摘要：本文概述了電動(dòng)汽車的兩種充電系統(tǒng)，探討了其中一種面向未來的新型充電解決方案，即慢充直流化的市場(chǎng)驅(qū)動(dòng)力、應(yīng)用場(chǎng)景、商業(yè)化的產(chǎn)品形態(tài)，技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)及關(guān)鍵技術(shù)問題，給出了對(duì)市場(chǎng)前景判斷的結(jié)論。關(guān)鍵詞： 慢充直流化；便攜式；熔斷器1 兩種電動(dòng)汽車充電系統(tǒng)概述對(duì)電動(dòng)汽車充電，需要將來自電網(wǎng)的交流電轉(zhuǎn)換為直流電，而且該直流電的電壓范圍應(yīng)該和電池的電壓范圍一致，電流則可大可小，大電流就充得快，小電流就充得慢。將交流電轉(zhuǎn)換為直流電就需要采用基于電力電子技術(shù)的開關(guān)電源。這種開關(guān)電源可以做成大功率的，充電電流大，安裝在車輛外面，就是“直流充電樁”這種充電設(shè)備，該充電設(shè)備連接電動(dòng)汽車上的“快充口”; 也可以做成小功率的，充電電流小，布置在車輛里面，電網(wǎng)通過“交流充電樁”這種外置充電設(shè)備將電網(wǎng)的交流電送到車輛上的“慢充口”，車輛內(nèi)部從“慢充口”將交流電送到車載充電機(jī)（On-Board Charger, 簡(jiǎn)稱 OBC） 的輸入端。交流充電樁只是起到了監(jiān)控和計(jì)費(fèi)的作用，并沒有進(jìn)行電能轉(zhuǎn)換。OBC的功率大小有四種：基于單相220V輸入的3.3kW、6.6kW，基于三相380V輸入的11kW和22kW，其中6.6kW最主流。
基于以上思路構(gòu)建了當(dāng)前主流的電動(dòng)汽車充電系統(tǒng)，如圖1所示。多數(shù)電動(dòng)汽車有兩個(gè)充電口：交流充電口，俗稱慢充 ; 直流充電口，俗稱快充。電池上只有一個(gè)總正接口和總負(fù)接口，快充口和慢充口都需要通過高壓配電盒（PDU，Power Distribution Unit）轉(zhuǎn)接到銅排（電池母線）上，再接到電池的總正和總負(fù)接插件。電池需要同時(shí)連接電控、DC/DC、OBC、快充、空調(diào)、暖風(fēng)機(jī)等多種組件，PDU似乎必不可少。
圖1 當(dāng)前的電動(dòng)汽車充電系統(tǒng)最簡(jiǎn)示意圖為什么需要直流充電和交流充電這樣兩套系統(tǒng)？為什么需要在車輛里面增加一個(gè)“開關(guān)電源”呢？為什么不能將這“開關(guān)電源”拿出來，做成外置的小功率直流充電設(shè)備？對(duì)這些問題的深入思考和探索就產(chǎn)生了“慢充直流化”的概念和一種全新的充電系統(tǒng)。圖2所示為兩種充電系統(tǒng)的框圖。圖2表示出，在當(dāng)前的充電系統(tǒng)中，交流充電設(shè)備主要有兩種產(chǎn)品形態(tài)，一種是輸入電壓220V，輸入最大電流32A的7kW交流充電樁(如果OBC是11kW/22kW，相應(yīng)的交流充電樁也就是11kW/22kW); 另外一種是輸入電壓220V，輸入額電流為8A和13A的模式2纜上控制和保護(hù)裝置（本文簡(jiǎn)稱“模式2充電盒”），功率分別為2kW和3.5kW。其中，模式2交流充電樁的最大特點(diǎn)是直接從民用插座取電。采用新型的充電系統(tǒng)，就是要去掉慢充口，OBC和交流充電樁也自然就不再需要了; 慢充的小電流充電功能通過外置的小功率直流充電設(shè)備實(shí)現(xiàn)。產(chǎn)品種類可能包括2kW便攜式直流充電機(jī)，3kW-20kW移動(dòng)式直流充電機(jī)，7kW-20kW壁掛式直流充電機(jī)，等。這些是新生事物，需要研究其應(yīng)用場(chǎng)景及可商業(yè)化的產(chǎn)品形態(tài)，標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)路線。2 慢充直流化的市場(chǎng)驅(qū)動(dòng)力電動(dòng)汽車本身也是一個(gè)新生事物，充電系統(tǒng)是構(gòu)成電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)鏈和應(yīng)用生態(tài)鏈的重要環(huán)節(jié)，它的技術(shù)路線不可能是一成不變的。隨著市場(chǎng)的演繹，技術(shù)的進(jìn)步，新品類的涌現(xiàn)，業(yè)內(nèi)人士的認(rèn)知會(huì)改變的。慢充直流化作為一種新的技術(shù)路線，它的市場(chǎng)驅(qū)動(dòng)力主要源于：2.1 部分終端用戶極少使用OBC和交流充電設(shè)備，存在規(guī)模性浪費(fèi)。出租車，網(wǎng)約車，沒有固定停車位的個(gè)人用戶都很少使用OBC。在中國(guó)市場(chǎng)，這些用戶當(dāng)前階段占了很高的比重。這是一種規(guī)模性浪費(fèi)。2.2 OBC 11kW和OBC 22kW 產(chǎn)品邏輯上也同樣存在規(guī)模性浪費(fèi)。 車企有這樣的產(chǎn)品邏輯：當(dāng)車輛的續(xù)航里程提高了，所需電池容量就要加大，相應(yīng)的慢充的功率也要加大，否則，用戶體驗(yàn)就不好; 續(xù)航里程高的車輛，一般屬于高檔車型，用戶體驗(yàn)很重要。 因此，有些車企在往11kW 甚至22kW OBC方向發(fā)展。但是，另外一方面的事實(shí)是，11kW OBC需要三相11kW交流充電樁配套，而具有三相配電的可充電停車位的車主占比很少。 因此，如果每一臺(tái)車都配置11kW/22kW OBC和11kW/22kW的交流充電樁就顯得非常浪費(fèi)。 根據(jù)用戶的配電資源來選擇是配置單相7kW還是三相11kW/22kW小功率直流充電機(jī)就顯得更加合理。 是否上OBC 11kW和OBC 22kW的項(xiàng)目，在車企內(nèi)部的意見就很不統(tǒng)一，甚至有些車企將這個(gè)項(xiàng)目稱為“見光死”的項(xiàng)目。2.3 部分車型更適合從僅有慢充口改為僅有快充口。PHEV、A00、部分微面車型， 過去只有慢充口，沒有快充口，在市場(chǎng)應(yīng)用中遇到諸多問題，比如高速公路上只有直流充電樁; OBC出現(xiàn)故障后，OBC供應(yīng)商破產(chǎn)，車輛報(bào)廢事件頻頻發(fā)生; 用戶永遠(yuǎn)無法體驗(yàn)快速充電的缺憾是“硬傷”。快充口是任何電動(dòng)汽車必不可少的，這已成為市場(chǎng)演繹后形成的共識(shí)。OBC故障率在很多車企都是排在電動(dòng)汽車故障率之首。眾多車型的OBC無法形成標(biāo)準(zhǔn)品，每款車的OBC是不一樣的，可靠性訓(xùn)練非常困難。OBC中包含大量的接插件、分立元器件，品質(zhì)控制極其困難。再沉淀若干年，OBC達(dá)到汽車級(jí)的質(zhì)量指標(biāo)如100ppm也是不可能的。2.5 電動(dòng)汽車整體設(shè)計(jì)將更具創(chuàng)新性。汽車是一種高度復(fù)雜的集成產(chǎn)品。 談到電動(dòng)汽車的技術(shù)平臺(tái)，其實(shí)很重要的一點(diǎn)是研究這些零部件是如何組合的，主要是討論電池PACK、電機(jī)、電機(jī)控制器、變速器、VCU、BMS、OBC、DC/DC、PDU、BDU這些零部件是分還是合。 在過去幾年，不同技術(shù)流派，分分合合，沒有定論，也無法有定論。如果沒有OBC，車上的這些零部件又該是怎樣的分分合合呢? 是否可以將DC/DC做成雙備份，將DC/DC的ppm做上去？ 是否可以將DC/DC的自然冷功率做得更大，DC/DC自然冷做到2kW，和PDU做成二合一？是否可以將PDU的接觸器、熔斷器等零部件分別集成到電機(jī)控制器、電池PACK、DC/DC或空調(diào)中去，甚至取消PDU？沒有OBC，整車設(shè)計(jì)將更具創(chuàng)新性。2.6 成本，特別是研發(fā)成本和售后成本將大大降低。沒有OBC，不只是沒有了OBC總成，還包括了一些接插件和水管等結(jié)構(gòu)件。節(jié)省的零部件可能包括：連接OBC輸出端的高壓接插件組件,連接OBC輸入的低壓接插件組件，OBC輸入相連的水道結(jié)構(gòu)件，OBC輸出相連的水道結(jié)構(gòu)件，PDU連接OBC接插件的對(duì)應(yīng)接插件，PDU里面連接OBC輸出的線束，PDU里面連接OBC輸出的直流接觸器，PDU里面連接OBC輸出的熔斷器。值得強(qiáng)調(diào)的是，在討論成本時(shí)，不能將全生命周期的成本和BOM成本混淆，不能將完全不用配套任何充電產(chǎn)品的成本節(jié)省和有無OBC帶來整車BOM成本差異的混淆。售后成本將是一個(gè)天文數(shù)字，但有些車企的工程技術(shù)人員在主導(dǎo)產(chǎn)品零部件定義時(shí)在不自覺地回避這個(gè)問題。3 慢充直流化的應(yīng)用場(chǎng)景站在乘用車個(gè)人用戶角度，應(yīng)用場(chǎng)景主要只有兩種：對(duì)于有可充電的停車位的應(yīng)用場(chǎng)景，充電方式多是以“慢充為主，快充為輔”?！?kW壁掛式直流充電機(jī)”代替“7kW交流充電樁+ OBC 6.6kW” ，技術(shù)上沒有任何問題，標(biāo)準(zhǔn)上按照NB/T 33001-2018實(shí)現(xiàn)也沒有什么特別大的問題。對(duì)用戶而言，交流慢充變成了直流慢充，在功能實(shí)現(xiàn)上，配電上，安全上，用戶體驗(yàn)上，相較于7kW交流充電樁沒有區(qū)別。這種替代車企完全可以接受，用戶完全可以接受。 這種替代有百利而無一弊。對(duì)于沒有停車位的車主，即使配置有7kW交流充電樁也是浪費(fèi)。如上所述，基于應(yīng)用場(chǎng)景的分析，慢充直流化似乎是完美的， 但是，由于電動(dòng)汽車是一個(gè)新生事物，存在一個(gè)所謂的“充電焦慮”：即使有可充電的停車位，停車位安裝了7kW慢充（不管是交流慢充還是直流慢充），但是，出遠(yuǎn)門可能有“應(yīng)急充電”的需求。 “模式2充電盒”作為一種隨車攜帶的充電工具，在某種意義上，有點(diǎn)像傳統(tǒng)油車隨車帶上“油壺”一樣。它是一種心理安慰的存在。 它要解決的車企“痛點(diǎn)”也許是： “總會(huì)有用戶可能需要應(yīng)急充電的。作為車企，要保證我們給用戶能提供完備的方案?！?“也許將來隨著電動(dòng)汽車和充電樁的普及，充電焦慮不存在了，但在當(dāng)下，還無法下這個(gè)結(jié)論。” ;“假如消費(fèi)者離開本城，出遠(yuǎn)門怎么辦？ ”; “假如春節(jié)回老家農(nóng)村，沒有充電樁怎么辦？”。如何“無感”替代“模式2充電盒”，這將成為慢充直流化技術(shù)路線上最堅(jiān)硬的問題。小功率直流充電的產(chǎn)品形態(tài)仍然處在探索階段。 總結(jié)前期的市場(chǎng)摸索和行業(yè)思考，功率等級(jí)、防護(hù)等級(jí)、安裝形式（便攜式/移動(dòng)式/壁掛式/落地式）是三個(gè)重要的分類維度。其中，防護(hù)等級(jí)是區(qū)分市場(chǎng)應(yīng)用和產(chǎn)品檔次的關(guān)鍵指標(biāo)。IP54及以下防護(hù)等級(jí)的，在市場(chǎng)上已涌現(xiàn)了7kW,15kW,20kW,30kW的便攜式和壁掛式的小功率直流充電產(chǎn)品。這些產(chǎn)品主要是面向電動(dòng)物流車市場(chǎng)，價(jià)格非常敏感，一定程度滿足了當(dāng)前階段電動(dòng)物流車市場(chǎng)的剛需。IP等級(jí)在IP66及以上的直流充電產(chǎn)品，將應(yīng)用于乘用車市場(chǎng)，全面替代OBC，構(gòu)成新型充電解決方案的長(zhǎng)期主流產(chǎn)品。目前涌現(xiàn)的產(chǎn)品還不多，高斯寶新能源近期提出了“車規(guī)級(jí)，面向乘用車，防護(hù)等級(jí)IP67”的UCC系列產(chǎn)品概念并發(fā)布了首款產(chǎn)品UCC3500，作為面向35度電及以下車型、替代OBC的充電解決方案，既是一種應(yīng)急便攜產(chǎn)品，也是“一人一車”的微面型物流車和A00、A0級(jí)乘用車的日常充電產(chǎn)品。除了3,5kW之外，洞察市場(chǎng)，筆者判斷：防護(hù)等級(jí)IP66以上、面向乘用車的小功率直流充電產(chǎn)品將包括下面四種產(chǎn)品形態(tài)：4.1 基于單相220V輸入的2kW便攜式直流充電機(jī)。 “無感”替代“模式2充電盒”。體積和重量是兩個(gè)核心指標(biāo)。防護(hù)等級(jí)需要達(dá)到IP67。 作為插電式混合動(dòng)力車型和增程式車型的主要充電設(shè)備，也可作為B級(jí)電動(dòng)車型應(yīng)急充電設(shè)備。4.2 基于單相220V輸入的3.5kW移動(dòng)式直流充電機(jī)。針對(duì)35度電車型的細(xì)分市場(chǎng)，將“模式2充電盒”作為主要充電方式的應(yīng)用場(chǎng)景，為車企提供了一種代替“OBC 3.3kW+模式2充電盒”的新選擇。4.3 基于單相220V輸入的7kW壁掛式直流充電機(jī)。 將是慢充直流化充電的主力機(jī)型，為車企提供了一種代替“OBC 6.6kW+7kW交流充電樁”的新選擇。防護(hù)等級(jí)按產(chǎn)品不同檔次區(qū)分。 4.4 基于三相380V輸入的15kW/20kW/30kW壁掛式直流充電機(jī)。15kW/20kW/30kW在市面上有成熟的強(qiáng)制風(fēng)冷充電模塊。按照傳統(tǒng)的大功率充電樁思維，用充電模塊和鈑金件做成單體15kW/20kW/30kW壁掛式充電樁或立柱式充電樁是一種固有的產(chǎn)品思維。 蔚來汽車聯(lián)合高斯寶新能源推出了一款防護(hù)等級(jí)高達(dá)IP66的高端豪華型20kW壁掛式直流充電機(jī)，成為了行業(yè)標(biāo)桿。圖3是該產(chǎn)品的圖片。圖3 蔚來汽車聯(lián)合高斯寶新能源研發(fā)的20kW壁掛式直流充電機(jī)5 2kW便攜式直流充電機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)問題2019年9月6日，中國(guó)電力企業(yè)聯(lián)合會(huì)標(biāo)準(zhǔn)化管理中心在深圳組織召開了行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《20kW及以下非車載充電機(jī)技術(shù)條件及安裝要求》編制啟動(dòng)會(huì)。會(huì)議聽取了標(biāo)準(zhǔn)牽頭起草單位深圳市高斯寶電氣技術(shù)有限公司對(duì)標(biāo)準(zhǔn)編制背景及編制大綱的匯報(bào)，并對(duì)涉及到的兩個(gè)關(guān)鍵問題和八個(gè)小問題進(jìn)行了再討論。這些問題主要是和代替模式2充電盒的2kW便攜式直流充電機(jī)產(chǎn)品相關(guān)。 此前，針對(duì)該標(biāo)準(zhǔn)的制定已分別與2018年10月和2019年5月召開過兩次研討會(huì)。
標(biāo)準(zhǔn)的征求意見稿建議將小功率直流充電機(jī)按安裝方式分為便攜式、移動(dòng)式和固定式。 其中，便攜式應(yīng)用于可連接GB/T 2099.1、GB/T 1002定義的插頭插座，就是我們通常說的民用插座，并將輸入電流限制在額定電流8A，大約2kW的充電功率。2kW便攜式直流充電機(jī)的充電槍不宜采用現(xiàn)有的直流充電槍，因?yàn)闃岊^太大，槍線太粗。由于2kW便攜式充電機(jī)的輸出電流只有5A，理論上采用1.5平方毫米截面積的電纜就可以了，將2kW的直流充電槍做成和交流充電槍一樣是可行的，但有一個(gè)安全上的隱患：在充電開始前，充電機(jī)和車輛都做絕緣檢測(cè)，檢測(cè)到絕緣下降會(huì)停止充電。但是，如果在充電過程中出現(xiàn)絕緣下降，槍線正和負(fù)之間的絕緣阻抗低，會(huì)發(fā)生什么故障現(xiàn)象呢? 如果是短路發(fā)生，充電機(jī)的輸出端和電池端的熔斷器都會(huì)熔化，反倒沒有安全問題級(jí)的故障。如圖4所示，如果槍線正負(fù)之間的絕緣電阻值下降到一定程度，電流大到足以使得充電機(jī)的輸出端熔斷器被燒斷，充電機(jī)無輸出，但是，該電流又不能燒斷動(dòng)力電池的輸出熔斷器，可能燒毀電纜甚至使電纜爆裂。電池的輸出熔斷器是基于電池的容量設(shè)計(jì)的，遠(yuǎn)大于1.5平方線纜所能承受的能量。 電纜爆裂或燒毀將可能帶來火災(zāi)和人身安全，因此要找到可靠的解決方案。圖4 直流充電機(jī)和電池之間絕緣下降的問題分析針對(duì)這個(gè)問題的可能解決方案有多種：1，在充電槍的槍頭里加上20A的熔斷器。 2，在充電槍里加上防反灌電路。3，充電槍的功率線達(dá)到16平方以上。 其中，第2種方案增加了充電槍槍頭的復(fù)雜性，可靠性存疑。 第3種方案做成的充電槍槍線太粗。針對(duì)第1種方案，剩下的一個(gè)關(guān)鍵問題是這個(gè)應(yīng)用上的熔斷器應(yīng)具備多大的分?jǐn)嗄芰?，或者說，絕緣電阻下降導(dǎo)致的動(dòng)力電池最大短路狀態(tài)的電流有多大？ 動(dòng)力電池的最大短路電流取決于電池的電壓、容量、內(nèi)阻、溫度等因素，不同車型的最大短路電流需實(shí)測(cè)確定。一般小于20kA。按照額定電流20A、分?jǐn)嚯妷?/span>1000V，最大分?jǐn)嚯娏?/span>20kA做成的熔斷器應(yīng)能夠安裝在體積和交流充電槍槍頭差不多大小的空間里，而且熔斷器自身的發(fā)熱損耗并不影響槍頭的用戶體驗(yàn)和長(zhǎng)期可靠性工作。 這個(gè)產(chǎn)品問題目前已找到解決辦法。本文概述了兩種充電系統(tǒng)，討論了慢充直流化的市場(chǎng)驅(qū)動(dòng)力，應(yīng)用場(chǎng)景，具體可商業(yè)化的產(chǎn)品形態(tài)，關(guān)鍵技術(shù)問題。慢充直流化已從概念階段到產(chǎn)品階段，市場(chǎng)的完全接受將是一個(gè)過程，前期從部分應(yīng)用場(chǎng)景，部分車型開始。兩種充電系統(tǒng)預(yù)計(jì)將有5年以上的共存時(shí)間。
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