粉塵等復雜和惡劣的運行環境，核心部件比如充電槍、充電模塊等產品質量要高。

　　趨勢三：更節能更綠色 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，將節省85億度電。充電基礎設施變得更節能更綠色，固態變壓器、新拓撲新器件、新算法的新技術導入，在電站設計上要能夠支持光伏、儲能的本地接入和綜合調度。

　　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，環境友好 充電基礎設施將變得無處不在，商場、辦公區、居民區附近都將有充電基礎設施的覆蓋，所以一定要“環境友好”。“低噪音”，比如要做到不高于空調室外機的噪音水平。“低電磁輻射”，減少對電氣設備、特別是對人體的影響。“電網友好”，充電要減少對電網的不良影響。

　　趨勢六：設施智能化 物聯網、大數據、云計算、人工智能等技術將改變充電基礎設施在“充電體驗、運行維護、網絡協同”等方面的體驗，實現“充電體驗安全快捷、充電設施安全高效和無人值守、充電網絡智能調度”。

　　趨勢七：更嚴格的安全可信與隱私保護 充電基礎設施是用電設備，也是網絡設備，還直接受電網的調度和管理，高可靠性，高設備安全性，高網絡安全性，高可用性，高韌性，同時要實施嚴格的隱私保護。

　　趨勢八：充電基礎設施是多網融合的節點，能源互聯網的入口 充電基礎設施就會成為“能源互聯網”的一個關鍵入口，充分發揮充電基礎設施在整個電力基礎設施投資以及互聯網基礎設施上的融合地位，將各種新技術、新模式落地，實現真正的“綠色能源社會”。

　　充電基礎設施下的核心直流快充模塊

　　直流充電模塊是充電樁的核心，是構建高功率充電基礎設施的核心部分，在這個里面很重要的需求是：

　　1)產品生命周期問題：當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展而大量采購硬件，會導致新基建充電樁的投資不確定性升高，出現產品生命周期比較短的問題。

　　2)滿足電壓和功率需求的成本：隨著充電設備技術發展成熟和規模擴大，直流快充模塊的最低生產價格也不斷降低，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，是一個重資產的行業，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)開關電源的噪音：隨著充電樁的普及，充電樁也會對周邊環境產生聲音上的污染，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，并聯模塊的好處是可以調度和降額使用。異常維護的不及時，會導致整體充電體驗差，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，到現在的國內版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：在拓撲優化上面進行進一步提高， 所以在上一代效率基礎上，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用降低損耗，同時為了控制噪音，通過溫度控制來調節風扇的速度。

　　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惡劣的工作環境，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，使用這種工藝設計以后需要特別注意對內部的元器件進行溫度控制，需要對每個元件的工作狀態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計，需要爭取達到最優秀散熱性能。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計中，有一個關鍵器件隔離風道的概念，把發熱量比較大的器件，進行強迫風的方式幫助散熱。

　　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模塊的正常運行等問題。之前的做法都需要現場去排查，去恢復。通過遠程的故障診斷和遠程的故障恢復，并且結合充電模塊壽命的預計可以對整個運營的效率提升有很大的改善。

　　小結：隨著這一輪新基建的充電樁投資和電動汽車的普及，充電這項事業里面是圍繞著大功率充電進行的。其中快充基礎設施核心是直流快充充電樁，而充電模塊是充電樁之心，是公共充電基礎設施的核心。

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