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2021年新能源汽车充电基础设施技术年度跟踪报告(简版)

发布时间:2022-09-06 来源:中国汽车工程学会

《新能源汽车充电基础设施技术年度跟踪报告(2021年)》是电动汽车产业技术创新战略联盟(以下简称“联盟”)2021年共性技术课题研究成果,由联盟充电基础设施与智慧能源协同专业委员会研究编制,是国内外充电基础设施技术进展及发展趋势的年度性跟踪报告。报告主体框架包括年度产业技术综述、年度重点技术进展、年度热点案例解析和年度专利分析。

 

01

年度技术产业综述

 

从全球范围看,2021年是电动汽车加速发展的一年,欧洲、美国也加快了电动汽车发展的转型。从全球主要经济体来看,中国、欧盟充电基础设施依旧保持快速发展态势,而日本发展相对缓慢。根据欧洲替代燃料天文台(European Alternative Fuels Observatory)统计数据,截止到2021年底,欧盟各类充电桩达37.75万个,相比2020年增长41%。根据美国能源局网站数据,截止2021年底,美国共有各类充电站4.7万座,充电桩11.5万个,相比2020年增长6.3%。由于日本电动汽车多为混动车型,纯电动车型占比较低,充电基础设施增长缓慢。目前,日本电动汽车普及率仅为1%左右,公共充电桩长期停滞在1.8万个,老旧充电桩趋于达到预期寿命,越来越多的充电桩被闲置或被停用。

随着中国电动汽车的快速增长,释放出巨大的充电需求,叠加国家政策红利、新基建赋能、资本加速入局等共同作用,配套充电设施也呈现出强劲的增长势头。根据中国电动汽车充电基础设施促进联盟(以下简称“充电联盟”)统计数据,2021年,中国充电基础设施保有量261.7万台,年新增93.6万台,同比增加70.1%。其中,公共充电桩增量34.0万台,同比上涨89.9%;随车配建充电桩激增,增量达59.7万台,同比上升323.9%,车桩比3.7:1,充电基础设施建设能够基本满足新能源汽车的快速发展。联盟内成员单位上报公共类充电桩114.7万台,其中直流充电桩47.0万台、交流充电桩67.7万台,月均新增约2.83万台,在政策鼓励下,部分私人交流桩开展了私桩共享模式的尝试。

2021年,在中国积极推进“双碳”战略背景下,新能源汽车产销量继续增长,充换电技术及应用也取得了快速发展。智能有序充电技术、换电技术、无线充电技术等都有了显著进展和提升,相关技术专利申请数量也在逐年上升。V2G技术尚处于小规模试点验证阶段;有序充电、换电、光储充能源电微网正在不断扩大示范应用规模,电动汽车能源补给方式呈现出场景化、多元化发展趋势。随着大数据、云计算、人工智能、移动互联网、物联网、区块链等新技术在充电技术上的深化融合,充电便捷性、安全性显著提高,大数据分析在实际应用中的作用逐渐突显。

 

02
年度重点技术进展

 

2.1智能有序充电技术

2.1.1有序充电(V1G)技术

大量电动汽车接入充电网时,对电网的影响已不容忽视,对电网影响的定量评估及以减少负面影响为目标的充电控制策略成为研究与部署的热点,通过有序充电技术,在充分利用变压器剩余功率的同时,合理分配剩余负荷,解决居民充电负荷能力不足问题。除了交流充电场景外还包括直流充电场景,可以通过平台端进行固定充电功率、固定时间以及实时检测变压器功率方式实现有序充电关键参数的设置。

交流有序充电中,对变压器侧剩余功率实时检测,判别出需求端功率超过允许充电功率时,平台会约束充电电流,通过调节CP信号线上PWM方式使车辆将充电电流降低下来,从而将充电功率约束至允许范围内。

图1 充电功率检测平台

直流有序充电中,平台会对变压器剩余功率、充电需求功率和充电功率进行比较,平台通过功率曲线下发充电约束条件,从而实现直流侧有序充电。

图2 充电功率曲线

2.1.2 V2G技术

(1)模块化功率分配。V2G模块方面,对于传统的AC/DC模块提出了反向放电的需求,如何宽范围输出、实时双向切换、全范围高效率输出成为充电模块的新挑战。通过集群充放电模块矩阵功率分配单元(PDU,Power Distribution Unit)及智能分配算法,实现对每个模块对于每把枪的均衡调度,达到柔性可控充放电。

图3 矩阵式功率分配充放电系统

(2)充电网络分层架构与调控

由变配电设备、电力电子能量转换和分配设备、智能调度控制系统及大数据计算平台组成的充电网络系统,可有效实现充电容量在不同充电车辆需求间的调度分配;基于配电台区系统协调,实现配电容量与充电负荷的优化分配,满足车辆放电对配电网高峰需求的补给,同时,通过响应价格信号、调控指令、交易出清结等信息,实现对大电网稳定运行的负荷侧支撑。

图4 充电网运行调控基本框架

2.2换电技术

换电技术的焦点,已从对功能需求演化为对换电机构性能、接口标准化的要求,包括快速性、耐久性、安全性,以及加快解决共享换电技术标准的问题上,相应工作取得了显著成效。

在乘用车的错齿锁止结构、非标螺栓(螺纹式)、涡轮蜗杆结构等机械连接性能方面,实现了从可抗25G的机械冲击到可抗50G机械冲击的乘用车应用,耐久性从1000次到了10000次。在性能方面,要求实现的连接器满足互锁、防触指、插拔次数>1000次、额定电压800V、防护等级IP68(1m,2h),覆盖200~500A的过流能力,耐久性2000~10000次,低压通信≥20PIN,且满足平台化接口需求,冷却连接装置具有快速插拔、自动截止及浮动功能,插拔寿命达3000~8000次。

共享换电站网络建设,必须同时满足多车型、多品牌的共享使用,其机械与电气结构以及通信协议的标准化是重要前提,包括换电车辆车载电池摆放位置,各种换电车辆的车载电池锁止机构,连接器物理尺寸和通信协议,换电站设备电池解锁与紧固方式,换电站电池智能充电连接器和通信协议等的标准化。

2.3高功率充电设备技术

为应对大功率快充对电网的冲击,华为推出了基于直流母线的分体式液冷充电模块及其液冷充电系统,适用于分布式光伏的接入交流母线实现光伏可馈网可自发自用,以及分布式储能接入直流母线,以及储充场景上减少两次功率变换,效率提升约2.60%。

AC/DC液冷模块为120kW,DC/DC液冷模块为60kW,功率拓扑与40kW新拓扑形式相同;充电终端采用500A液冷终端(支持功率≥400kW)和250A自然冷终端(支持功率180kW);主机功率可支持600kW以上,主机效率最大96%;支持两种噪声方式,即静音方案小于55dB,普通方案65dB。输出终端可灵活配置,可支持大功率快充终端低压和高压快充平台。

图5 充电主机

液冷系统比风冷系统结构复杂,投资成本相对较高,但是由于系统可靠性和模块寿命的提高,其长期总拥有成本(TCO)低于风冷系统。按照风冷模块寿命周期5年,液冷模块生命周期10年计算,大约第4年的时候液冷系统与风冷系统的TCO基本持平,第10年的时候TCO相比风冷系统约降低50%。

图6 液冷相比风冷TCO变化

液冷主要使用乙二醇水溶液作为冷却介质,和空气相比,它的密度大了1000倍,比热容大了3倍以上,因此相同的体积下,液冷能散出更多的热量。当前风冷式一体桩最大体积功率密度为300W/L,液冷式一体桩可以达到450W/L,未来随着液冷技术的进一步成熟,液冷式充电桩的体积功率密度有望进一步提升。

随着半封闭及特定环境下车辆自动驾驶应用开始商用化,如:港口、矿区、物流园、冶金厂区等特殊区域场景下特种车辆大功率充电需求显著提升,较多车型顶部缺少安装受电装置的空间,早期的充电弓方案无法使用,急需解决自动充电的连接方案以适配特种车辆,针对特种车辆大功率侧向充电技术应运而生。在电流传输上设计了新一代多电极充电接口,输出电压50到1500V,电流达1200V,最大功率1800kW。大功率侧向充电技术由智能充电装置与车载受电座组成,如图7所示。

图7 侧向智动充电技术

2.4 充电运营平台信息交换技术

在国家工业和信息化部工业互联网创新发展工程项目支持下,主流充电运营商,包括特来电、普天新能源等在充电服务云平台信息安全防护技术应用方面取得重要突破,相继研发出具有充电行业应用特征的工业互联网安全技术产品,建立了基于充电态势感知能力的安全防护网络体系,研发出企业级充电运营安全管理系统,并投入运行,较好的解决了充电行业信息安全相对薄弱的问题,实现了基于大数据技术的信息安全态势感知、通信链路保护、访问身份认证等技术应用。建立了局部充电网络信息安全态势感知能力,实现了局部充电网络纵深防护能力的提升。

图8 云平台大数据平台

2.5 无线充电技术

许继电源有限公司提出一种图腾柱交错并联PFC+双有源桥DAB+双边LLC的主电路拓扑和三重移相的双向软开关控制策略,研制出6.6kW高性能无线双向充放电系统,实现大间距下高效率、高安全性无线电能传输,最高效率提升至90.1%,具备与电网友好互动功能,填补了我国无线双向充放电系统产品领域空白。

图9 6.6kW无线双向充放电系统拓扑

中国电科院有限公司提出了中国自主技术路线的互操作测试参考设备方案,研制了地面圆形线圈及LCC补偿网络,并同IEC/ISO的参考线圈进行了对标印证,研制了可检测3.3、6.6、10、30、60和100kW等系列化产品的电动汽车无线充电互操作测试平台并通过了CNAS认证。基于研制的互操作性测试平台,在国内首次开展了互操作性测试,填补了国内空白。

由中科院与中国电科院等多家联合,研究阐明了电动汽车无线充电空间辐射对植入金属器件电磁热影响程度,为无线充电过程中生物植入器件所在靶向器官的电磁限值的确定提供了基础数据支撑;建立了电动汽车无线充电系统电磁暴露测量区域划分及测点分布方法。

图10 中国标准测试源结构

03
年度热点案例解析

3.1 华为五代无线充电产品

华为已完成五代无线充电产品技术研发,最新一代样机充电功率可达11kW,具备精准、高效、安全、可靠等特点。

图11 华为无线充电系统

(1)精准定位:通过自适应定位算法,接收端和发射端中心点的位置检测平均误差小于2cm,结合自动泊车,精准定位,实现自动充电。

(2)更高效率:优化系统架构,减少变换级数,采用专利技术保证所有工况下都能实现软开关,系统最高充电效率可达93%。结合效率寻优控制,实现轻载到满载全范围高效工作。

保障安全:针对金属、活体等异物智能检测,满足辐射标准要求。1)应用微波雷达生命体征检测活物,采用多效应识别算法,实现曲别针(宽8mm)的检测,避免金属导致充电磁场异常引起的突变导致的不安全事故,保障人身安全。2)无线充电系统充电状态车内电磁(0.8uT)辐射小于电饭煲(4.5uT),满足辐射标准ICNIRP2010 <27uT要求。

3.2 JMEV新基地无线充电示范站

许继电源有限公司与江西江铃集团新能源汽车有限公司合作开展无线充电系统装车应用研究,江铃新能源汽车整车厂采用GSE车型,搭载6.6kW无线充电系统,开发1款无线充电乘用车,2020年12月取得车辆公告,2020年4月完成批量装车应用300辆。2021年2月在江铃汽车新基地建设一座无线充电示范站,实现较大规模的示范运营,标志着我国无线充电技术实现了由关键技术研发,到目前已进入到实用化产品的应用示范和推广阶段,为推进我国无线充电系统产品的商业化运营奠定了重要基础。

图12 无线充电系统示范站

(3)

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