大功率快充技术是充电桩未来的主要发展方向

　    随着中国新能源汽车的不断发展，秉着“车桩相随”的原则，我国充电桩产业也不断迸发出强劲的生命力，充电桩初步形成了经济效益。在上文中，我们已经初步讨论过充电桩行业发展的三大驱动力：汽车的电动化趋势、政策的扶持以及车桩配比缺口带来的市场需求。本文中，我们将尝试解析我国充电桩的技术现状和未来技术发展趋势。

　　目前市面上的充电桩可以分为多种类别(见表1)，随着新能源汽车不断推广，对充电桩的需求也不断提升，在此大背景下，充电桩技术取得了一系列突破，但也面临着不少的难题。

　　表1 市面上的充电桩类别划分

　　充电桩需求旺盛，技术瓶颈有待突破

　　新能源汽车的崛起已是大势所趋。新能源汽车的动力供给—充电桩，同样前景光明，充电桩市场刚性需求持续旺盛，2018年1月-5月新增公共充电桩5.23万个，月均新增公共类充电桩约1.05万个，相较2017年前5个月，增速大幅提高。另外，近几年，国家发布了一系列有利政策和标准推动充电基础设施的建设。其中，《电动汽车充电基础设施发展指南(2015-2020)》明确提出，到2020年新增集中式充换电站超过1.2万座，分散式充电桩超过480万个，以满足全国500万辆电动汽车充电需求。随着政策的拉动和市场机制的完善，充电桩市场增长态势更为强劲。

　　尽管目前充电桩市场需求旺盛，但充电桩技术还存在很多不足。现有采用的充电桩技术中，充电桩由电气控制单元、充电单元、充电控制器、人机界面模块、读卡器、通信模块、电度表、增值服务及监控运营系统等构成，其中充电的核心部分是电气控制单元。充电桩核心充电模块结构原理如图1所示，通过将充电模块进行多路并联可以组成不同的充电桩，从而调节功率的大小。接下来笔者将尝试梳理目前充电桩技术发展中的瓶颈：

　　图1 充电模块结构原理

　　首先是是现有市区停车场的配电容量无法满足发展大功率充电桩的需求。充电桩汽车属于三级电力用户范畴，设备容量大于100kW的充电桩对应的供电等级在10～20 kV，设备容量小于100 kW充电站对应的供电等级在380 V。一座配有10台500kW充电桩的充电站，需要的配电容量在5000kVA。按照国标要求，需要建立独立的变电站，这在市区内绝大多数的停车场都不太可能实现，因此，快充充电站适合建设在城市郊区。

　　另一方面则是现有的导体材料和接头工艺技术还无法满足需求。以目前所有的充电桩技术，要实现快速充电就不得不加大输出电流，这要求导体材料和接头必须可以承受几百安培的电流。根据欧姆定律(P=I2R)可以得出，导体自身的损耗随电流的平方不断提高，因此在充电电流达到数百安培的条件下，只有保证导体材料和接头处电阻降低到一定程度，才能避充电过程中产生过大的热量，车辆充电安全才能得以保障。

　　充电桩技术发展趋势

　　尽管新能源汽车具有节能环保的优势，但要真正替代传统燃油车，成为人们主流的交通工具，新能源汽车的续航里程仍需要不断延长，充电效率也需要不断提高，充电时长更需要进一步缩短。而电池的容量、材质、密度、电池组管理系统BMS的能力和充电桩自身的输出功率，都会对汽车电池的充电效率产生影响，因此，只有在发展电池技术的同时，不断突破充电桩技术的难点，才能有效缩短充电时长。这也意味着高倍率充电的实现，依赖的不仅仅是电池组能量密度的增长，还需要充电桩功率的提升。由此看来，未来研发的重点之一将是大功率充电桩，未来的主流配置也将是350kW以上的充电机。

　　为提升充电效率，国内学者提出的“柔性充电”的概念，该技术的亮点在于根据不同的情况灵活地对充电功率进行分配。具体过程指将制定的充电模块组合成具有超大功率的充电堆，通过采用功率动态分配的技术对集中停放的新能源汽车充电，在停车区充电车辆较多时，可以将充电模块分开使用，当对充电功率要求较高时又可以集中使用。“柔性充电”的资源共享模式有利于提高对充电资源的利用率，提高充电效率的同时又降低了成本，未来可以广泛投入到实际应用的区域主要在集中停车区。

　　值得一提的是，“闪速充电(FlashCharging)”概念也逐渐火热。目前，市面上普通的慢充时间从几个小时到十几个小时不等，而瑞士ABB集团已经开发出了能在15s内完成汽车充电的电动巴士技术，即“闪速充电(FlashCharging)”。“闪速充电”的充电功率可以达到400kW，具体指的是在行驶路线上设置充电点对电动巴士(乘员135人)进行充电，充电点设置于车辆的上方，激光控制移动臂与其相连，可以在15s内为电动巴士提供足够行驶至下一个充电站的电力，时间相对较长的完整充电可以在线路终点站进行，为汽车提供更加充足的动力行驶更长距离。从长远来看，随着电池能量密度的不断提高和充电功率的不断发展，未来电动车充电时间有望缩短至普通汽车加油时间相仿的程度。

　　此外，国际上无线充电技术也逐渐成为行业关注重点之一。一项可实现20kW充电功率的新型无线充电技术不久前在美国能源网站上发布，该技术充电功率是目前充电桩的三分之一，在未来这项无线充电技术的功率有望达到50kW。无线充电技术的最大缺点就是速度相对较慢，但其摆脱了有线充电中电缆的限制，具有更加方便、安全的特点，可以应用在停车场、升降机车库等等多个场景中。随着无线充电技术的不断发展，公交车、卡车等车型也可以采用该系统，当技术发展到一定程度，未来甚至可以在电动汽车行驶的过程中进行充电，实现无限续航的目标。

　　结语

　　一定程度上来说，充电技术未来发展的方向是大功率快充，但整体上充电桩的发展还受到汽车电池技术、电网容量配置、导体材料等多种因素的限制。未来还应以慢充、快充相结合的方式作为补充。首先是根据停车时间的长短设置快充和、慢充充电桩：城市郊区和高速服务区由于停车时间相对较短，建议建立快充充电桩，市区停车场则可以采用慢充充电桩。另外，还应促进充电桩的多样化发展，以无线充电和闪速充电为补充，将闪速充电区设置在城市的各路段，为电动汽车提供动力延长续航里程。此外，还必须从应用的智能化、多样化，技术的标准化和管理的网络化发展，利用大数据、互联网+等技术手段，促进信息的互联互通、开放共享，促进充电桩网络和车辆匹配度的提高，从而推动新能源汽车更加绿色、安全、快捷。