根据电流输出方式不同,充电桩可分为交流充电桩和直流充电桩,二者均固定在电动汽车外、与交流电网相连,主要区别在于 AC-DC 变流环节不同。交流充电桩直接输出的交流电,需要先经过车内 OBC 转换为直流电再向电池充电,充电速度较慢,俗称“慢充”,而直流充电桩将 AC-DC 变流环节外置,输出的直流电可以直接向电池充电,并且可以通过多模块并联实现极大的充电功率,充电速度较快,俗称“快充”。
1、交流充电桩
没有充电模块,只提供电力输出,需连接车载充电机使用。
交流充电桩需连接车内车载充电机直接将交流输入(220V/380V)转成高压直流输出为电动汽车充电,只起控制电源的作用。
交流充电桩内部电气结构:交流充电桩的电气部分由主回路和二次回路组成。如下图所示,主回路由输入保护断路器、交流智能电能表、交流控制接触器和充电接口连接器组成;二次回路由控制继电器、急停按钮、运行状态指示灯、充电桩智能控制器和人机交互设备(显示、输入、刷卡)组成。
交流充电桩功率:交流充电桩功率较小,充电较慢,可分为单相(7kW为主)和三相(40kW为主)。受车载充电机功率限制,一般功率较小,充电较慢,主要功率有3.5kW、7kW、11kW、21kW、40kW等,当期国内交流充电桩市场上单相以7kW为主,三相以40kW为主。
2、直流充电桩
直流充电桩将交流转换为直流电输出,直接为蓄电池充电,功率较大,充电速度快。
基本构成:直流充电桩由功率单元、控制单元、计量单元、充电接口、供电接口及人机交互界面等构成。功率单元是指直流充电模块,控制单元是指充电桩控制器,这两个组件构成技术核心,另外结构设计也是整桩可靠性设计的关键点之一。
直流充电桩内部电气结构:直流充电桩的电气部分由主回路和二次回路组成。主回路是三相交流电经过输入断路器、交流智能电能表之后由充电模块(整流模块)将三相交流电转换为电池可以接受的直流电,再连接熔断器和充电枪,给电动汽车充电。二次回路由充电桩控制器、读卡器、显示屏、直流电表等组成。
直流充电桩功率:采用模块式组合功率,单个充电模块有15kW、20kW、30kW、40kW等功率,因此直流充电桩输出功率一般为30kW、60kW、120kW、240kW、360kW、480kW等等。一个充电桩通常采用多个充电模块并联而成,比如 120kW 充电桩可由 8 个15kW 充电模块组成,也可由 4 个 30kW 充电模块组成。
目前大功率直流充电技术受到国际广泛关注,各国相继开展大功率充电技术的研究和标准制定,日标 CHAdeMO 及国标GB/T 直流快充最大功率正在由 400kW/250kW 共同迈向 900kW,欧洲已经完成了 350kW 大功率充电标准体系建设,目前正与美标一同向 460kW 发展。
实现大功率充电主要路径有两条:
高电流快充:提高电流以提高功率,但由于焦耳定律,电流提升将大幅增加充电过程的热量对散热要求很高,能够实现的功率上限并不高,而且大电流下线束加粗也会增加整车成本、降低使用便捷性。目前使用高电流快充方式的主要是特斯拉。
高电压快充:提高电压以提高功率,由于发热减少,提升安全性与能量转换效率,充电功率天花板更高,延长电池循环寿命,并且能在更大区间保持较高充电功率,充电速度更快。
高电压快充更具优势,驱动全球大汽车厂商纷纷推出800V高电压平台车型。自2019年保时捷Taycan的Turbo S引领800V浪潮之后,很多自主品牌、海外合资以及造车新势力,纷纷跟进布局800V。
高电压技术的落地和推广,需要电动汽车端、电池端、充电桩端三方联动,需要整个产业链上下游协同发展、共同建设大功率高压快充产业生态。
汽车端:目前电动汽车架构由 400V 升至 800V 所需的电池包、电驱动、PTC、空调压缩机、车载充电机等高压零部件供应链基础已较为完备,各龙头车企已争相入局抢占市场。2019 年 4月保时捷 Taycan Turbo S 全球首发,成为业内首款采用 800V 高电压架构的车型,并将最大充电功率提升到 350kW,可以在 22.5 分钟内把 Taycan Turbo S 容量 93.4kWh 的动力电池从5%充至 80%,提供 300 公里的续航能力。
电池端:动力电池是新能源汽车的核心零部件,对新能源汽车的成本、续航里程、安全性发挥重要影响。据电池中国,快充技术对于电池包的热管理系统性能以及电芯层面能量密度、充电速度和安全性的平衡都提出了更高的要求。目前国内多家动力电池企业已在各方面取得技术突破,布局高电压平台动力电池市场。蜂巢能源 2019 年发布自主研发的全球首款短刀电池,能够实现 A0 级以上车型 500km 以上续驶里程,并实现 2-4C 快充性能,满足 800V 高压电气架构高端车型应用,0-80%SOC 快充时间控制在 30min 以内。孚能科技自主研发的800VTC 超充超压技术可实现整包充电等效 2.2C,10%-80%SOC 充电仅需 15min,兼容 400-800V系统,成为国内首个可量产的 800V 高电压平台,公司也凭借该技术获“2021 高工金球奖——年度创新技术”奖项。宁德时代在超快充技术开发方面同样走在前列,通过超电子网、快离子环、各向同性石墨、超导电解液、高孔隙隔膜、多梯度极片、多极耳、阳极电位监控等多种技术手段,可实现最快 5 分钟充至 80%电量。
充电桩端:由于高压零部件的成熟度较高,将 DC500 系统升级到 DC950 系统后,只需变更充电枪线、直流熔丝、直流接触器等配电器件,充电模块等核心部件无需重新选型,因此充电桩逐步实现 1000V 以下的高压化较为容易。而当电压提升至 1000V 以上,直流充电桩的结构将发生较大改变,同时面临来自技术、成本等方面的一系列挑战。