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摘要：本文概述了电动汽车的两种充电系统，探讨了其中一种面向未来的新型充电解决方案，即慢充直流化的市场驱动力、应用场景、商业化的产品形态，技术标准及关键技术问题，给出了对市场前景判断的结论。关键词： 慢充直流化；便携式；熔断器 对电动汽车充电，需要将来自电网的交流电转换为直流电，而且该直流电的电压范围应该和电池的电压范围一致，电流则可大可小，大电流就充得快，小电流就充得慢。将交流电转换为直流电就需要采用基于电力电子技术的开关电源。这种开关电源可以做成大功率的，充电电流大，安装在车辆外面，就是“直流充电桩”这种充电设备，该充电设备连接电动汽车上的“快充口”; 也可以做成小功率的，充电电流小，布置在车辆里面，电网通过“交流充电桩”这种外置充电设备将电网的交流电送到车辆上的“慢充口”，车辆内部从“慢充口”将交流电送到车载充电机（On-Board Charger, 简称 OBC） 的输入端。交流充电桩只是起到了监控和计费的作用，并没有进行电能转换。OBC的功率大小有四种：基于单相220V输入的3.3kW、6.6kW，基于三相380V输入的11kW和22kW，其中6.6kW最主流。 基于以上思路构建了当前主流的电动汽车充电系统，如图1所示。多数电动汽车有两个充电口：交流充电口，俗称慢充 ; 直流充电口，俗称快充。电池上只有一个总正接口和总负接口，快充口和慢充口都需要通过高压配电盒（PDU，Power Distribution Unit）转接到铜排（电池母线）上，再接到电池的总正和总负接插件。电池需要同时连接电控、DC/DC、OBC、快充、空调、暖风机等多种组件，PDU似乎必不可少。 为什么需要直流充电和交流充电这样两套系统？为什么需要在车辆里面增加一个“开关电源”呢？为什么不能将这“开关电源”拿出来，做成外置的小功率直流充电设备？对这些问题的深入思考和探索就产生了“慢充直流化”的概念和一种全新的充电系统。图2所示为两种充电系统的框图。图2表示出，在当前的充电系统中，交流充电设备主要有两种产品形态，一种是输入电压220V，输入最大电流32A的7kW交流充电桩(如果OBC是11kW/22kW，相应的交流充电桩也就是11kW/22kW); 另外一种是输入电压220V，输入额电流为8A和13A的模式2缆上控制和保护装置（本文简称“模式2充电盒”），功率分别为2kW和3.5kW。其中，模式2交流充电桩的最大特点是直接从民用插座取电。采用新型的充电系统，就是要去掉慢充口，OBC和交流充电桩也自然就不再需要了; 慢充的小电流充电功能通过外置的小功率直流充电设备实现。产品种类可能包括2kW便携式直流充电机，3kW-20kW移动式直流充电机，7kW-20kW壁挂式直流充电机，等。这些是新生事物，需要研究其应用场景及可商业化的产品形态，标准和技术路线。电动汽车本身也是一个新生事物，充电系统是构成电动汽车产业链和应用生态链的重要环节，它的技术路线不可能是一成不变的。随着市场的演绎，技术的进步，新品类的涌现，业内人士的认知会改变的。慢充直流化作为一种新的技术路线，它的市场驱动力主要源于：2.1 部分终端用户极少使用OBC和交流充电设备，存在规模性浪费。出租车，网约车，没有固定停车位的个人用户都很少使用OBC。在中国市场，这些用户当前阶段占了很高的比重。这是一种规模性浪费。2.2 OBC 11kW和OBC 22kW 产品逻辑上也同样存在规模性浪费。 车企有这样的产品逻辑：当车辆的续航里程提高了，所需电池容量就要加大，相应的慢充的功率也要加大，否则，用户体验就不好; 续航里程高的车辆，一般属于高档车型，用户体验很重要。 因此，有些车企在往11kW 甚至22kW OBC方向发展。但是，另外一方面的事实是，11kW OBC需要三相11kW交流充电桩配套，而具有三相配电的可充电停车位的车主占比很少。 因此，如果每一台车都配置11kW/22kW OBC和11kW/22kW的交流充电桩就显得非常浪费。 根据用户的配电资源来选择是配置单相7kW还是三相11kW/22kW小功率直流充电机就显得更加合理。 是否上OBC 11kW和OBC 22kW的项目，在车企内部的意见就很不统一，甚至有些车企将这个项目称为“见光死”的项目。2.3 部分车型更适合从仅有慢充口改为仅有快充口。PHEV、A00、部分微面车型， 过去只有慢充口，没有快充口，在市场应用中遇到诸多问题，比如高速公路上只有直流充电桩; OBC出现故障后，OBC供应商破产，车辆报废事件频频发生; 用户永远无法体验快速充电的缺憾是“硬伤”。快充口是任何电动汽车必不可少的，这已成为市场演绎后形成的共识。OBC故障率在很多车企都是排在电动汽车故障率之首。众多车型的OBC无法形成标准品，每款车的OBC是不一样的，可靠性训练非常困难。OBC中包含大量的接插件、分立元器件，品质控制极其困难。再沉淀若干年，OBC达到汽车级的质量指标如100ppm也是不可能的。汽车是一种高度复杂的集成产品。 谈到电动汽车的技术平台，其实很重要的一点是研究这些零部件是如何组合的，主要是讨论电池PACK、电机、电机控制器、变速器、VCU、BMS、OBC、DC/DC、PDU、BDU这些零部件是分还是合。 在过去几年，不同技术流派，分分合合，没有定论，也无法有定论。如果没有OBC，车上的这些零部件又该是怎样的分分合合呢? 是否可以将DC/DC做成双备份，将DC/DC的ppm做上去？ 是否可以将DC/DC的自然冷功率做得更大，DC/DC自然冷做到2kW，和PDU做成二合一？是否可以将PDU的接触器、熔断器等零部件分别集成到电机控制器、电池PACK、DC/DC或空调中去，甚至取消PDU？没有OBC，整车设计将更具创新性。2.6 成本，特别是研发成本和售后成本将大大降低。没有OBC，不只是没有了OBC总成，还包括了一些接插件和水管等结构件。节省的零部件可能包括：连接OBC输出端的高压接插件组件,连接OBC输入的低压接插件组件，OBC输入相连的水道结构件，OBC输出相连的水道结构件，PDU连接OBC接插件的对应接插件，PDU里面连接OBC输出的线束，PDU里面连接OBC输出的直流接触器，PDU里面连接OBC输出的熔断器。值得强调的是，在讨论成本时，不能将全生命周期的成本和BOM成本混淆，不能将完全不用配套任何充电产品的成本节省和有无OBC带来整车BOM成本差异的混淆。售后成本将是一个天文数字，但有些车企的工程技术人员在主导产品零部件定义时在不自觉地回避这个问题。对于有可充电的停车位的应用场景，充电方式多是以“慢充为主，快充为辅”。“7kW壁挂式直流充电机”代替“7kW交流充电桩+ OBC 6.6kW” ，技术上没有任何问题，标准上按照NB/T 33001-2018实现也没有什么特别大的问题。对用户而言，交流慢充变成了直流慢充，在功能实现上，配电上，安全上，用户体验上，相较于7kW交流充电桩没有区别。这种替代车企完全可以接受，用户完全可以接受。 这种替代有百利而无一弊。对于没有停车位的车主，即使配置有7kW交流充电桩也是浪费。如上所述，基于应用场景的分析，慢充直流化似乎是完美的， 但是，由于电动汽车是一个新生事物，存在一个所谓的“充电焦虑”：即使有可充电的停车位，停车位安装了7kW慢充（不管是交流慢充还是直流慢充），但是，出远门可能有“应急充电”的需求。 “模式2充电盒”作为一种随车携带的充电工具，在某种意义上，有点像传统油车随车带上“油壶”一样。它是一种心理安慰的存在。 它要解决的车企“痛点”也许是： “总会有用户可能需要应急充电的。作为车企，要保证我们给用户能提供完备的方案。”;“也许将来随着电动汽车和充电桩的普及，充电焦虑不存在了，但在当下，还无法下这个结论。” ;“假如消费者离开本城，出远门怎么办？ ”; “假如春节回老家农村，没有充电桩怎么办？”。如何“无感”替代“模式2充电盒”，这将成为慢充直流化技术路线上最坚硬的问题。小功率直流充电的产品形态仍然处在探索阶段。 总结前期的市场摸索和行业思考，功率等级、防护等级、安装形式（便携式/移动式/壁挂式/落地式）是三个重要的分类维度。其中，防护等级是区分市场应用和产品档次的关键指标。IP54及以下防护等级的，在市场上已涌现了7kW,15kW,20kW,30kW的便携式和壁挂式的小功率直流充电产品。这些产品主要是面向电动物流车市场，价格非常敏感，一定程度满足了当前阶段电动物流车市场的刚需。IP等级在IP66及以上的直流充电产品，将应用于乘用车市场，全面替代OBC，构成新型充电解决方案的长期主流产品。目前涌现的产品还不多，高斯宝新能源近期提出了“车规级，面向乘用车，防护等级IP67”的UCC系列产品概念并发布了首款产品UCC3500，作为面向35度电及以下车型、替代OBC的充电解决方案，既是一种应急便携产品，也是“一人一车”的微面型物流车和A00、A0级乘用车的日常充电产品。除了3,5kW之外，洞察市场，笔者判断：防护等级IP66以上、面向乘用车的小功率直流充电产品将包括下面四种产品形态：4.1 基于单相220V输入的2kW便携式直流充电机。 “无感”替代“模式2充电盒”。体积和重量是两个核心指标。防护等级需要达到IP67。 作为插电式混合动力车型和增程式车型的主要充电设备，也可作为B级电动车型应急充电设备。4.2 基于单相220V输入的3.5kW移动式直流充电机。针对35度电车型的细分市场，将“模式2充电盒”作为主要充电方式的应用场景，为车企提供了一种代替“OBC 3.3kW+模式2充电盒”的新选择。4.3 基于单相220V输入的7kW壁挂式直流充电机。 将是慢充直流化充电的主力机型，为车企提供了一种代替“OBC 6.6kW+7kW交流充电桩”的新选择。防护等级按产品不同档次区分。 4.4 基于三相380V输入的15kW/20kW/30kW壁挂式直流充电机。15kW/20kW/30kW在市面上有成熟的强制风冷充电模块。按照传统的大功率充电桩思维，用充电模块和钣金件做成单体15kW/20kW/30kW壁挂式充电桩或立柱式充电桩是一种固有的产品思维。 蔚来汽车联合高斯宝新能源推出了一款防护等级高达IP66的高端豪华型20kW壁挂式直流充电机，成为了行业标杆。图3是该产品的图片。图3 蔚来汽车联合高斯宝新能源研发的20kW壁挂式直流充电机2019年9月6日，中国电力企业联合会标准化管理中心在深圳组织召开了行业标准《20kW及以下非车载充电机技术条件及安装要求》编制启动会。会议听取了标准牵头起草单位深圳市高斯宝电气技术有限公司对标准编制背景及编制大纲的汇报，并对涉及到的两个关键问题和八个小问题进行了再讨论。这些问题主要是和代替模式2充电盒的2kW便携式直流充电机产品相关。 此前，针对该标准的制定已分别与2018年10月和2019年5月召开过两次研讨会。
标准的征求意见稿建议将小功率直流充电机按安装方式分为便携式、移动式和固定式。 其中，便携式应用于可连接GB/T 2099.1、GB/T 1002定义的插头插座，就是我们通常说的民用插座，并将输入电流限制在额定电流8A，大约2kW的充电功率。2kW便携式直流充电机的充电枪不宜采用现有的直流充电枪，因为枪头太大，枪线太粗。由于2kW便携式充电机的输出电流只有5A，理论上采用1.5平方毫米截面积的电缆就可以了，将2kW的直流充电枪做成和交流充电枪一样是可行的，但有一个安全上的隐患：在充电开始前，充电机和车辆都做绝缘检测，检测到绝缘下降会停止充电。但是，如果在充电过程中出现绝缘下降，枪线正和负之间的绝缘阻抗低，会发生什么故障现象呢? 如果是短路发生，充电机的输出端和电池端的熔断器都会熔化，反倒没有安全问题级的故障。如图4所示，如果枪线正负之间的绝缘电阻值下降到一定程度，电流大到足以使得充电机的输出端熔断器被烧断，充电机无输出，但是，该电流又不能烧断动力电池的输出熔断器，可能烧毁电缆甚至使电缆爆裂。电池的输出熔断器是基于电池的容量设计的，远大于1.5平方线缆所能承受的能量。 电缆爆裂或烧毁将可能带来火灾和人身安全，因此要找到可靠的解决方案。针对这个问题的可能解决方案有多种：1，在充电枪的枪头里加上20A的熔断器。 2，在充电枪里加上防反灌电路。3，充电枪的功率线达到16平方以上。 其中，第2种方案增加了充电枪枪头的复杂性，可靠性存疑。 第3种方案做成的充电枪枪线太粗。针对第1种方案，剩下的一个关键问题是这个应用上的熔断器应具备多大的分断能力，或者说，绝缘电阻下降导致的动力电池最大短路状态的电流有多大？ 动力电池的最大短路电流取决于电池的电压、容量、内阻、温度等因素，不同车型的最大短路电流需实测确定。一般小于20kA。按照额定电流20A、分断电压1000V，最大分断电流20kA做成的熔断器应能够安装在体积和交流充电枪枪头差不多大小的空间里，而且熔断器自身的发热损耗并不影响枪头的用户体验和长期可靠性工作。 这个产品问题目前已找到解决办法。本文概述了两种充电系统，讨论了慢充直流化的市场驱动力，应用场景，具体可商业化的产品形态，关键技术问题。慢充直流化已从概念阶段到产品阶段，市场的完全接受将是一个过程，前期从部分应用场景，部分车型开始。两种充电系统预计将有5年以上的共存时间。 
深圳市高斯宝电气技术有限公司以电力电子及相关技术作为核心，经过多年的研发投入和市场开拓，在新能源、信息设备、网络存储及服务器、通信设备等领域形成了系列产品体系。公司业务近年来均保持超过40％的年增长率。 公司一直坚持以研发为先导和超前的技术投入，建立以股份换技术的人才制度，使公司凝聚了一支掌握高尖端电力电子技术、在电源及新能源领域拥有丰富经验的资深研发团队。 公司多年来致力于研发具有自主知识产权的高技术产品, 保持产品线的稳定和有效扩展延伸，根据客户需要提供全流程的能源解决方案。 WattSaving是高斯宝电气下属充电业务子品牌和业务单元。WattSaving凭借高斯宝电气在电力电子领域的雄厚积累，厚积薄发，紧紧围绕充电业务，以平台技术为核心，构筑充电“芯”世界。WavttSaving旗下目前拥有全球体积最小的30kW 充电模块，全球体积最小的30kW隔离型充放电模块，全球体积最小的40kW燃料电池汽车用隔离型DC/DC变换器，全球体积最小的3kW电动汽车DC/DC变换器。WattSaving以充电模块技术领袖之地位蜚声业内。 WattSaving凭借深刻的市场洞察力，相继推出了从2kW-30kW系列小功率直流充电产品，包括便携式直流充电机SDC系列，壁挂式直流充电机KQC系列，家用式直流充电机SCC系列和落地式直流充电机LDC系列等。WattSaving现已成为直流充电机第一品牌。
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