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浅谈电动汽车充电桩发展趋势

作者:中国储能网新闻中心 来源:英飞源技术 发布时间:2021-02-21 浏览:次
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2020年是电动汽车发展较为关键的一年,这一年全球新能源汽车的销量首次突破310万辆,欧洲更是以136万辆的销量超过中国夺得2020年全球新能源汽车销售冠军;这一年特斯拉市值超丰田成为全球第一,蔚来起死回生,市值超比亚迪成为中国第一;这一年特斯拉、比亚迪、蔚来、小鹏等电动汽车品牌越来越为普通大众所接受,摆脱政策补贴的阴影,成为购车时的最佳选择;这一年众多车企都推出了1000公里续航,超快充电的车型,电动汽车不再有里程焦虑……;回顾电动汽车技术飞速发展的这五六年,电动汽车从性能低下到和燃油车势均力敌,发展速度已经超出了原先的预期,未来10年将是电动汽车加速替代燃油车的10年,而2021年则是电动汽车应用元年。电动汽车的普及应用离不开充电桩的配套,本文则是抛砖引玉,探讨一下未来充电桩的发展趋势。

01、电动汽车的普及为历史之必然

电动汽车替代燃油车已是不可逆转之趋势,首先从国家战略层面来看,电动汽车替代燃油车可以解决我国石油对外依存度过高的问题,同时可以解决我国汽车产业技术长期落后于人的问题,实现弯道超车;其次电动汽车性能相对于燃油汽车有碾压性优势,30万的model 3零到百公里加速度3.3S,可以媲美300万的法拉利F8;再次从成本上考虑由于不需要复杂的机械传动,电动汽车的结构比传统燃油车简单得多,Tesla上海工厂引入的6000吨的压铸机,可以将传统车架中的需要加工再组装70个零件,焊接1000至1500次的复杂生产过程,变成一次简单压铸加工,让焊接两小时变成压铸两分钟,并节省20%的成本。待到电池技术的成熟,电动汽车的成本将低于燃油车;另外由于电动汽车没有空滤、汽油滤、机油滤等传统保养项目,仅需对电池定期检测,维护成本也低于燃油车。

当前阻碍电动汽车普及的关键在于电池与充电,电池成本占到了整车40%左右。Tesla在2020年的电池会议上宣称采用无极耳结构优化后的4680 电池后续航里程将增加 54%,成本将下降 56%;中国工程院院士陈立泉表示液态锂电300Wh/kg是极限,全固态锂电是趋势,能量密度可达500Wh/kg,5到10年后即可批量应用。一旦电池的问题解决了,剩下的便是解决大功率充电设施配套的问题。

02、电动汽车充电困境

随着电池技术的日益成熟,电动汽车充电速度越来越快,充电设施的建设在技术参数上需超前于现有车辆。早期充电桩功率多为60kW,10分钟可增加续航66公里,当前主流充电桩功率为120kW,10分钟可增加续航123公里,但实际上电动车辆多达不到这个充电功率。2021年新的ChaoJi标准即将发布,截至2025年市面上将停止投放老的GBT充电桩。届时主流充电桩的功率将为240kW/350kW(单枪),满足10分钟增加266公里或是389公里的续航,达到油车加油般的体验。

大功率ChaoJi充电桩在技术上进展迅速,240kW的ChaoJi充电桩已经在车厂及设备厂反复测试,Tesla批量部署的V3桩给Model3充电也可以单枪240kW输出,而Porsche Taycan 800V的平台所配套的350kW超充桩也已经大规模批量应用。

新能源汽车产业发展规划(2021—2035年):

到2025年,纯电动乘用车新车平均电耗降至12.0千瓦时/百公里,新能源汽车新车销售量达到汽车新车销售总量的20%左右。

到2030年,新能源汽车新车销售量将达到新车销售总量的50%

到2035年,新能源汽车保有量将超过1亿辆

大功率ChaoJi充电的瓶颈在于快充桩批量部署给电网系统带来的压力,如果未来深圳市800个加油站全部替换成充电站,则单个站点20个350kW快充桩需要8000kVA配电,全深圳需要640MW容量专为车辆充电,这相当于岭澳-大亚湾核电站的全部装机容量。另外还有输配电系统改造以及带来的峰谷问题。

当前我国乘用车保有量为3亿辆,如果10年后其中一半车辆换成电动车,且电池容量150kWh(1000公里续航),则车载动力电池储能可达200亿kWh以上,相当于我国每天消费的总电量;如果其中10%的电动车即1500万辆车以100kW的功率充电,那么充电功率达到15亿kW,与全国电网总装机容量相当;但如果按电能消耗来算,平均每辆车年行驶两万公里,1.5亿辆车每天消费电量大约是10亿kWh,占日电能总消费量的5%,这是完全可以接受的。

电动汽车充电的特点在于充电功率巨大,但总耗电量不大,充电波动大,同时储能潜力也巨大,如果换个思路,用电动汽车的储能潜力来平抑充电及电网的波动岂不是两全其美的事?故电动汽车充电的终极解决方案得从国家的整体能源战略来考虑。

03、新能源应用困境

充电系统的发展必须从国家能源战略的角度来考虑:

2030年碳达峰,2060年碳中和

减碳的关键在于能源低碳化,即用新能源代替传统的化石能源。目前我们中国的能源情况是富煤缺油少气,煤、石油、天然气加起来占整个能源的85%。我国2018年自产的原油是1.9亿吨,国外进口的原油是4.6亿吨,对外依存度已经是71%,这4.6亿吨的原油还不够近3亿辆燃油车的消耗,所以一定要实现交通工具的电动化,这是从国家能源安全的角度来考虑。

电动化就得发电,我国的电力供应有3/4是煤电,煤电污染大,如果电力获取方式不改变,那么电动汽车每行驶1公里带来的碳排放与内燃机碳排放是一致的,所以必须用新能源发电来替代传统的煤电。

新能源发电主要是指光伏和风能,水电也是无污染能源。光电、风电具有波动性大、间歇性强的先天缺陷,这给电网稳定运行带来极大风险,导致风电、光电上网难、输送难,上不了网的电就得丢弃掉,我国每年弃电量都超过了三峡电站的装机量。水电也有季节性波动,为了保障旱季稳定的能源供应,我国西南部每建一座水电站都会配套建一座煤电站。以上问题都大大限制了可再生能源发电的发展。

用电动汽车巨大的储能潜力来消纳和平衡可再生能源发电是个不错的选择。对于分散的分布式新能源电可以用充电桩及电动汽车分布式存储或消耗,但是对于偏远地区像西北的光伏发电还得考虑长途输送的问题,两个方法,特高压输电和制氢。发电高峰期电能不能全部输送就电解制氢,发电谷期再氢能发电,实现发电侧的削峰填谷。同时氢气还可以通过管道输送或是车辆运输的方式运送至外地,用于钢铁冶金、制热以及交通这几个传统的煤炭应用行业,氢气可以替代煤炭作为冶炼中的还原剂,同时氢气的燃烧热值高,约为汽油的3倍,酒精的3.9倍,焦炭的4.5倍,烧完了就是水,在制热,氢燃料汽车都可以广泛应用。

这样我们可以看到未来能源低碳化的趋势:新能源发电代替煤电,发的电又可以驱动电动汽车来替代燃油汽车,同时多余的电制氢用于其它高耗能行业替代煤炭,从而破解新能源应用的困境,实现新能源替代传统化石能源的闭环应用。

所以充电系统的发展趋势与国家的能源战略对其自身及电动汽车的定位是一致的,大功率充电实现燃油车辆的电动化,大容量储能加速发电的低碳化。

04、充电桩的定位

中国科学院院士欧阳明高给新能源汽车的定义是:新能源汽车是交通工具、储能装置和智能终端三位一体的产品。国务院办公厅发布的《新能源汽车产业发展规划(2021-2035年)》也提出,促进新能源汽车与可再生能源高效协同,统筹新能源汽车能源利用与风力发电、光伏发电协同调度,提升可再生能源应用比例。可见无论是从技术层面还是从国家能源战略顶层设计层面,电动汽车都有两个重要的属性:高性能无污染交通工具、新能源发电的消纳和储能设备。由此我们可以推导出充电桩的两个重要属性:电动汽车快速充电设备、电动汽车与电网能量交互的能源路由器。

我们不妨先假想一下10年后的电动汽车使用场景:此时北上广深等一线城市电动汽车保有量超50%,电网系统不再以传统方式给车辆充电,而会强制车辆V2G有序充放电。电动车主会养成平时V2G充放电,应急ChaoJi充电的习惯;届时小区、办公楼、商场会满配V2G充电桩,一旦停车便会插上充电枪,将车辆动力电池挂在电网上,系统会根据电网及车辆情况进行V2G有序充放电;高速公路、城市交通要道则会配置ChaoJi充电站,实现240kW/350kW的超级快充,10分钟补电380公里。

至此我们可以看到电动汽车充电桩今后的两个重要发展方向:大功率ChaoJi充电,实现加油般的充电体验;能源互联网节点,实现V2G/V2X。

05、充电桩发展趋势

趋势一:大功率ChaoJi充电

传统燃油车加油时间大概为10分钟,电动汽车若是要媲美燃油车就得实现10分钟增加400公里续航,这大概需要350kW的充电功率,而我国当前通用的充电桩最大才750V/250A即187kW输出,实际应用还要大打折扣,要实现大功率充电就必须用更高的电压和更大的电流,ChaoJi充电标准可实现1500V/600A,最高900kW功率输出。

大功率ChaoJi充电将会呈现以下几个特点:

1、更高的电压

充电电压取决于电动汽车所选取的系统平台,乘用车一般是400V的系统平台,这就决定了国内主流乘用车一般充电功率不会超过100kW,故当前主流充电桩功率仅为120kW。采用800V系统平台是乘用车充电发展的趋势,Porsche、Audi、Benz、BMW、Tesla均开始了800V的高压化进程。

电动汽车电压平台的高压化必然要求充电系统的高压化,对于乘用车来说1000V的充电平台将会是主流,英飞源在业界首先推出基于SiC器件高可靠性充电模块,输出电压范围150V~1000V,该模块起先是针对海外市场的高端应用,随着国内ChaoJi标准的推广以及SiC器件的广泛应用,基于SiC的高压模块必将在国内得到更为广泛的应用。

2、更大的电流

当前国标充电枪最大电流为250A,要想充更大的电流就得插2把枪,这对于大型工程车辆尚可,对于小型乘用车是难以实现的,其实最简单的办法就是采用液冷充电枪,更轻、更细,电流可达500~600A,价格也更贵。当然,随着液冷枪的广泛使用,价格大幅度下跌是必然的,就像当年整流模块也有过价格过万的历史,现在跌去了一大半。

3、更可靠

充电桩的核心在于充电模块,当前普通充电模块的保修期限多为2~3年,对于充电场站来说,经营得好的话也得3年才能回本,若要持续稳定盈利的话,模块得有5~8年的使用寿命。针对这个问题,英飞源给出了隔离风道灌胶方案。

早在2018年,英飞源在业内就率先推出了30kW隔离风道灌胶的整流模块,该模块有如下特点:

PCB表面除了喷三防漆,还灌胶涂敷,保护带电器件及PCB

功率器件使用开模塑胶密封件完全密封,使之与风道隔离

风道优化设计,风只吹发热元器件,不发热或发热量小的器件位于PCB和机壳之间,并被挡风条保护,从而免于粉尘污染和腐蚀。

输出电压50~1000V,恒功率范围300~1000V,满足所有车辆快速充电需求

英飞源的隔离风道灌胶模块获得了国网电科院、CE、UL、KC等国内外认证,被广泛应用在海边船用充电、工地泥头车充电等高温、高湿、高尘、高盐雾的场景,可靠性得到了海内外客户的一致认可。

4、储能及多能源输入

大功率充电桩的普及已经毋庸置疑,问题是大功率输配电设施的建设。如前所述,电动汽车充电的特点是充电功率巨大,但总耗电量不大,解决这种用电负载的最佳办法就是储能。

储能可以实现充电系统的动态扩容,从而无需向电网申请更多的配电容量。电动汽车充电是间歇性的:充次电10来分钟,然后充电车辆拔枪、驶离,新的车辆停车、插枪、扫码启动充电。储能电池可以在电动汽车充电的间隙从电网获取能量给自身充电,在电动汽车充电时和电网一起给车辆充电,从而实现充电功率的倍增。

对于光照强烈且无遮挡的场地,光伏的引入也是充电系统的不二之选,尤其是高速公路服务区的站点。此时可将光伏发电直接用于车辆充电,实现充电功率的扩增,充电间隙光伏发电则可存储于储能电池,利用储能电池实现光伏消纳。光储充系统将原先光伏的平价上网转换成给车辆的峰值充电,除了动态扩容,还带来了额外的电价收益。

针对储能充电应用,英飞源推出了光储充检一体式系统及解决方案,该系统具有如下特点:

模块化设计,可根据实际情况增减储能、光伏及充电功率

安全可靠,电网、电池、车辆、光伏接入之间完全电气隔离

动态扩容,通过储能电池,光伏实现充电功率倍增

光伏消纳,平衡消纳光伏发电,提高光伏系统收益

峰谷套利,夜间谷期储能电池充电,白天峰期给车辆充电,实现套利

电网治理,储能系统可实现无功补偿、有功平衡及应急供电等功能

车辆检测,可实现车辆动力电池的满充满放检测性能,节省时间及费用

这套方案已经在全国多个站点展开示范性应用。

趋势二:能源路由器

电动汽车是我国新能源战略中最为重要的角色,2亿辆电动车的储能就能满足我国每天的电能消耗,风光消纳、水电平衡、削峰填谷都需要电动汽车来储能, 电动汽车简直就是行走的充电宝。电动汽车与电网的能量交互需要充电桩来完成,有如信息互联网,充电桩就是能源互联网中的路由器,实现能量的自由流动。能源互联网的发展将再一次改变我们的生活方式。

能源路由器可以实现以下功能

电动汽车通过充电桩从电网获取能量

光伏发电通过充电桩让电动汽车来消纳光伏

风力发电通过充电桩让电动汽车实现风电消纳

车与车之间通过充电桩实现V2V

车与电网之间通过充电桩实现V2G及削峰填谷

车与微电网之间通过充电桩实现V2H

当电动汽车保有量超1亿辆时,电网将不堪传统充电方式所带来的压力,必将强制所有电动汽车采用V2G的方式有序充放电,届时小区、商场所配置的7kW交流充电桩将全部无缝替换成7kW V2G充电桩,充放电时段、功率都将由电网系统统一调配,以满足电网整体稳定性的需求。一般情况下,电动车主无需考虑车辆何时充电,只需在停车时将充电枪接入,车辆和电网会自动协商,保证用车时车辆电量满足车主需求,若是车辆急需充电,则可去ChaoJi充电站补电10分钟,续航380公里,而无需像油车那样必须每次都行驶至加油站。

作为能源路由器的充电桩不仅仅实现V2G功能,更要考虑各类V2X功能的实现,随着电动汽车储能功能的日益强化,传统的中心化的火力发电站将会更多的被分布式的光伏发电所替代,分布式发电、分布式储能、分布式用电将是必然趋势。既然是分布式发电,那传统的中心化的集中电能管理方式就可能失效,取而代之的将是去中心化的管理方式,区块链技术将在能源互联网的应用中大放异彩。

区块链技术也是能源互联网中不可缺少的一环,V2G实现能源路由器的能量流动,区块链技术则实现能量流动的记录,区块链的功能如下:

分布式能源,去中心化,实现个人能源交易

精确记账,记录每一度电的流通路径

不同能源转换的损耗、远距离传输的损耗自动计算

实现了能源接入互联网的数字化

有了区块链技术,我们将清楚的知道自家楼顶发的电是给隔壁老王家用了,还是给楼下老张家的电动车充电了;也会知道今天车辆充的电是来自电网还是来自隔壁老王家发的电,或是楼下老张家的电动车。

能源路由器的核心在于V2G功能,针对V2G应用,英飞源推出了7kW及15kW的双向能量变换模块,并且提供7kW、15kW、30kW、60kW、120kW等全系列V2G充电桩产品及方案。英飞源的V2G充电桩已经完成了市面上主流电动车辆V2G功能的适配以及电网的V2G后台对接,并且在全国数十个站点示范运行,英飞源的双向变换模块及V2G充电桩处于全球领先水平。

06、未来展望

10多年前,手机真是个手机,出门旅游还得带相机,开车得用车载导航,打游戏还得开电脑,10年后的今天带上手机就拥有了一切;10多年前手机充电一次续航一星期,10多年后的今天每晚手机必须插上充电器;5年前电动汽车还只是个大玩具,现在电动汽车性能可以碾压燃油车;现在燃油车加油一次续航一星期,10年后也许我们停车没事就插上充电枪,有事ChaoJi充电10分钟续航380公里。一切只待习惯的改变……

关键字:充电桩

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