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淺談大功率汽車充電技術

2022-04-09 09:29:42·  來源:新能源高壓連接器聯盟  
 
大功率充電是一個比較熱門的話題,也是我們眾多前沿的課題之一,這個內容其實不太好聊,因為涉及的內容很多,是一個系統(tǒng)性的話題;既然不知道從哪里下手,就按照

大功率充電是一個比較熱門的話題,也是我們眾多前沿的課題之一,這個內容其實不太好聊,因為涉及的內容很多,是一個系統(tǒng)性的話題;

既然不知道從哪里下手,就按照個人的從面到點的思維方式開始聊聊吧先看看什么是充電,充電的過程就是把電網的電送到汽車電池里面的這個過程,無論你是在家里用交流充電(AC charging),還是在商場、高速上用直流電快速充電(DC charging),都是在把電網的電能傳輸到汽車的電池上進行儲存,因為電池只能儲存直流電,所以一般交流電是不能直接到電池的,一般都得通過車載充電機進行(OBC)AC/DC的轉換;

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什么是大功率?大功率是相對而言的,功率是由電壓和電流決定的,所以大功率基本上可以理解為這2個指標的提升;目前還沒有一個明確的定義來說明大功率的功率范圍,我們可以看見歐美普遍是定義在350KW(1000v,350A)  而特斯拉也把其大功率充電定義在350KW甚至更高的范圍;我們未來的標準有可能定義為:1500V*600A/900KW(max power),按照2015版的標準,目前充電口最大的電壓為750/1000V,電流最大也只有250A;而我們的大功率充從未來有可能會和日本聯合開發(fā);

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功率充電系統(tǒng)的兩側我們把充電系統(tǒng)分成車輛端(EV)和充電設施端(EVSE)來看,這個里面涉及到的關聯企業(yè)比較多,比如在EVSE端,有電網、充電設施廠家、充電運營商等,這里面的任何一個企業(yè)都可以單獨拿出來和歐美做比較寫點東西,因內容太多,暫不展開敘述;大功率的充電對電網的挑戰(zhàn),很多人有很多的擔擾,例如電網負荷不夠、利用率不夠高等,其實我認為對電網的挑戰(zhàn)沒有說的那么夸張,而且不管怎么樣,提前預研總是好的,不要等歐美國家都把技術做完了,我們又得追趕。。但是還是需要統(tǒng)籌的規(guī)劃和布局,這一點我覺得日本人的做法是可以參考的,以政府統(tǒng)籌管理,OEM聯合成立公司負責運營和維護,不盲目的上;再看我們國內的做法也是沒有貿然的上大功率的樁,更多的是聯盟企業(yè)這種類似“校企”實驗試點,總結經驗,最后再出相關的標準,這一點比以前好很多,沒有上來就”頭疼醫(yī)頭”,而且我們也看見了一些OEM廠加入到對設施的投入和研究當中,這是一種比較好的現象;因為這個產業(yè)本來就是一個系統(tǒng)的行業(yè),單方面的EVSE端做研究是不夠的;

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大功率充電對于電纜和充電接口廠家的影響現行的標準按照直流接口額定的電壓電流來計算250KW(1000V/250A)電纜直徑也至少70平,如果未來我們的充電電流最大到600A,這個是非常嚇人的,按照3.5/平的經驗來推算,電纜也要至少高達170平,這個么大的電纜是不可接受的,無論重量還是損耗、熱故障、折彎半徑等都不可接受,所以大電流帶來的熱損耗和問題還是比較多,所以我們需要降低電纜的熱損耗,目前比較流行的做法是采用液冷的方式,其原理沒有那么復雜,在電纜和充電槍之間設置一個專門的循環(huán)通道,通道內加入起散熱作用的冷卻液,通過動力泵推動液體循環(huán)從而把熱量帶出,但是要想把這一套做好絕沒有那么容易,因為涉及到的問題比較多,國內大多數從事這塊產品開發(fā)的人員知識儲備量還是不夠的,液冷不是個新事物,但是加到充電接口上,組合起來它就是新事物了;


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上圖為PHOENIX的HPC

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上圖為TESLA的HPC

國內目前已經有了很多廠家在做此產品,中航光電、星星充電等都推出過自己的液冷充電接口,國外的菲尼克斯、HS等也都有自己的產品,其實說到底都是對熱的管理,我記得以前做直流充電槍開發(fā),就在思考怎么把T-S加到DC的contact上,目的其實都是希望為了能夠實時的檢測溫度的變化,從而第一時間發(fā)出指令,因為你的T-S加到塑膠上的溫度差是有可能在突發(fā)情況下會引起重大的問題的;所以溫度的管理是一個非常重要的課題;液冷充電基本上都是局限于從設施端到車輛端的單方向的液冷循環(huán),其實個人覺得車輛端也完全可以和電池的系統(tǒng)冷卻一起來看,從而實現雙向的液冷循環(huán);對于熱管理,我覺得如何模擬整個高壓輸電路徑上的熱損耗是一個值得研究的內容,需要大量的模型代入計算,最終拿出相對可靠的曲線出來;

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上圖來源于TE的HPC

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上圖自繪

對于液冷充電接口,我覺得有2個內容非常重要,一個就是上面所述的溫度管理,另外一個就是對防護的管理,因為你增加了液冷的管道,你需要防止磨損泄漏,(特斯拉之前就暴過這個問題,HS好像也有過類似的問題,)同時你還需要檢測流體的壓力,因為冷卻的循環(huán)是需要通過一定的流體壓力推動冷卻液的流動從而帶走熱量的;這兩個內容都非常的復雜,沒有那么容易解決,但是比較令人欣喜的是在和國內的一些同行溝通時,發(fā)現很多的廠家在花精力去研究這些內容;大功率的標準:
我們從網上的消息來看,我們未來的大功率充電標準,按照乘用車和客車會加以區(qū)分,技術目標也會有所不同

乘用車遠期目標-充電電壓1000(1500)V 充電電流:不帶冷卻,最大電流120A,功率120kW;帶冷卻,最大電流400~500(600)A。接口標準實現向前兼容。也就是說基本上我們大功率的標準接口是要重新開發(fā)了,原來的15版的繼續(xù)保留;電動客車-遠期目標,終端充電:2015版接口或大功率充電接口 。途中充電:充電弓補電。3)向前兼容方案大功率充電機將配備大功率充電和2015版兩種接口,可以隨車配套接口適配器,可在現有充電設備上繼續(xù)使用2015版充電。導引電路向前兼容并繼續(xù)使用與2015版相同的CAN 物理接口,適配器只完成物理尺寸轉換,成本控制在非常低的范圍內。網絡

所以我們看,我們的標準是比較全面的,在客車的大功率充電當中,也包括了“送電弓”的充電,歐洲、日本也都有此客車的產品,目前日本人對于送電弓產品也是購買的歐洲人的,標準也是在起草階段,我們國內也有類似的產品,及客車在運行;

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目前全球充電標準大致可分為五大類,分別為日本CHAdeMO、中國GB/T、美國COMBO(CCS1)、歐洲CCS以及特斯拉自己的標準。上面有提到對于未來我們新大功率的充電標準計劃是和日本一起聯合開發(fā)的,而且目前也有類似的接口雛形產品出來了,因為中日雙方都是采用CAN通訊,所以未來的路能走成什么樣,要看物理接口的最終會按照哪方的建議來實施了;目前就是CAN和PLC的2個陣營;

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采用什么方式充電,我覺得未來可能會比較靈活,不一定會局限于某一種充電方式,甚至還有可能是換電(當然,個人認為這個非主流)
總結:大功率充電并不是說立馬在幾分鐘內就可以把車輛充滿電,而是在短時間采用較大的功率給車輛充滿期望的續(xù)航里程,更接近消費者燃油車加油的習慣和狀態(tài),當然大功率的充電對于電池的安全要求也較高,5C以上的充電時間是非常短,但是溫度的問題還是一個比較嚴峻的話題,尤其大多數乘用車采用的鋰電池對溫度更不“敏感“,所以中期階段,我們的充電更多的是增大電流,同時降低溫度;長期階段,我們應該更多的選擇是提高車輛電壓平臺,我們看到國外也在往1000V及未來1500V上電壓平臺上靠(作為連接器開發(fā)廠家從業(yè)人員,我們下一代的連接器的電壓也在1500V),當然電壓平臺如果提高,涉及到很多的電子元器件的重新選型,因為很多的部件在1000~1500V的平臺下還很難有良好的商業(yè)化的成本空間,所以這個需要各個廠家自身去努力;

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最后,前端時間網上有篇文章被很多人關注,主要是說目前市場上的這些充電樁的各種問題及安全隱患,我個人認為,文章中有些內容比較客觀,有些內容則顯”外行“,比如750V,這個電壓為標準的電壓,話說,如果沒有高電壓,幾乎電動車輛不可能這么快的保有量,充電就得把人充崩潰,AC漫充基本上要7~8個小時,試問這種時間,消費者誰還想買電動車呢,所以說,高壓沒有問題,有問題的是你是否按照標準嚴格執(zhí)行去做了;比如該接地的你是否接地了呢?很多時候并不是這些廠家做的不好,也更上升不到國人”偷工減料“的大帽子上,主要還是因為成本的問題,整個汽車產業(yè)鏈下游被壓縮的相當厲害,所以如果要活下去,很多的性能指標就被”閹割“了。

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