一文详解大功率充电技术

电动汽车单次充电用时长、续驶里程短的问题是制约电动车发展的关键因素。2020年新能源汽车问题TOP10问题，充电速度慢占比33.4%，相较2019年上升14.3%。

从车辆用途来看，目前纯电动汽车主要包括私家车、出租车、租赁车，下表为按照车辆用途，纯电动车月均快充数量和比例（2018年统计）。

纯电动车分类	累计充电车次	累计快充车次	快充比列
出租车	522219	46885	90%
私家车	777272	104942	13.5%
租赁车	176351	71760	41%

从数据可以分析市场期望：

（1）出租车表现出明显快充意愿。由于充电时间直接影响其运营收益，所以出租车用户有明显的快速补电需求，车辆换电模式特别适合出租车辆；

（2）租赁车快充比例都在40%左右；

（3）私家车快充比例低，但是用户基数大，快充用户数量很多，快速补电需求同样明显。快充需求多来源于没有便捷慢充资源的用户，需要去公共快充站进行充电，另外在长途行程过程中补电需求。

根据网络调查，大部分纯电动车用户习惯在soc在10%~30%开始充电，一般来说电池的高效充电区间为20%~80%，超过80%涓流充电。

网络对634名电动汽车用户进行的问卷调查显示，87%的用户希望能够在30 min内充满80%电量，而44%的受访者更是希望充电时间能够缩短到15 min以内。

解决用户单次充电时间长，缓解用户充电和里程焦虑问题，发展大功率充电技术得到国内外行业参与者的普遍共识，其中以欧美的保时捷、特斯拉为代表的车企走在了前列，并已实现商业应用。 充电功率=充电电流×电池电压，因此要提升充电功率务必要提升电池电压或者充电电流，同时形成了两个技术特点。  

代表	时间	地点	技术特点	输出功率
保时捷 Taycan	2017年7月	德国	800V高电压+液冷充电	350KW充电桩，800V电压平台，15分钟充电80%，续航里程400KW。
特斯拉V3 Supercharer	2019年3月	美国	液冷充电	250KW、15分钟充电50%，随后功率下降至150KW，充电至80%。

以下是各标准对大电流充电的规划，其中液冷充电已经成为大电流充电的关键技术。

保时捷Taycan，00V电压平台，15分钟充电80%

特斯拉V3 Supercharer，

250KW、15分钟充电50%，充电时间缩短一半

以下我们以800V高电压充电、液冷充电两种技术特点，结合保时捷Taycan、特斯拉V3，开展两项技术详细讲解。

液冷充电

目前大功率充电主要以不提高整车电压平台的条件下，提高充电电流大小。但充电电流增大后端子及线缆的发热量会快速增加，导致温度迅速升高，持续高温易损害充电装置的电子元件，严重的还会引起烧毁安全事故。为了避免安全事故的发生，我们必须要将充电枪端子及线缆的发热量及温升降低，增大导体截面积是我们首先想到的解决方法，但增大导体截面积后会增加线缆的重量，线缆重量加重后会导致用户无法正常使用，而采用液冷大功率充电技术后线缆的截面积可以大幅度减小，充电枪线缆的重量更轻，用户的操作体验感更好。

特斯拉V3超级充电的宣传海报，表明液冷充电线更加轻便。

大功率液冷充电枪是通过一个电子泵来驱动冷却液流动，冷却液在经过液冷线缆时（液冷线缆在工作时由于承载大电流会发热），带走线缆及充电连接器的热量，回到油箱（储存冷却液），然后通过电子泵驱动经过散热器散发热量，如此循环工作，可以达到小截面积线缆通载大电流、低温升的要求。

以下为一种电池包及高压线束冷却方案。

下方曲线图显示了特斯拉V3、V2、V1soc区间对应充电功率，V3充电soc在10%~25%区间充电功率达到250KW，25%~60%区间充电功率降至150KW。

注：此图仅供参考，网络发布的实测视频有一定的差异。

网上找到的Supercharger和E-Tron的充电对比视频，视频中可以看到特斯拉实时的充电参数。

以下是奥迪Etron与特斯拉的充电功率对比图。



视频中我们看到初始时电池soc在12%，此时充电功率为181KW，电压为367V，此时最大充电电流为499A，并没有达到250KW的充电功率，如果按照250KW的充电功率，此时的充电电流约为670A。 视频中可以看到以188KW的充电功率进行充电，SOC从12%到20%，大概使用时间为60S，如果按照曲线图测算，250KW充电时间不超过1分钟。 通过视频，获取特斯拉超充前25分钟充电电流时间曲线如下：

电流时间对应表格如下表

特斯拉针对冲击快充大电流发热的挑战，使用了液冷充电抢以及95平方车载充电电缆。

翻译：充电连接器包括第一电插座和第二电插座。提供第一套筒和第二套筒，使得第一套筒同心地联接到第一电插座，并且第二套筒同心地联接到第二电插座。歧管组件适于包围第一电插座和第二电插座以及第一套管和第二套管，使得第一套管和第二套管以及歧管组件在它们之间形成中空的内部空间。歧管组件内的入口导管和出口导管，使得入口导管，内部空间和出口导管共同形成流体流动路径。”

充电插座方面，其使用了泰科的HC Stak 35端子匹配95平方的屏蔽电缆，载流能力达到330A@85℃的载流，特斯拉电缆一般耐温等级在180℃。 直流快充-动力电池之高压连接器使用HC Stak 35，使用可扩展DEFCON端子，通过增加或减少刀叉型端子的片数便可轻而易举的实现载流能力的提升或降低。

HCStak 35的端子恰恰就是通过3.5mm厚的铜板结合32片刀叉型端子，同时匹配95平方的高压屏蔽线，从而达到330A@85℃的载流能力，强力支持特斯拉Model3 充电30分钟增加274公里的续航里程，同时也支撑了特斯拉V3 Supercharger 250Kw的充电功率。

 端子的独特设计：传统连接器通常线束端是方形端子或圆形端子，插座端为片状端子或者圆柱形端子，而这款HC Stak的线束端端子竟然是铜板，插座端的两组端子分别由35片叫做DEFCON的端子叠加而成，英文全称Double-Ended Fork Contact，双端刀叉型端子。

没错，就是叠加，就是这么简简单单、整整齐齐的码在一起，安装在中间白色的塑壳当中（实际并非白色而是塑料粒子的本色）。这看似简单的白色塑壳却蕴藏了工程师的奇思妙想，既对端子起到固定作用，又在端子和金属屏蔽之间起到绝缘作用，另外还有一层更重要的作用，那就是防止手指触碰的安全保护作用。根据国际电工标准IEC60529/IP2XB，手指防护涉及生命安全，必须严格执行安全标准.

依据上表中前25分钟载流的工况可以粗略的用于验证下充电连接器HC Stak 35端子匹配95平方的屏蔽电缆的发热是否能满足整车的需求。

以下我们看到特斯拉超级充电过程热成像显示温度最高位置在充电的连接部位，温度达到了111F。

下表是特斯拉V3、V2、和奥迪E-tron的增加160公里行驶里程所需要的时间，特斯拉V3充电非常明智的将充电早期的功率提高，这是一个巨大的优势，仅需要短暂的15分钟就增加了160公里里程能快速的使车主达到目的地。

下表为其在充电电流600A情况下的充电温度如。

大功率液冷充电连接器在研发过程中，对充电过程中的发热点进行了分析及实验验证，充电过程中的发热主要有接触件与导线的压接位置，针孔接触位置，其中针孔接触位置的发热最大，如图3所示，通过红外成像仪对接触件的发热进行了测试，成像越亮，发热越大，因此在设计过程中使得液冷系统冷却至针孔的接触部位，可以对充电插座端的接触件也有一定的冷却作用，同时在功率接触件上安装有温度传感器，充电桩可以通过反馈的温度对液冷源进行启停控制，液冷源上安装了流量传感器，压力传感器对冷却系统中的流量及压力进行检测，通过传感器的数据，可以确保充电过程中的安全。

 

发热点分析

 

大功率液冷充电连接器温升曲线

最后来几张充电枪的高清图。

800V架构

2019年底一豪华纯电品牌推出了其电动车型，将高压电气电压平台直接由传统400V提升到了800V，第一款800V高电压电气架构横空出世，他就是保时捷的Taycan。

其高压电气架构图如下：

不惜在车上增加如此复杂的电压转换设备，保时捷Taycan最主要的目的就是要缩短用户在充电上付出的时间成本。而在其他高压部件以及电池快充能力取得进步之后，保时捷Taycan及其后续车型还有望在350kW充电功率的基础上，进一步发掘出800V电压平台的潜力。

不同充电功率的充电时间

我们再来看一下Taycan和Model 的快充曲线对比。我们会发现Taycan（蓝色）可以达到更高的充电功率。


Taycan和Model 的电平台对比

审核编辑：刘清