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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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
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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,，要能夠適應高溫潮濕、鹽霧,、粉塵等復雜和惡劣的運行環(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”?！暗驮胍簟?，比如要做到不高于空調(diào)室外機的噪音水平,?！暗碗姶泡椛洹保瑴p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”,。
03
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，會導致整體充電體驗差,，影響客戶滿意度,。
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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(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)鍵器件隔離風道的概念,，把發(fā)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(xiàn)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(jié)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(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。