张育铭：电动化交通高功率充电技术发展趋势
在“共攀须弥，技术峰会”中，行业专家学者、权威协会领导、知名企业代表就目前仍存在安全性不足、清洁能源占比低、智能核心技术缺失、能源使用效率不高、规模化发展制约多等诸多因素，本次须弥山大会的技术峰会聚焦产业发展中的共性难题，从技术角度提供思考。
星星充电高级副总裁张育铭带来题为“电动化交通高功率充电技术发展趋势”的演讲。内容实录如下：
各位大家好，非常荣幸，我对高功率充电在电动化交通的一些技术应用跟各位做一个介绍分享。目前，我们看到，高功率一些充电，最主要现在是用在轻轨的交通等领域，包括一些电动大巴等商用车。
当然，我们现在已经看到，比例如保时捷等一些豪华品牌电动汽车开始用350kW的充电桩，稍后我会具体介绍。我们现在讲的电动交通化的高功率充电，是先从火车的应用过来的，再发展到其他地方。我会针对整个电动交通化的一些发展过程做一下简单介绍，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详细的分享。然后，我们针对未来高功率充电会是什么样一个技术趋势做一个简报，并针对这些技术做一个简单的结论。
我们刚才看到，早上欧阳教授提到，电池的价格在2020年一度的成本会低于96块美金，这样在2024-2025年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，颠覆整个传统汽车概率就很大了。我们知道充电最主要是在家里面做慢充，未来会在外面做快充，那快充到底有多快呢?目前我们讲了，350kW充80%，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SOC到80%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250kW的快充，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,同样的电流，功率只有保时捷的一半。
另外，就现在技术来看，实际上高功率充电，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10kV到35KV，输出低压可能是220V，380V，这样一个变压器通常都非常重。比如，特斯拉大型充电站，这一个变压器可能都是好几吨。
后面，我们会有的一些新的技术。我们现在传统电源模块，有很多种， 15kW，20kW目前比较大家比较常用。国网定的标准是在20kW，我们认为单个模块功率会越做越高，会做到30kW以上，甚至做到60kW，然后模块做并联，这样并联以后，每一辆车子就有机会共享模块资源，根据实际需求去用100kW或用250kW去充或者350kW去充。
这是目前的技术，这种技术用低频变压器的话，效率大概是99%，其实还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%(包括线缆损耗PDU损耗等)，整个模块来看，一般的技术是做到95%-96%。
这个图展示的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，再往后可能有很多用碳化硅来做DC/DC，这样的架构可以做到效率高，同时整个系统还会比较便宜。
这就是早上李泽元院士提的，其实未来高功率碳化硅器件将会是主流。
这个是另外一个架构，也是李院士那边在研究的。因为碳化硅有一个特点，在零电压的切换，整个的软开关使损失大幅度的下降。我们认为这个是未来很重要的一个趋势，可以把整个切换的频率拉高到200k或者500k。这样，不管电感器的尺寸，还是高频变压器的尺寸，都可以大幅往下降。体积大幅往下降的优点是可以降低铜的用量，降低铁心的用量，也可以降低尺寸，进而降低成本。
这个是特斯拉标准的充电站，最左边是12kV输入480V输出低频的变压器，大概占地5平方米，重量1.8吨。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，后面再接一个箱体。那这个充电器箱体，目前现有的特斯拉系统都可能到135kW，这个是整个系统现在配置。
现在的充电站，差不多720kVA，可能会有6个充电桩，系统实际上占地的面积超过33个平方米，大概5.5吨。我们看到，实际上赵教授也在提电能路由器，是我们未来快充的趋势。因为电能路由器就机会把低频的变压器变成我们讲到的高频电力电子变压器相结合，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，我们实际上不能用变压器去跟电能路由器去单独比，要用整个系统的成本和体积去比，会得到非常多的优点，等一下我还会做详细介绍。
这个是另外一个快充站的架构，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/DC，每一个只能去充一个车子，因为车子跟车子有安规的要求，要做隔离。
因为这个隔离要求，我们需要中压变压器要有一个隔离。这个也是用在保时捷，350kW一个结构上面。保时捷的大功率充电方案里面用的可以看到，就是一个三电频的变换器，后面接一个DC/DC，目前都是用碳化硅去做的，效率可以做的非常非常高。
刚才说的是电动车，我们再来看一下电动巴士，电动巴士跟电动汽车差异不太大。我们看这张图，右手边是有一个变压器，透过一些缆线拉到充电的箱体，这左边就是我们做的受电弓等充电终端。
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，输出电压可能是在750伏，它是一个被动的整流，变压器是一个特殊的变压器，效率非常高，可靠度也很高，可是它有一个很重要的缺点，就是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刹车减速等能量再送回去给电网。在这个地方，未来用电能路由器我们只要做一个双向电能路由器，它就可以做能源回收，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，把轻轨上面装超级电容，或者装一些锂电池，这样你可以看到，左边是一个充电的受电弓，往上去接电轨，实际上它的输入电压也是刚才用这种传统式变压器及被动整流。因为它本身里面已经有电池在里面，再生制动能源可以存在车子里面的超级电容跟电池里面，这个是比较新的一个做法。
我们来看，整个比较简单的架构。上面这个，就是传统的一个架构地铁图，中压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变交流的，去推动马达。下面这个，是目前现在轻轨在用的架构，它在站上是用移相变压器，然后透过被动式的整流，整流完出来可能是750伏，1.5kV或者3kV，然后它会有一个DC/DC做快充，这里面有电池，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功能在这里面了。
我们再来看一下电动渡轮，这艘电动渡轮是挪威的，在挪威一些峡湾，左边右边有两个马达，去推动这个船。给渡轮充电的话，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AC/DC，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。
刚才讲最左下角变换器跟电池的话，它是做瞬间快充用的。因为刚才提，有一些渡轮，电网是不够的，所以类似一个储能系统，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，通过储能系统纯充电池，后面再接一个直流的充电桩，这个是可能用的一些架构，很简单一个三电平的架构去充电池，可能是用三电平或者用移相软开关功能PFC的电路。
刚才提这个都是既有的，在电动交通充电的技术，我们看看未来的一个方向。这个与刚才赵教授提的是一致的，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，只要做一个单体输入就可以做到12.47kW，类似三电平，后面用LLC的架构去做充电。
这个部分，因为10kV碳化硅还很贵，我们认为3-5年是会用1.2kV的碳化硅或者1.7kV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他们在很久以前就建立一个SST，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SST他们做的重量，包括成本还是偏高的。
个人认为，比如像美国在推，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，用马达去驱动。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，引擎加速反应不够迅速，所以有时候就没有办法很快去做补偿。因为电动马达会迅速反应，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，电池储能，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。在比较大范围大功率的，可能是50台，100台车充电的话，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，其实它的体积只有传统变压器二分之一到三分之一，它还有一个功能，他在空载实际损耗可以做更低。现在这种低频变压器，在没充电时候很大的铁损，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的应用会推展到更多应用场景的趋势，包括电动的飞机。还有整个充电市场，需要竞争的成本，还有更高的开关频率，軟开关技术，所以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重要角色，特别是在这种高功率的充电方面，结合智能电网，如赵教授刚刚提到，充电器对微电网作用也会越来越重要。
还有一个很重要的点，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和储能，让整个电动化交通可以用到再生能源!
我的报告结束，谢谢。
