慢充直流化:一场变革,一盘大棋
2022-03-17
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能效电气


蔚来ET7和ET5上市,人们将发现,车载充电机(OBC)之有无,无关痛痒。OBC去掉,也就去掉了。有一家车企去掉,其他车企也会相继去掉。


大势去矣!

图1   蔚来汽车的ET7和ET5即将上市。蔚来面向未来的两款主力旗舰车型都已去掉OBC。

图2  蔚来汽车的20kW、11kW和7kW直流充电产品。用户可根据自己的需要和安装条件自由选择。


01

 一场变革:OBC“下车”,交流充电桩和模式2充电盒将“消失”


如图3所示,当下仍然有两种充电系统。车上有两种充电接口,慢充口和交流充电桩配合使用,快充口和直流充电桩配合使用。慢充直流化,就是用小功率直流充电机代替“OBC+交流充电桩”。整车将由两个充电接口变成一个充电接口。OBC“下车”,交流充电桩“消失”,模式2充电盒“消失”。OBC“下车”后,“交流慢充”变成了“直流慢充”。 PDU极大可能也将消失,整车设计更简洁,更具创新性。


深圳市能效电气技术有限公司(前身是“高斯宝新能源事业部”)从2016年开始引领的这场变革将深刻影响电动汽车、车载电源、交流充电桩和充电运营商等相关产业。

                                                     图3   两种充电系统

“快充”口和“慢充”口的尺寸是国标定义的。“快充”口是9孔,直接接入“直流充电桩”的直流电,直接给动力电池充电;  “慢充”口是7孔,通过“交流充电桩”接入电网,由车辆内部的OBC将交流电转换为直流电,再给动力电池充电。如图4所示,去OBC前,交流充电装置包括交流充电桩和模式2充电盒。交流充电桩没有专门的产品标准,遵循GB/T 18487.1;模式2充电盒,学名是“缆上控制与保护装置”,是低续航里程车型的唯一充电方式,也一直是个“话题王”,有专门的标准进行了规范。慢充直流化的最大挑战即在于此。


去OBC后,交流充电桩及车内的OBC将被2kW-20kW系列的直流充电机代替。有一个新标准NB/T 10902-2021、《20kW及以下非车载充电机技术条件及安装要求 》已发布,业内称之为小功率直流标准。


必须强调的是,在车辆行驶中,OBC并不工作,换句话说,OBC只是在用户停车充电的时候才用得上。


         图4   电动汽车去OBC前后的系统框架及充电系统的变革  

当下,是三种车型并存的格局:


A,只有慢充口。


B,只有快充口。


C,既有慢充口,也有快充口。


微面、A0、A00、混合动力车型,多是只有慢充口,但已然是这类车型的一大硬伤。 除微面以外的所有商用车,多是只有快充口。很多车型既有慢充口,也有快充口,但是,更多新车型正在去OBC的路上。
所有车型都将只有一个快充口,这个过程仍有5年以上的时间。这是一场伟大的变革!对车网互动的远景目标来说,这是一盘大棋。

02

慢充直流化的 “利”


2.1  对车企的“利”  


2.1.1  终结“规模性浪费”。 


电动汽车是巨大的产业。预计到2030年,全球电动汽车的年销量将达到3000万辆,但是,有一定比例的电动汽车用不上OBC:


A、出租车、网约车。


几乎100%用不上OBC。


B、没有固定充电停车位的C端车主。

也几乎100%用不上OBC。


上述两种类型在2021年的占比,据不完全统计,大约20%。


C、安装11kW/22kW OBC的车型



有50%以上车主将11kW/22kW OBC当作6.6kW来使用,或如上述,几乎100%用不上。


6.6kW  OBC+7kW交流桩的成本大约3000元,11kW OBC+11kW交流桩的成本更高。每年的浪费金额预计将高达百亿。这是一种“规模性浪费”,这是一种非常不合理的存在。因此,随着时间的推移,事物会朝着合理的方向发展。企业单位一般是“批量采购” 出租车和网约车,他们就会要求车企去掉OBC、降车身价。市场倒逼车企去掉OBC已成事实!


2.1.2 终结“用户无法自由选择充电功率”的纠结。


因为多数电动汽车已经标配了6.6kW OBC,已经标配了7kW壁挂式交流充电桩,甚至还标配了模式2交流充电盒。有些用户误以为在家充电的最大功率只能是6.6kW。有些用户知悉可选择更大功率的直流充电桩,但纠结于“沉没成本”,纠结于是否放弃已经到手的、免费的交流桩。标配,某种程度上限制了用户的需求升级。


如果没有慢充、只有快充,用户可选择适合自己功率大小的直流充电机。根据具体用户的用电条件和充电要求,用户可选择2kW、3.5kW、7kW、11kW、20kW、30kW、60kW等不同功率大小。 个人家庭充电成为消费者个人自己的事情。

2.1.3  终结“只有慢充没有快充”的蒙眼狂奔状态。


很多A0、A00、增程式、混合动力车型都是"只有慢充没有快充",电池电压范围也多是200V以下,即使有快充口,也不能在社会场站的直流充电桩上补电。直流快充桩的输出电压范围都是200V以上。


2021年度中国电动汽车市场出现“小方盒现象”,众多车企跟进五菱MINI  EV的“小方盒”,包括长安奔奔ESTAR,思皓E10X,上汽科莱威,奇瑞冰淇淋,风光MINI EV,昌河北斗星,北汽制造S3,雷丁芒果,朋克多多,等等……  这些车型主要面向的是中国10亿人口的“下沉市场”,每年消费3000万辆电动摩托的替代市场。


这些“小方盒”车型依赖交流模式2充电盒作为唯一充电方式。


显然,这种小功率、而且唯一充电选择的唯慢充方式是成本竞争的无奈之举,不能满足三级以上城市消费群体,也不能满足四、五、六级城市的大部分消费群体。


“只有慢充没有快充”是“硬伤”。


针对这类10度电车型,为什么不让用户可选择2.2kW/3.3kW/6.6kW,甚至20kW的居家直流充电呢?这些用户就永远不能体验10分钟充满电的感觉吗?


电池的成本还是电机控制器的成本限制了车企做出更创新的方案?其实,都不是!!


2.1.4 整车设计更简洁,更具创新性。

去掉OBC及相关组件之后,整车的电气架构将会演进成什么样的状态?


PDU化整为零。没有PDU。接触器、继电器、熔断器分别放到动力电池、DC/DC、PTC、A/C组件里面去。


如果PDU化整为零,DC/DC将作为一个单体存在还是被集成到电控里面去呢?如果没有成本和体积的压力,单体其实更简洁,更可靠。为了保证5年以上的使用寿命和0故障率,最好的方式是通过冗余设计来保障可靠性:搞两个DC/DC并联,一个坏了后用另外一个。


2kW以下的DC/DC做成自然冷也许是另外一个值得关注的努力方向。

2.1.5 营销策略更加灵活多样。

如前述,没有标配OBC和交流桩的限制,用户可灵活选择不同功率大小的充电机。车企可以制定非常灵活多样的营销策略。


可将应用场景区分为两大类:

有个人充电停车位。


单独对车身进行定价。或者标配2kW便携式。 用户可选配7kW壁挂式、11kW壁挂式、20kW固定式,单向或者双向直流充电产品。


无个人充电停车位。


送充电优惠券。


选配的小功率直流充电产品本身可实现附加利润


2.1.6 全生命周期系统性“降本”。    

下表是“6.6kW OBC+交流桩”和7kW壁挂式直流充电机的构成对比。仅考虑BOM成本,以相同的采购量来核算,用7kW壁挂式直流充电机,节省的成本主要是7kW交流充电桩。黄色标识部分的成本,值得研究。

不只是BOM成本的考虑。研发成本、生产成本、特别是售后成本,将是“天量的成本“。整个 社会的人力成本越来越高,OBC维修成本将高于单独购买7kW壁挂式直流充电机的成本。


2.2 对运营商的“利”


数据是运营商的核心资产。一线城市已进入“深度运营”时代。“深度运营”的充电运营商需要丰富的充电运营数据。


交流充电桩和OBC之间通过PWM占空比来传递最大允许的充电电流信息,无法获得车辆及电池的任何信息,无法实现真正意义的“有序充电”。


直流充电和车辆BMS之间有CAN通信,可获得车辆的SOC、VIN码、电池特性等信息,可根据社区的剩余电力容量、电动汽车实时需求的充电量及下次需要用车的时间等特点,引入有趣的互联网玩法,实现真正意义的“有序充电”。


目的地充电、社区运营,将是充电运营的最后一块“肥肉”。根据运营场景的特点, 7kW、11kW、20kW、30kW、40kW多种功率可混合使用。但,唯有直流充电,这种深度运营才有可能。


在深度运营时代,电力供应、土地和时间是稀缺资源,但充电设备不是。越来越多的电动汽车将没有慢充口,充电运营商必将以商业的本能,逐渐调整运营站点里交流充电桩和直流充电桩的比例。市场的力量是伟大的。

2.3 对电网的“利”

“电网”期待去OBC,久矣!


V2L、V2H、V2G、V2B,V2V,V2mG,……  迎接能源互联网时代,唯有去OBC才有可能。


欧阳明高院士在不久前的演讲中谈到:“我们电动汽车充放电也会是一个市场。充电、放电就跟股票的买入和卖出一样,相当于建了一个电动车的股市,电价低就充,电价高就卖。通过经济激励手段实现对波动性风电与光伏等可再生能源的自动调节与平衡。至于对我们个人而言只用手机APP就可以搞定,这是未来绿色智能城市的一个美好愿景。"


“电网最喜欢三相电”,去OBC成为事实后,引导市场用三相11kW全面代替单相7kW才成为可能。大量电动汽车同时使用单相的7kW,将造成电网的不平衡,中性线可能会过载。用三相电,电网将更健康。


2.4 对社会的“利”


去OBC成为事实后,各级政府部门将理解到,地产商只需要留足变压器负荷而不需要超前部署长期用不上的交流桩,政府不再从政策上盲目要求地产商部署大量的“僵尸”交流桩“滥竽充数”。社会整体成本将大大降低。


2.5  对消费者的“利”

 
没有了OBC的限制,消费者无需纠结于“沉没成本”,可选择自己能用得上的、合适功率大小的直流充电机



03

慢充直流化的“弊”


我曾公开表达过,慢充直流化“有百利而仅有一弊”。这唯一的弊端是:当前已存在两种充电系统。这样的表达虽然有文字上的吸引力,但会给人一种失之偏颇之感。


2016年以来,我们认真倾听各种反对去OBC的声音。“穷举”罗列如下:


(1)社会上已有很多交流充电桩,怎么办?


(2)出门充电,遇到充电站只有交流桩,怎么办?


(3)双向OBC自带V2L功能,去掉OBC,怎么实现V2L?


(4)OBC是车规级的,故障率仍然很高,用非车载的直流充电故障率岂不会更高?


(5)电源放在车子里面,比放在外面,更安全。


(6)去掉OBC,公司有了那么多的OBC工程师,他们怎么办?


(7)既然早期规划有OBC,肯定有它存在的道理。


(8)交流充电桩的新国标刚发布没多久,没人敢否定刚发布的标准的。


上述理由,第5到第8条,似是笑谈,不值一提。第1到第4条,请允我表达观点。如你有更多反对去OBC的理由,恳请留言给我。


(1)社会上已有很多交流充电桩,怎么办?


(2)出门充电,遇到充电站只有交流桩,怎么办?


这两个问题的深层含义是,交流充电桩和车上的OBC相映成趣,已构成了生态链。


关于第1条,对充电运营商来说,是一种“沉没成本”的心理,但如2.2所述,对运营商而言,交流充电桩是一笔不大的投资,交流充电桩本身也有一定的使用寿命,去OBC的浪潮有5年以上的时间,随着时间的推移,逐渐将交流桩升级到直流桩,并非难事,而且,从3年前开始,充电运营商已很少再布交流桩了。以交流桩作为运营设备,是更早期行为——用桩换补贴,用桩占充电场地和电力容量资源而已。去OBC后,布置直流桩,更易于实现有序充电,实现桩网互动。


充电桩和加油站的特点不一样。充电桩可以星罗棋布,有一个停车位,有一点剩余电力,就可以布置一台充电桩。在一线城市,在过去几年里,如果你持续试验,在百度地图搜索周边的充电站,会发现一个很有趣的现象:在任何一个位置,“周边”2公里的充电站逐年增多中。在市中心任何一个位置,方圆2公里,充电站10倍于加油站。2018年,在手机百度地图上,点击"周边"菜单,还没有“充电站”栏目。
其实,充电焦虑是一个伪命题。


充电焦虑是从来没有用过电动汽车的人受到各种舆论宣传影响后产生的莫须有的焦虑。舆论宣传放大了某种极端的情景,放大了某个事件,放大了某张图片,放大了某个视频。放大了出租车、网约车“抢电打架”的场景,放大了全国那几例回家路途充电艰难的新闻报道。


出租车、网约车的充电,和个人充电完全不是同一个话题。对个人消费者来说,在当下阶段,开电动车长途跋涉本来就是条件不成熟。这种长途跋涉担心充不上电的焦虑,不是有没有OBC的问题。相反,在高速公路上,只有慢充口更加痛苦,因为高速公路上一般都是直流桩。


开电动车出“远门”的焦虑,和开燃油车的焦虑一样的。总免不了要提前做足功课。第一次开燃油车,也总担心找不到地方加油,但很快就熟悉了自己居住附近的各加油站,熟悉了燃油车提示告警快没油时还能跑多少公里。


如果只是满足日常上下班,充电焦虑更是不存在的。在购买电动汽车之前,消费者自然会做诸多考量:第一,是否考虑了居住地能否安装充电桩。第二,如果第一条不满足,就会寻找居住地和上班场所是否有大功率充电站。以上两条都不满足,消费者暂时就不会买电动汽车。


(3)双向OBC自带V2L功能,去掉OBC,怎么实现V2L?


这却是很多车企对去OBC望而却步的一大理由。在草地上架上电炒锅,在海边燃起篝火,那个浪漫,那个美啊!这是多少百分比的需求? 任何一辆车,哪怕10万以内的车,都有很多我们一辈子也用不上的功能,但这些功能总会有人偶尔会用上。车企销售人士喜欢将销量和某个功能的缺失挂钩,而且销售人士往往在车企内部的话事权很高,这导致车型定义上往往失之精准。将0.01%的需求放大,这是汽车作为一种封闭的完美的产品的老问题。


听说xx的车型定义是大老板之间抓到底,抓一线,有强大的同理心,有深度思考,有完整的缜密的思维,往往就能定义出爆款来。


如果我是车企决策者,我会坚决去掉OBC,并针对这个反对的理由做出如下响应:


用单独的V2L产品作为选配,满足这些有浪漫需求的用户。


能效电气将推出概念产品3.5kW便携式放电机UCD3500,用直流充电枪连接车辆的直流充电口,直流放电。


或者,送储能产品。


在中国,旅游场地的停车场所并不适宜用电炒锅。用电小二、正浩一类的储能产品更合适。


更直接地说,针对这些0.01%用户在三年里可能有那么一次浪漫的需求,我们不理会他又怎样呢?真的会影响一辆车的销售吗?汽车再怎么封闭、完美,也并不是100%同质化。


(4)OBC是车规级的,故障率仍然很高,用非车载的直流充电故障率岂不会更高?


这个问题本身比较无厘头,但也比较难以回答,因为可靠性涉及到的话题很多。元器件的寿命是可靠性的一方面。


车企诟病OBC故障率,有两大因素:A,在车辆出厂前故障率很高,就是说在OBC产品到货后,在工厂的车间里发现很多不良。B,100%故障率事故,批量地召回或批量地维修。


现在,OBC行业里已结束了狂飙突进阶段,功率部分的电路板慢慢定型,只是改改结构件了。由于前期大量的质量事故,OBC和DC的结构件也尽可能公用了,只改改PDU部分。但接插件本身是质量的万恶之源,增加OBC,增加了诸多的接插件,动辄就会爆出批量问题。


现在很多车企还没能统计出OBC真正意义的故障率。


待三年后,个人消费者的电动汽车(不是出租车、网约车)过了保修期之后,维修一台OBC的时间成本和维修费用将高到消费者无法承受的程度,那将足以推动更多车企决心对所有车型去掉OBC。

04

小功率直流充电标准


国家能源局于2021年12月22日公告发布了标准NB/T 10902-2021《20kW及以下非车载充电机技术条件及安装要求 》(下文简称新标准)。新标准将于2022年3月22日开始实施。深圳市高斯宝电气技术有限公司是新标准的牵头起草单位(如前述,深圳市能效电气技术有限公司的前身是高斯宝电气新能源事业部)。从2018年初酝酿,到2018年10月召开第一次研讨会、2019年5月召开第二次研讨会,整个标准从酝酿到发布历时3年多。


新标准以安全作为第一前提,在“可产品化”方向上做了巨大努力。新标准从接入方式、安装方式、输入电压和电流大小等方面对2kW-20kW之间的直流充电机进行了分类。替代”交流模式2充电盒”的便携式直流充电产品极具挑战。最终将这种单相220V、“墙插”可连接的便携式产品的输入电流限制在8A。移动式的功率范围和固定式一样,但个人认为,移动式将不受市场欢迎。新标准保留了移动式,这是考虑到市场上这种产品很多,需有标准予以规范。


固定式基本执行GB/T  33001标准,但做出了最恰当的改进:对已经严重不能适应产品市场化需求而且不影响产品安全的部分进行了修正。 主要包括四点。这四点改进令人振奋。


(1)显示功能


将”应“改为了“宜”。第6.1条:"充电机宜具有显示待机、充电、告警等状态信息的功能。"  蔚来推出的7kW


(2)急停功能


将"应"改为了"宜"。第6.2条: "充电机宜具备急停功能。"


(3)低压辅助电源的额定电流


取消了辅助电源额定电流10A的限制。


(4)输出直流侧电缆


这是整个标准中耗时最久的讨论、争论、辩论点之一。该条款包括了便携式和移动式。原文摘录如下:


充电机输出直流侧电缆(直流电源正、负和保护接地)标称横截面积及熔断器(或类似具备过流、短路保护特性的装置)选择应符合表2的规定。熔断器(或类似具备过流、短路保护特性的装置)应安装在车辆插头端。


表2 输出直流侧电缆标称横截面积及熔断器(或类似具备过流、短路保护特性的装置)选择


新标准对安装条件做出了更具体明确的规定。这方面的改进也体现新标准的务实。


新标准为便携式颇费心思。除上述针对固定式的改进仍然对便携式有效外,便携式主要在防护等级、电机防护、耐热性能、耐异常发热和着火、耐振动和冲击性能、自由跌落、车辆碾压等方面做了具体规定。



05

未来已来:小功率直流充电产品家族



遵循新标准,响应市场的需求,创造市场上可能的新需求,小功率直流充电产品已丰富多彩。


“小功率直流充电第一品牌”能效WattSaving经多年沉淀,已开始整建制地推出面向高端消费者的U系列,包括UCD2000、UCC2000、UCC3500、UCC7000、UCC11000、UCC20000,为个人消费者提供完整的直流充电解决方案。




在2022年的CES上,充电桩产品已变得“花里胡哨”,家用直流,V2H、V2G产品开始崭露头角。“在停电期间将家庭与电网切断,把电动车用作备用电源,即使是自然灾害造成的停电也不例外。


06

一盘大棋:迎接能源互联网时代  


我们距离能源互联网的时代是否遥远?有多遥远?每个人的回答不一样。在能源互联网时代里,将没有“交流慢充”之说。一定是直流,而且是三相交流输入的直流为主。11kW双向直流充电机将全面代替7kW单向直流充电机,因为需要和电网互动,需要放电。OBC没法和电网互动,单相也没法放电。


欧阳明高院士对这个美妙的前景很有激情。请允许我大段地引用他的原话,这比我自己写的更权威,更激动人心。


据统计,目前家用电动汽车充电量75%是通过慢充获得。随着电动车数量快速增加,慢充会给电力负荷带来很大压力。北京现在已经有40万辆电动汽车,而且使用频率大大高于燃油车,每天上下班车流里至少有20%是电动汽车,很快就会到30%、40%。下班回家都充电,电力系统受不了,深圳等地已经出现这个问题。


所以,无序充电时代即将结束,之后会进入有序充电阶段,有后台来管理充电,通过电价机制把充电调整到电力负荷低谷区间。现在深圳已经开始做示范。


管理充电的信息网会智能调度电网的充电能量,能源互联网的雏形就出现了,这是一件大事。有序充电还是单向的能量流动,控制什么时候充。再进一步发展就是双向,电动汽车电池会既充电又放电。比如,电动汽车与建筑或者房屋连接构成一个能源系统,电动车作为储能装置可以给建筑供电。随着向可再生能源转型,风电光伏发电波动大,电多的时候先储储存一部分,没电的时候再放出,储能的作用会很大,电价差也会越来越大,电动汽车作为储能装置的价值就会发挥出来。


若2025年电动汽车的电池容量超过20亿千瓦时,2040年有3亿辆电动车,一辆车平均65度电,就是差不多200亿度电,这是我国今天全社会一天消费的总电量。这一巨大储能系统将产生巨大的碳减排潜力,初步计算可以高达10~20亿吨,数量十分惊人,还需要碳排放计算专家的确认。


总之,电动汽车储能的潜力极大,会是一个巨大的蓝海市场。现在,各级政府都在面向双碳目标进行碳减排。其中最重要的途径之一就是基于电动汽车的智慧能源,包括光伏、动力电池、充放电装置、家用电器连成网,一个小区、一个单位、一个社区可以形成一个个微电网,一个行政区有许多微电网联起来变成区域电网。最后形成整个城市的智慧能源,成为绿色智慧城市的重要组成部分。


电动汽车是分散、移动、随机使用的、充电装置也不是到处都有,这种理想的结果如何实现?首先,慢充设施要大普及。慢充今后的规划是每辆车至少有一个充电桩,最好有两个,工作单位和家里各一个。最终理想的状态是车停下来就接入电网,才能形成储能和电网互动功能的实现。


以电动汽车为核心的电池储能和光、储、充一体化的智慧能源系统很快就会在全国逐步展开。估计在2025年之前主要是有序充电,2025年到2030年会发展出跟建筑和微网互动。2030年之后会与配电网互动。从系统分级看,底层是充放电硬件设施,中层是大量的电动汽车储能和微网聚合商,上层是政府介入的调度管理平台,有区级、城市级,省级和国家级的国家电网总调度。


以可再生能源为主体的电力系统特征将会是分布式、市场化为主。国家电力改革基本政策是两头放开,管住中间,即只管电网,把用户端和发电端放开,建设全国统一的电力市场。电动汽车充放电也会是一个市场,充电、放电就跟股票的买入和卖出一样,电价低就充,电价高就卖。通过经济激励手段实现对波动性风电与光伏等可再生能源的自动调节与平衡,这是未来绿色智能城市的美好愿景。


07

相信逻辑的力量,相信时间的力量  


恐惧源于陌生。去OBC,我们唯一值得恐惧的就是恐惧本身。有一家车企去掉,也就都去掉了,但是,只有等到那家车企真的去掉,而且等到去OBC的车型上市后,大家才慢慢反应过来。没那么快,但也没那么慢。
相信逻辑的力量。逻辑的力量最是鼓舞人心。利弊已陈,想明白就干。


相信时间的力量。仍需等待。等待电动汽车更大程度的普及,等待更多人意识到充电焦虑是伪命题,等待更多力量加入到直流慢充和电网互动的潮流,等待更多车型的出现,等待更多直流充电产品的呈现。


很多人是因为看到所以相信。


很多深圳人听说华为在2018年将整个研发搬到东莞松山湖,但直到华为搬家车队从坂田启动之后,华为研发整体搬到松山湖的信息霸屏后,松山湖的房价才应声飞起。


很多人在2020年1月9日NIO Day上看到斌哥发布了20kW家用直流桩,但直到2020年10月,蔚来的20kW开始正式售卖,各车企才开始纷纷枪毙OBC 11kW,我的“OBC 11kW见光死”的预言才兑现。直到2021年,多家车企才开始认识到目的地充电桩是最佳的广告桩,是充电运营的最后一块“肥肉”,我在2017年就一直倡导的“小功率,大密度,用尽分散电力”的充电理念才开始被业内充分理解。



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