须弥山大会——张育铭：大功率充电在交通领域的应用
时间: 2019-03-31 13:39
来源: 汽车总站
作者: sun
2019年3月30日，第二届须弥山大会在江苏常州举行。会议由江苏省新能源汽车智慧能源装备创新中心主办，星星充电、江苏智行未来汽车研究院共同承办。会议围绕“共攀须弥，技术峰会”展开主旨探讨，与会嘉宾涵盖政产学研媒八百多人。
星星充电副总裁张育铭发表了主题为“大功率充电在交通领域的应用”的演讲，以下为讲话实录。
各位大家好，今天很荣幸，我对高功率充电的一些技术了解跟各位做一个介绍。目前我们看到，高功率一些充电化，最主要现在是用在轻轨的交通，包括一些电动的交通。
当然我们现在已经看到，比如说在保时捷的一些电动汽车里面开始要用350KAV的充电桩，这个等一下会介绍，在我们讲的电动交通化的高功率充电化，是先从火车的应用过来的，再发展到其他地方。首先我会针对整个电动交通化的一些使臣做一下简单介绍，针对目前这种电动交通的一些充电技术，特别是在高功率充电技术做个介绍。
后面我们针对未来看到高功率充电会是什么样一个技术趋势做一个简报，针对这些技术我做一个简单的结论，我们刚才看到，早上欧阳教授提到，电池的价格，在未来我们认为在2020年一度会低于96块美金，这样在2024-2025年在400公里里程电动车就有可能比汽油车还便宜，如果比汽油车来的便宜，颠覆整个车的方式就很大了。我们知道充电最主要是在家里面做慢充，未来会在外头做快充，那快充到底有多快呢？目前我们讲了，3KAV充八层，大概差不多15分钟。
我们做一下整理，如果以新的保时捷车，大概充8层的话，大概差不多15分钟可以跑接近400公里，特斯拉现在新推出是250KAV的快充在那，因为特斯拉充电站的电压是400伏左右，跟保时捷的充电大概800伏是不一样的。
另外就现在技术来看的话，实际上高功率充电的话，以现有技术主要是有两种不同实现的方式。我们可以看到前面这张图里面，最左边是低频中压变压器，中压大概可能是10KV，一直到35KV，输出低压LV可能是300伏，400伏，或者480伏，这样一个变压器通常都非常重，比如说像特斯拉大型充电站，这一个变压器可能都是好几吨的一个重量。
后面我们会用的一些技术，就是我们现在传统，用电源模块，这个电源模块目前有很多，不管是10KAV，15KAV等等，以国内目前比较大家比较常用，像国网定的标准是在20KAV，我们认为这个模块会越做越高，会做到30KV，甚至做到60KAV，做一些并联，这样并联网以后，每一辆车子就有机会，可能是用100KAV去充或用250KAV去充或者是用350KAV去充。
这个是目前的一个技术，那这种技术在低频变压器的话，效率大概是99，其实中间会有一个低压的配电盘。这个低压的配电盘效率会吃掉0.5个percen，含那个cable，整个模块部分一般的技术是做到95-96percen。
这个就是我们经常看到一些电力电子的技术，前面是用一些三电平的线路，后面可能有很多用碳化硅来做DCDC，那这样的架构可以做到效率高，做到整个系统会比较便宜的结构。
这个是早上李院士提的，其实未来高功率碳化硅会是主流。
这个是另外一个架构，也是李院士那边在发展的，因为碳化硅有一个特点，如果是说我们用在零电压的切换，会把这个往下降。所以说整个的软开关的损失大幅度的下降，我们认为这个是未来很重要的一个趋势，我们认为可以把整个切换的频率拉高到200K或者500K。这样我们不管在功率因素电感器的尺寸，还是在高频变压器的尺寸，都可以大幅往下降。大幅往下降的优点可以降低铜的用量，降低铁锌的用量，也可以降低尺寸，降低成本。
这个是特斯拉标准的充电站，最左边是12KV输出480低频的变压器，大概占地5平方米，大概1.8吨。再往后看，它有一个配电盘，这个配电盘放一些低压的断路器，整个占地的空间也是非常高。
这个里面不管是占地，还包括整个效率也往下降，后面才接一个箱体。那这个充电器箱体目前现有的特斯拉用安博的一个系统，这个系统都可能到135KAV。我们讲充电的柱子，这个是整个系统现在购置。
它是这样的站台，差不多720KAV，可能会有6个充电柱，这样的一个系统，实际上占地的面积超过33个平方米，大概5.5吨。在这个充电桩我们看到，实际上赵教授也在提电能路由器，我们未来快充的趋势。因为电流路由器就机会把低频的变压器整到我们讲到的变压器做结合，一结合完以后中间的低压的配电盘跟中间低压的缆线就不见了。
所以说我们在比照路由器实际上不能用变压器去跟电能路由器去比，要用整个系统的成本去比。这个系统成本去比的话，会得到非常多的优点，等一下我还会做介绍。
这个是另外一个快充的架构，这个架构前面是一个低频的变压器，输出可能有好几组，可能有隔离的绕组，我们会接一个没有隔离的AC组DC。这里面我们可以看到每一个去充一个车子，因为车子跟车子有安规的要求，要做隔离。
这个隔离的关系，我们在这样做的话需要中压变压器要有一个隔离。这个也是用在像就是保时捷，350KAV一个结构上面是用这种技术的。保时捷里面用的可以看到，就是一个三电频的供应改善变换器，后面接一个DCDC，这个就是保时捷的架构，我们看到目前这都是用碳化硅去做的，效率可以做的非常非常高。
刚才这个是电动车，我们来看一下电动巴士，电动巴士跟电动汽车差异不太大，右手边是有一个变压器，透过一些缆线拉到充电的箱体，然后接着充。左边就是我们做的。
另外我们看传统地铁的结构也是一样，会有一个中压的变压器，然后会降压可能降到586伏，透过整流器，所以它并没有一些主动的原件，整个输出电压可能是在750伏，1.5KAV，或者3KAV的电压，它只是一个被动的整流，变压器是一个特殊的变压器，所以效率非常高，可靠度非常高，可是它有一个很重要的缺点，就是说，当地铁刹车的时候他没有办法回收这个能源。
现在整个国内有很多轨道，上面会加装一个能源回收，装一个变流器把轨道上面突发回收能量再送回去给电网，在这个地方，未来在用电能路由器我们只要做一个双向电能路由器然后输出是1.5KAV或者3KAV的话，它就可以做能源回收，你就不用另外装一个回收变流器装在地铁站上面。
这个是西班牙地铁公司，他们在做轻轨，他们是把轻轨上面装超级电容，或者装一些锂电池，那这样的话你可以看到，左边是一个充电的机电工，机电工往上去推导电轨。这样东西实际上它的输入电压也是刚才用这种传统式变压器的被动整流。
因为它本身里面已经有电磁在里面，所以整个马达再生的时候，再生能源可以存在车子里面的超级电容跟电池里面，所以这个是比较新的一个做法。
我们来看，整个比较简单化，架构化，上面这个就是传统的一个架构地铁图，中亚变压器透过被动整流，从交流变成直流，然后后面这个就是一个地铁，这个地铁只是一个直流并交的，去推动马达，下面是目前现在轻轨在用的架构，它在站上是用一向变压器，然后透过被动式的整流，整流完出来可能是750伏，1.5KAV或者13KAV，然后它会有一个DCDC做快充，这里面四个电池，可能是锂电池，可能是超级电容，透过一个直流转交流去推动一个马达。
所以我们看，在新的轻轨里面已经用快充的功能在这里面了。我们看一下电动渡轮，电动渡轮是挪威的，我们可以看到它这艘渡轮，他们挪威一些峡湾，左边右边其实有两个马达，去推动这个船。有渡轮的话，它的电网容量都不够大，最左上角就是一个中压变低压的一个变压器，后面会接一个交流对直流，做一个充电池。接到船里面是用交流电去充，经过船里面的充电器去充电池。
刚才讲最左下脚变换器跟电池的话，它是做瞬间快充去补用的。因为刚才提，有一些渡轮，电网是不够的，所以等于类似一个储能系统，当渡轮没有电的时候，它在进行充电，当渡轮来靠岸的时候，他除了从电网充电以外，这个电池也会快速放电给这个渡轮。
跟特斯拉一样，透过中压变压器转成直流，通过储能系统纯电池，后面再接一个直流的充电桩，这个是可能用的一些架构，很简单一个三电频的架构去充电池，可能是用三电频或者用一向暖开关功能PFC的电路。
刚才提这个都是既有的，我们看到在电动交通充电的技术，我们看看未来的一个方向。这个进刚才赵教授提的是一致的，目前我们可以看到，因为受限于碳化硅的成本，左边这个是北卡教授他们做的，是用比较高功率，高电压碳化硅去做，所以只要做一个单体输入就可以做到12.47KAV，类似三电频，后面用LC的架构去做充电。
这个部分，因为10KAV碳化硅还很贵，我们认为3-5年是会用1.2KAV的碳化硅或者1.7KAV的碳化硅来做这种技术的实现。另外我们可以看到，原来火车是用交流电，然后在车上面装一个比较高功率密度的变压器，经过一个交流直流，直流到交流一个变频去推动马达。下面这个就是在ABB他们已经开始， 在很久以前就建立一个XXT，就是固态变压器来取代比较重的低频变压器。这个实际上，ABB目前还没有大量推广，在它的产品上面，因为XXT他们做的重量，包括成本还是偏高的。
个人认为，比如像美国他们也在推，未来可能整个飞机也会用电动的马达去推动，飞机可能会飞好几个小时，飞机跟大型船都会用柴油发电机去发电，用马达去推动。如果说用马达去推动的话，飞机就有一个很大优点，我们大家都知道，坐飞机如果遇到乱流或者什么就会突然往下降。
往下降的主要原因，可能就是浮力不够，可能引擎要加速，所以有时候就没有办法很快去做补偿。因为马达会迅速反应，所以用马达飞机，未来整个稳定度会更高一点。这个是整个飞机，我们看也可以用固态变压器的技术，纯电池，透过柴油发电机发电。
个人我认为，第一个是属于没有隔离的大型充电技术，第二个是有隔离低压充电技术，第三个是用固态变压器的充电技术，这个是属于小功率的。在比较大范围，大功率的，可能是50台，100台车充电的话。我们可以看下面这个，就可能会用一个中压的直流，来做一些配电，这样整个成本会变的比较低一点。
固态变压器优点就不在赘述了，我特别强调一点，其实它的体积只有二分之一到三分之一，它还有一个功能，他在空载的话实际可以做更低，比现在这种低频变压器，在没充电时候很大的缺点，有很大的差异。我最后做一个结论，我们可以看到整个电池越来越便宜，所以我们认为从EV的应用会推展到更高的趋势，包括电动的飞机。还有整个电池市场，需要竞争的成本，还有更高的水平，期望比较高，需要有一些技术，所以还蛮好适合用宽禁带的器件。
宽禁带器件在电动化交通充电站会是一个很重要的技术，另外固态变压器在未来，我认为主要会扮演一个很重要的角色，特别是在这种高功率的充电，然后去结合智能电网。刚才赵教授提过了，充电器对微电网的作用会越来越重要。
还有一个很重要的点，因为很多直流的微网或者交流网，实际上是很容易结合再生能源，跟储能，让整个这种电动化，交通化可以用到再生能源，谢谢。
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2019年3月30日，第二届须弥山大会在江苏常州举行。会议由江苏省新能源汽车智慧能源装备创新中心主办，星星充电、江苏智行未来汽车研究院共同承办。会议围绕“共攀须弥，技术峰会”展开主旨探讨，与会嘉宾涵盖政产学研媒八百多人。 各位大家好，今天很荣幸，我对高功率充电的一些技术了解跟各位做一个介绍。目前我们看到，高功率一些充电化，最主要现在是用在轻轨的交通，包括一些电动的交通。 当然我们现在已经看到，比如说在保时捷的一些电动汽车里面开始要用350KAV的充电桩，这个等一下会介绍，在我们讲的电动交通化的高功率充电化，是先从火车的应用过来的，再发展到其他地方。首先我会针对整个电动交通化的一些使臣做一下简单介绍，针对目前这种电动交通的一些充电技术，特别是在高功率充电技术做个介绍。 后面我们针对未来看到高功率充电会是什么样一个技术趋势做一个简报，针对这些技术我做一个简单的结论，我们刚才看到，早上欧阳教授提到，电池的价格，在未来我们认为在2020年一度会低于96块美金，这样在2024-2025年在400公里里程电动车就有可能比汽油车还便宜，如果比汽油车来的便宜，颠覆整个车的方式就很大了。我们知道充电最主要是在家里面做慢充，未来会在外头做快充，那快充到底有多快呢？目前我们讲了，3KAV充八层，大概差不多15分钟。 我们做一下整理，如果以新的保时捷车，大概充8层的话，大概差不多15分钟可以跑接近400公里，特斯拉现在新推出是250KAV的快充在那，因为特斯拉充电站的电压是400伏左右，跟保时捷的充电大概800伏是不一样的。 另外就现在技术来看的话，实际上高功率充电的话，以现有技术主要是有两种不同实现的方式。我们可以看到前面这张图里面，最左边是低频中压变压器，中压大概可能是10KV，一直到35KV，输出低压LV可能是300伏，400伏，或者480伏，这样一个变压器通常都非常重，比如说像特斯拉大型充电站，这一个变压器可能都是好几吨的一个重量。 后面我们会用的一些技术，就是我们现在传统，用电源模块，这个电源模块目前有很多，不管是10KAV，15KAV等等，以国内目前比较大家比较常用，像国网定的标准是在20KAV，我们认为这个模块会越做越高，会做到30KV，甚至做到60KAV，做一些并联，这样并联网以后，每一辆车子就有机会，可能是用100KAV去充或用250KAV去充或者是用350KAV去充。 这个是目前的一个技术，那这种技术在低频变压器的话，效率大概是99，其实中间会有一个低压的配电盘。这个低压的配电盘效率会吃掉0.5个percen，含那个cable，整个模块部分一般的技术是做到95-96percen。 这个就是我们经常看到一些电力电子的技术，前面是用一些三电平的线路，后面可能有很多用碳化硅来做DCDC，那这样的架构可以做到效率高，做到整个系统会比较便宜的结构。 这个是早上李院士提的，其实未来高功率碳化硅会是主流。 这个是另外一个架构，也是李院士那边在发展的，因为碳化硅有一个特点，如果是说我们用在零电压的切换，会把这个往下降。所以说整个的软开关的损失大幅度的下降，我们认为这个是未来很重要的一个趋势，我们认为可以把整个切换的频率拉高到200K或者500K。这样我们不管在功率因素电感器的尺寸，还是在高频变压器的尺寸，都可以大幅往下降。大幅往下降的优点可以降低铜的用量，降低铁锌的用量，也可以降低尺寸，降低成本。 这个是特斯拉标准的充电站，最左边是12KV输出480低频的变压器，大概占地5平方米，大概1.8吨。再往后看，它有一个配电盘，这个配电盘放一些低压的断路器，整个占地的空间也是非常高。 这个里面不管是占地，还包括整个效率也往下降，后面才接一个箱体。那这个充电器箱体目前现有的特斯拉用安博的一个系统，这个系统都可能到135KAV。我们讲充电的柱子，这个是整个系统现在购置。 它是这样的站台，差不多720KAV，可能会有6个充电柱，这样的一个系统，实际上占地的面积超过33个平方米，大概5.5吨。在这个充电桩我们看到，实际上赵教授也在提电能路由器，我们未来快充的趋势。因为电流路由器就机会把低频的变压器整到我们讲到的变压器做结合，一结合完以后中间的低压的配电盘跟中间低压的缆线就不见了。 所以说我们在比照路由器实际上不能用变压器去跟电能路由器去比，要用整个系统的成本去比。这个系统成本去比的话，会得到非常多的优点，等一下我还会做介绍。 这个是另外一个快充的架构，这个架构前面是一个低频的变压器，输出可能有好几组，可能有隔离的绕组，我们会接一个没有隔离的AC组DC。这里面我们可以看到每一个去充一个车子，因为车子跟车子有安规的要求，要做隔离。 这个隔离的关系，我们在这样做的话需要中压变压器要有一个隔离。这个也是用在像就是保时捷，350KAV一个结构上面是用这种技术的。保时捷里面用的可以看到，就是一个三电频的供应改善变换器，后面接一个DCDC，这个就是保时捷的架构，我们看到目前这都是用碳化硅去做的，效率可以做的非常非常高。 刚才这个是电动车，我们来看一下电动巴士，电动巴士跟电动汽车差异不太大，右手边是有一个变压器，透过一些缆线拉到充电的箱体，然后接着充。左边就是我们做的。 另外我们看传统地铁的结构也是一样，会有一个中压的变压器，然后会降压可能降到586伏，透过整流器，所以它并没有一些主动的原件，整个输出电压可能是在750伏，1.5KAV，或者3KAV的电压，它只是一个被动的整流，变压器是一个特殊的变压器，所以效率非常高，可靠度非常高，可是它有一个很重要的缺点，就是说，当地铁刹车的时候他没有办法回收这个能源。 现在整个国内有很多轨道，上面会加装一个能源回收，装一个变流器把轨道上面突发回收能量再送回去给电网，在这个地方，未来在用电能路由器我们只要做一个双向电能路由器然后输出是1.5KAV或者3KAV的话，它就可以做能源回收，你就不用另外装一个回收变流器装在地铁站上面。 这个是西班牙地铁公司，他们在做轻轨，他们是把轻轨上面装超级电容，或者装一些锂电池，那这样的话你可以看到，左边是一个充电的机电工，机电工往上去推导电轨。这样东西实际上它的输入电压也是刚才用这种传统式变压器的被动整流。 因为它本身里面已经有电磁在里面，所以整个马达再生的时候，再生能源可以存在车子里面的超级电容跟电池里面，所以这个是比较新的一个做法。 我们来看，整个比较简单化，架构化，上面这个就是传统的一个架构地铁图，中亚变压器透过被动整流，从交流变成直流，然后后面这个就是一个地铁，这个地铁只是一个直流并交的，去推动马达，下面是目前现在轻轨在用的架构，它在站上是用一向变压器，然后透过被动式的整流，整流完出来可能是750伏，1.5KAV或者13KAV，然后它会有一个DCDC做快充，这里面四个电池，可能是锂电池，可能是超级电容，透过一个直流转交流去推动一个马达。 所以我们看，在新的轻轨里面已经用快充的功能在这里面了。我们看一下电动渡轮，电动渡轮是挪威的，我们可以看到它这艘渡轮，他们挪威一些峡湾，左边右边其实有两个马达，去推动这个船。有渡轮的话，它的电网容量都不够大，最左上角就是一个中压变低压的一个变压器，后面会接一个交流对直流，做一个充电池。接到船里面是用交流电去充，经过船里面的充电器去充电池。 刚才讲最左下脚变换器跟电池的话，它是做瞬间快充去补用的。因为刚才提，有一些渡轮，电网是不够的，所以等于类似一个储能系统，当渡轮没有电的时候，它在进行充电，当渡轮来靠岸的时候，他除了从电网充电以外，这个电池也会快速放电给这个渡轮。 跟特斯拉一样，透过中压变压器转成直流，通过储能系统纯电池，后面再接一个直流的充电桩，这个是可能用的一些架构，很简单一个三电频的架构去充电池，可能是用三电频或者用一向暖开关功能PFC的电路。 刚才提这个都是既有的，我们看到在电动交通充电的技术，我们看看未来的一个方向。这个进刚才赵教授提的是一致的，目前我们可以看到，因为受限于碳化硅的成本，左边这个是北卡教授他们做的，是用比较高功率，高电压碳化硅去做，所以只要做一个单体输入就可以做到12.47KAV，类似三电频，后面用LC的架构去做充电。 这个部分，因为10KAV碳化硅还很贵，我们认为3-5年是会用1.2KAV的碳化硅或者1.7KAV的碳化硅来做这种技术的实现。另外我们可以看到，原来火车是用交流电，然后在车上面装一个比较高功率密度的变压器，经过一个交流直流，直流到交流一个变频去推动马达。下面这个就是在ABB他们已经开始， 在很久以前就建立一个XXT，就是固态变压器来取代比较重的低频变压器。这个实际上，ABB目前还没有大量推广，在它的产品上面，因为XXT他们做的重量，包括成本还是偏高的。 个人认为，比如像美国他们也在推，未来可能整个飞机也会用电动的马达去推动，飞机可能会飞好几个小时，飞机跟大型船都会用柴油发电机去发电，用马达去推动。如果说用马达去推动的话，飞机就有一个很大优点，我们大家都知道，坐飞机如果遇到乱流或者什么就会突然往下降。 往下降的主要原因，可能就是浮力不够，可能引擎要加速，所以有时候就没有办法很快去做补偿。因为马达会迅速反应，所以用马达飞机，未来整个稳定度会更高一点。这个是整个飞机，我们看也可以用固态变压器的技术，纯电池，透过柴油发电机发电。 个人我认为，第一个是属于没有隔离的大型充电技术，第二个是有隔离低压充电技术，第三个是用固态变压器的充电技术，这个是属于小功率的。在比较大范围，大功率的，可能是50台，100台车充电的话。我们可以看下面这个，就可能会用一个中压的直流，来做一些配电，这样整个成本会变的比较低一点。 固态变压器优点就不在赘述了，我特别强调一点，其实它的体积只有二分之一到三分之一，它还有一个功能，他在空载的话实际可以做更低，比现在这种低频变压器，在没充电时候很大的缺点，有很大的差异。我最后做一个结论，我们可以看到整个电池越来越便宜，所以我们认为从EV的应用会推展到更高的趋势，包括电动的飞机。还有整个电池市场，需要竞争的成本，还有更高的水平，期望比较高，需要有一些技术，所以还蛮好适合用宽禁带的器件。 宽禁带器件在电动化交通充电站会是一个很重要的技术，另外固态变压器在未来，我认为主要会扮演一个很重要的角色，特别是在这种高功率的充电，然后去结合智能电网。刚才赵教授提过了，充电器对微电网的作用会越来越重要。 还有一个很重要的点，因为很多直流的微网或者交流网，实际上是很容易结合再生能源，跟储能，让整个这种电动化，交通化可以用到再生能源，谢谢。 |