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彭鹏:大功率充电技术发展趋势与路线探讨

  11月20日-22日,2024中国汽车充换电生态大会在山西太原举办。本届大会由国家能源局电力司和中国汽车工业协会指导,中国电动汽车充电基础设施促进联盟、中国汽车工业协会充换电分会主办,以“新格局,新未来——构建智慧补能服务生态体系”为主题,共设置“1+1+9+1”项议程,围绕高速公路充换电基础设施建设、充电桩下乡、大功率充电、换电模式、海外出口、车网互动、居住区充电模式等方面展开深入沟通与交流,研讨构建产业高质量发展格局的对策、方法与路径。其中,在11月21日下午进行的“主题论坛四:大功率充电模式研讨”环节,华为技术有限公司智能充电全球业务副总裁彭鹏发表了精彩演讲。以下内容为现场发言实录:

  接下来我来给大家介绍一下大功率充电技术发展路线的一些探索的思路。首先是整个充电基础设施,在去年国务院619发文,已经定位它是一个交通能源融合型基础设施。在“交通强国”计划里面也强调了交通基础设施网未来会走向一个低碳化、智能化,因此充电基础设施未来发展路径,需要具备的一些低碳化、智能化的特性,来支持新能源汽车和新型电力系统变革两大战略产业可持续发展。
  华为数字能源基于核心技术和开发平台,来加速汽车电动化、智能化,和网联化的进程。华为具有30多年相关电力电子技术,还有 Ai和大数据技术,还有通信技术的一些根技术的积累,也有基于这些技术应用的一些开发平台,统一的硬件开发平台,软件平台,还有数字化开发平台,还有三电系统开发工具链,在这样的一些根技术和平台加持上,能够使得我们电动化产品的一些特性开发加速,同时降低车企开发成本。
  我们回顾整个新能源汽车和充电基础设施这近20年发展,大致经历了这三个大的发展阶段,初期的是政策导向政策驱动,然后第二个阶段就是政策与市场双轮驱动,现在我们正在迎来市场驱动阶段,市场阶段完全交给用户选择,未来市场化的竞争会越来越激烈。另外还在经历三个量变到质变,第一就是我们用户的变化,私家车的用户占到绝大多数,对体验的要求也很高。第二是数量的变化,今年已经是年产千万级,未来每年都是一个千万级的增量,对于我们这个电网,对于新能源汽车用户的补能体验,都是比较大的挑战和要求。最后是电动化路径的变化,我们认为它是正在走向一个长续航大容量备电向超充化小容量的电动化路径转变,超充会加速整个电动化普及。
  我们认为当前也在进入新能源汽车的第三波发展阶段,第一波是运营车,第二波是乘用车,第三波就是商用车,而且商用车低碳化已经到了势在必行,需要加速发展的阶段。近年来国家的一些部委也出台了很多加速商用车的低碳化进程的政策,这些激励机制包括以旧换新,包括税收优惠等等,必将加速汽车全面电动化。我们看到其实在整个交通领域的碳排放里面,商用车的数量可能只有不到1,000万,但是它的碳排放能够占到交通领域的接近一半,一辆重卡按照一年行驶15万公里来算的话,它的一个碳排放一年大概要138吨的体量,从实现双碳目标的角度,需要未来这两三年会加速去发展低碳化。
  可以看到,当前从多种能源体系里面看,电能基于它便利的获取性和传输性,以及它的低成本性,所以它已经在当前或者说暂时已经在多种能源体系里面已经胜出了。我们预测未来的10~15年,电气化电动化会占领主流。从它的能源成本来说的话,我们可以看到一些对比,像 LNG、氢能的能源的价格波动比较频繁,会影响用户安心使用这个能源,但是电能源价格相对比较稳定,而且它几乎是燃油成本的一半,甚至未来会更低。
  商务车我们去年渗透率刚刚过5%,相比我们乘用车电动化的发展速度它的发展是比较慢的,我们认为商用车电动化断点是在于它的补能不便捷和性价比也比较差,补能不便捷体现在没有一个全国全覆盖的充电的网络,包括我们的换电网络,都是不足的。换电当前其实也是短倒场景比较多,充电的传统1C倍率充电的话,它需要50-60分钟,甚至如果充电设备功率不够的话,还要一个半小时甚至两个小时,它会严重影响商用车业主的经营运营。另外性价比,上午也提到了,商用车的传统40吨燃油重卡可能不到40万,电动重卡加上500度电或者600度电,整个车里面电池的价格比燃油车的价格还要高,它会严重影响电动重卡的普及,而且商用车的用户运营方多是私营运营企业,甚至以家庭为单位,所以都是价格敏感性的,如果要加速这个板块的普及,一定要把性价比给打出来。从换电的运营方来看,除了换电当今最大的问题是这个标准不统一,阻碍它的发展,另外,换电模式无论是用户用车和用能成本,还是运营商建站TCO,都非常高,而要达到同样的补能效率,投资是充电的3-4倍。
  我们认为是兆瓦级的超快充的技术会解决产业断电,会加速商用车电动化普及。首先,我们可以看到是直接从乘用车的 B+级以上的车型向A级车型、增程车型,及商用车去延展的,超充的技术在不断的前进,3C以上的电池价格在不断地下探。我们从行业里面动力电池厂家调研了解到,未来十年整个3C倍率电池它会加快普及,整个成本的话会下降接近40%。其实从国外的电动化路径来说,重卡也是选择的超快充,当前已经有1.5兆瓦的车开始样车试制,并研发3000安的充电电流的技术能力。为什么兆瓦级的超充可以加速商用车的普及?因为它会解决掉我们前面提到两个断电,一个补能不便捷问题,一个是性价比的问题。如果300到400度电充电能在20分钟以内完成,就不会影响运营时间。而且这样商用车不需要背那么多的电池,它的价格会下降,可以在50多万,已经非常接近燃油车的一个车价,加上用电成本是油车的一半,一年可以省20万,3年就省辆车出来了,所以性价比上大大地提升。

  我们认为一个产业要良性可持续发展,一定要是多方受益,而乘用车超快充及商用车的兆瓦级超充技术的产业发展,是可以让多方受益的,会加速产业良性可持续发展。从用户的体验来说的话,它能够充的上、充的好、充的快;从车企角度来说的话它的车型会更有竞争力,性价比更高;对充电运营商来说的话,它能够提高补能效率,电力和土地资源利用率更高,OPEX运营的成本更低,经营上可以获益;对于电网公司来说的话,它能做到统一规划,不希望它所审批的一个两兆瓦的换电站的电力容量放在那里,而使用率很低,现在全国换电站的时间利用率可能只有5%甚至都不到,日均电力利用率则更低。而超快充/兆瓦级超充的场站可以将电力和土地资源利用率,用到比较极致;对于政府来说也是希望它的资源高效利用,希望促进整个汽车电动化加速,同时公共场站的安全更好管理。

  大功率全液冷超充技术,其实代表了一种新质生产力,并能够带动整个产业走向一个高质量的发展。昨天闭门会某位嘉宾分享说大功率充电没有技术含量,就只是一个模块堆叠,我觉得这样的理解和认知是比较片面狭隘的。下面我从六个方面就高科技、高效率、高质量来进行延展分享。
  第一,全液冷相比风冷30倍散热能力,3到5倍寿命,免维护,加速兆瓦级充电应用。同样还带来一个高寿免维护,能够加速造网器的充电的应用。我们知道商用车重卡车它的利用环境条件是非常恶劣的,在矿区或者是路面上整个灰尘是非常多,传统的风冷桩需要专业的运维的工程师,每周要上站一次去更换模块和清洗风道,但是全液冷设备及模块,是将我们电力电子系统实现IP55防护,这是完全和外界隔离的。我们提到了在318川藏线及高海拔,在牙克石极寒区域,还有在吐鲁番极热地方,都经历了严寒酷热的一些考验,所以它是在一个全场景应用,同时在一些矿区及物流沿线上,和这些重卡充电运营商及运营车队去进行了合作,也已经得到进一步的质量验证。
  第二,高阶的功率动态路由的分配,需要结合超算力,实现更多车型组合灵活匹配与高阶利用率。因为我们的超快充解决方案,标准方案就是两超10块,可以灵活的组合,根据客户应用场景,可能有的运营商/车企喜欢超充多一点,就可以匹配6个超充,它这样的一个灵活的配置就带来了全矩阵算法的需求,我们在这个软件算法上是投入了30万行的代码开发,能够实现灵活的快速的矩阵功率调度。同样,基于未来,我们可能要实现一个兆瓦型,它可能需要充电堆之间的,比如说两个充电主机,堆在一起是720kW+720kW,可能还未来更多的充电主机之间的模块共享,那也需要涉及到更复杂的一个算力和矩阵算法,所以这个里面的技术含量是非常高的。
  第三,自研拓扑+液冷散热+智能寻优,使能高效率,十年典型场站至少节省18万度电。另外华为还有我们自研的功率半导体芯片,然后拓扑架构这方面的一些能力能够实现一个整站的高效率。我们行业厂家讲到的效率是模块的效率,而不是整个桩的效率,或者是整个场站的(充电堆),我们整站效率能够达到接近96%,是经过实际验证实测的。右边的这个表,是我们客户给我们去验证,广东瓦溪服务区,和旁边的传统充电桩和我们全液冷设备进行了对比,传统桩场站端到端的效率可能只能达到94%左右,我们是能够实现这个接近96%,如果按照提升一个百分点来算的话,我们一年的话也可以节省1.8万度电,10年就可以节省18万度电,这是一个比较客观的收益。
  第四,无线联接“绿牙”,应用到动力电池“电芯级”全生命周期管理。另外还涉及到我们的联接的技术,在我们的换电企业里面,他们就经常提到能够对动力电池的一个全生命周期的利用,其实这里面有一个技术上的悖论,我们要让电池能够在退役以后利用,去做二次阶梯利用的话,它一定要对它生命周期的电池单体电芯数据进行了一个监控一个管理,他要掌握全生命周期的数据。如果电池来在你车身上面,它这些数据其实是在车企在电池厂家那里。但如果是说,它换到充电场站,数据要到充电运营商那里去,其实它这个数据就是中断了,你不能够实现连续性的监控管理的,也没有做到电芯级的管理。所以对于它未来的阶梯利用的话,会带来一个比较高的成本,它会再去进行做单体电芯健康度分组,去识别它的剩余容量,去配对。这样的话如果你没有全生命周期的管理的话,再次分组的成本是非常高的。华为无线管理“绿牙”技术,能够实现一个几百个电芯的无线连接,这样的话能够对于它的数据实现无线连接,我们超充车型,能够实现数据连续性,包括实时安全监控。乘用车和商用车动力电池都可以利用这个技术,连接的成本也可以降低,我们算过,可以降低1.4公里的连接线缆的一个配置,而且联接传输效果很好。
  第四,华为自研功率器件,自主可控,散热更优,效率更高。华为现在IGBT和SIC模组都已经实现自主可控,现在华为电驱动系统里面都是用的我们自研的IGBT和碳化硅,那么在我们充电设备上面同样的第三代半导体的应用也非常广泛,从 IGBT到碳化硅到氮化钾,都是自主可控,今天车企同仁们也提到了,碳化硅的应用会提升效率,提升功率器件的工作温度范围,散热会更优。
  第五,端云结合,电力电子技术与数字技术护航大功率充电安全。端侧与云侧相结合,电力电子技术和数字技术相融合,可以护航大功率充电安全,从车辆安全、人身安全、设备安全,还有数据安全,储能安全,去做好全方面防护。这里包括一些多重硬件安全设计,软件数据安全,也是华为ICT通信领域擅长的,并行业里面获得了认可和信任。
  端云的结合,通过云与AI的技术的结合,实现充电和用车的全程不间断监控,能够进行提取预警,高精度检测还可以提升续航里程。电动汽车当前有一些烧车情况,多是因为锂电池析锂现象发生,刺穿正负极隔膜,导致电池的热失控。我们结合端侧提升采集数据的频度和维度,但终端算力能力是有限的,所以要结合云侧及 AI技术,能够实现更高的更精准的判断和预测,这在一些车企已经批量级应用,并取得比较好的效果,能够提前24小时预警。同样的话,也可以提高动力电池实时SOC检测精度,会上下提升4%个点,按照乘用车来说的话,实现更精准的续航里程,不用预留过多的余量,是可以让用户放心确保它的续航里程,并提升20公里。对于商用车的话,同样会带来这样的价值。
  第六,车云路网一体化,支撑商用汽车自动驾驶及自动大功率充电落地。未来不光是车和电网的融合,还有车云路网一体化,华为在这里面具备三大操作系统能力,鸿蒙座舱操作系统HOS、智能驾驶操作系统AOS和智能车控操作系统VOS,结合到动力域的话,能够提供硬件融合、融合拓扑、芯片融合、融合热管理,涉及到软件与硬件解耦。未来要实现生态的一个创新闭环,包括今天我们车企也提到了充电100%去手机化,或者是我们未来是“地”对“地”的一个完全无感自动驾驶体验,这里就涉及到一些包括自动驾驶、自动泊车充电,系统还有自动融合多域融合,把能量的反向回收,还有能量转换和使用效率提升,所以这个里面是涉及到很多技术含量的,是需要融合数字技术和电力电子技术。
  我们可以看到第一代大功率充电解决方案,它电、热都是多部件的组合,没有联接和联动,我们用“多部件组合”这个词来形容;第二代是一个“融合方案”,包括这个电里面会用到SiC,控制芯片,协同的能量调度管理,包括热的群控式热管理,余热利用;第三代的话就是“超融合方案”,这里对于电和热管理的要求会更高,集控式的热管理,未来尤其是像商用车要应用3C、4C的充电大倍率的话,一定是充电终端和车端的散热系统会进行强烈融合,做到一个集控式热管理。未来云相关数字技术,云与大数据技术协同进一步融合,也是超融合方案。

  华为在过去的一年里面也是在践行了“让有路的地方就有高质量的充电”,我们刚刚开通和发布了318川藏线超充绿廊,有很多超充联盟车企,联合体验宣传川藏超充绿廊路线,就是让我们电动车用户对使用电动汽车无忧,接下来我们会联合更多车企开发相关增值特性。

  最后总结一句话就是“加快以超快充为主的高质量充电基础设施建设,助力新能源汽车和新型电力系统可持续发展”。大功率充电的技术在城际、城市、及商务车专用的公共充电场景,超快充一定是主流方式。华为全液冷超充融合了电力电子技术和数字技术,是我们新质生产力的一个代表,我们也欢迎更多的车企和运营商加入到超充联盟里面,和我们运营商、伙伴一起来为我们用户提供持续领先和平滑演进的解决方案。以上就是我今天分享的,谢谢大家!
  (注:本文根据现场速记整理,未经演讲嘉宾审阅)
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