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【金砖换电论坛】中车时代彭贇:《基于电力电子变压器的大功率充电技术探索》

点击数:92022-01-10 07:20:29 来源: 2021中国国际换电模式产业大会-开启共享换电新模式


12月23-24日,由中国充电桩网、充换电百人会、电动交通换电产业技术创新联盟、联联充电联合主办,国家电投&启源芯动力、国什能源协办,中国充电桩网承办的2021第二届中国国际换电模式产业大会(简称:金砖换电论坛)在上海大华虹桥假日酒店顺利召开。本届大会设置“论坛峰会+展览展示”,以“紧抓换电产业发展机遇,助力实现‘双碳’目标”为主题,既有企业细致入微的分析,也有行业专家为市场发展提出的设想与方案,共商强国大计,落实国家提出的“碳达峰、碳中和”战略目标要求,积极助力构建“双循环”新发展格局。

 


株洲中车时代电气股份有限公司轨道交通电气化与综合能源系统技术部部长彭贇出席论坛并发表主题演讲——《基于电力电子变压器的大功率充电技术探索》。

以下为演讲实录:
    
尊敬的各位嘉宾,行业的同仁们,大家下午好。很高兴主办方能给我们一个机会,来给大家介绍一下在换电这块大功率充电电源的技术发展分享。

首先介绍一下我自己,我来自中车时代电气股份有限公司,我叫彭贇。大家常规的印象,觉得中车是做高铁轨道交通的,实际上中车集团也是立足于交通,再加能源,我们在能源板块也有很多业务。
    
接下来我从三个方面给大家介绍一下我们基于电力电子变压器这条技术路线,在大功率充电场景下的探索和思考。
    
首先是大功率充电技术的现状,从2017年一直到现在2021年,这5年来不同的厂家,包括整车制造厂、运营商推出不同的大功率充电技术,像小鹏G9采用800V个高压直流,480KW的快充技术,实际上我们根据目前的行业发展情况来说,受限于电池高倍率充电的可靠性、安全性问题,实际上3C以上的大功率充电以后并没有大规模商业化。
    
传统的大功率充电技术有哪些问题?根据它的四个关键组成部分。主要有四个问题:
    
第一,系统的效率低。
    
大家可以从图中看出,从配电网里面10千伏或者6千伏电经过变压器,效率大概是98-99%,再经过380V线缆,中间如果是大功率的话,电流需要一个1.2兆瓦的充电站或者换电站,它的电流达到将近2000安。这种情况下,它的损耗还是比较明显的。另外,现在常用的基于20-40千瓦小功率的充电模块,它的效率实际上是95-96%左右。整体加起来,一个换电站或者充换电效率,再加一些辅助设备,可能在92%或者93%左右,甚至更低。
    
第二,占地面积相对较大。
    
换电优势是占地面积小,但是在换电里面,这些关键设备,其实像变压器、充电装置,以及终端等,在目前来说是一种分立配置的。它的系统集成度相对还是比较低的,占地面积也自然大一些。
    
第三,模块寿命在目前还是比较短。
    
一般受外部环境影响,如盐雾、湿气影响比较大,可能只有5-6年,这个模块本身的技术在进步,可能采用独立风道,一些其他的手段,提高防护等级,现在寿命也在增加。整体而言,和高端的工业级的电源寿命来比,还是有一定的劣势。
    
第四,在新型电力系统的要求下,目前这些传统解决方案很多还是单向流动。
    
刚才科华梁总和科大老总也提了V2G的双向流动,目前双向流动在充换电里面还不是主流。
    
我们针对这块的思考是什么?首先,在双碳背景下,我们要构建新型电力系统,刚才国家电投刘总讲了,在发电侧逐步新能源,用电侧要电气化,其实这两个都需要依托于电力电子设备。
   
 电力电子设备大家都清楚,其实就是沙子基于硅,电力电子化带来的实际上就是“硅进铜退”。电力电子变压器的方案是什么意思?依托于核心电力电子设备,以及采用高频隔离变压技术,实现隔离变压和能量路由的基本功能,替代现在电力系统里面传统的工频变压器。
    
大家可能有一个疑问,电力电子变压器和换电站到底有什么关系?我们很详细去思考,一直在探索如何给电力电子变压器找到适合它的场景,经过我们的思考和探索,目前换电里面的纯电动车辆电机平均功率大概在300千瓦左右,电池组平均容量大概300千瓦时,电压在500-750V的水平。
    
电力电子变压器模组,一个模组在300千瓦左右,在保证电池低倍率充电的情况下,又能够实现容量的高效利用,所以我们认为在重卡换电场景,电池它的持续充电功率大,充电电压高,是完美匹配电力电子变压器大容量这个模组的。
    
具体的解决方案是什么?
    
第一,把原来的开放柜、变压器和充电模块“多合一”,实现系统的更高的集成度。
    
第二,采用sic高效双向IGBT器件,可以天然实现能量双向流动,满足电网功能。
    
第三,在高压侧采用H桥高压机连,低压侧用高频隔离方案,在实现大功率、高电压的同时也保证安全。
    
第四,通过优化风道和高防护等级设计,实现系统全生命周期的成本和寿命,都有显著的改善。
    
这种解决方案里面有两个非常关键的技术,这也是中车包括时代电气一直最核心的能力,就是电力电子技术和相关的辅助技术。
    
首先用大功率的高频拓扑工程化,在这种高压下的绝缘设计技术,我们基于这种碳化硅的器件,探索了像DAB、LLC等高频拓扑,然后工程化,可以实现单个模组最大效率达到98.5%。
    
另外,考虑多项负荷的绝缘设计,可以实现主电路对地的冲击电压,这些都可以满足高的标准要求。
   
这种高频隔离变压器来说,我们采用大容量新型磁芯材料,最终可以实现体积减少大概60%,重量降低50%以上,并且耐压测试通过35000大概1分钟的水平,完全可以满足现在直挂到10千伏绝缘耐压的要求。
     
这是我们推出了类似于现在系统集成的方案,它是集装箱式的,把开关柜,把原来变压器的功能和充电电源全部集成在里面,可以实现交流侧输入电压6-35KV中高压直挂入网,输出相当于直接转为450-1000V左右,满足重卡高压的需求,同时支持在后端增加DCDC的自主选配,匹配不同功率需求。
    
另外是兆瓦级容量,支持多模组的并联,可以很方便的进行模块化的扩充。
    
最后是整体的系统效率,刚才讲单个模块效率现在可以做到98.5%左右,我们考虑到系统整个战略运维的损耗,最终整体系统效率可以达到96%,比现在传统的方案大概高4个点。占地面积,我们现在做到9个电池舱,一个300千瓦,大概占地面积只要20平米左右,就是一个9米大概30尺的集装箱,它也支持灵活迁移。其实灵活迁移,换电站本身可以,没有问题,换电站在电力接入的成本相对比较高。比如说像变压器的寿命可以到15-20年,甚至有的30年,但是作为电网的资产,在接入的时候,投资是由运营的客户业主投资的,但是整站迁移的时候,配电变压器这块很难迁移,采用我们这种方案,完全支持很快速、很方便的灵活迁移,在配电二次接电成本基本没有了。
    
第二,采用碳化硅双向的器件,它天然支持V2G功能。同时因为我们中车时代电气旗下有做SVG电能质量关键核心设备。我们现在的电力电子变压器同样可以实现像原来电能质量的一些功能,比如像无功补偿、谐波治理等,并且可以参与到电力市场的需求侧响应。
    
讲效益的话,以现在一个标准的配大概8个电池舱位的换电站,大概2.5兆瓦,系统效率提高4个点的话,一天接近20个小时运营时长,一天大概24万度电,按照5毛钱的电费,一年大概可以节约24万。
    
由于我们采用高压10千伏的极联,相当于电压水平直接提高,电流水平自然比380降低大概几十倍,所以电缆可以采用很细的,因为绝缘对电缆要求并不高,一个站的电缆成本也可以节约大概4万块钱,并且这个收益只是这两个关键点,也没有考虑设备利用率更长或者后边电费如果更高的话,收益率更加可观。
    
我们现在这个技术也源于在轨道交通的积累,前面在“十三五”,根据科技部国家重点研发项目,联合像清华大学、上海交大等高校做了先进轨道交通专项研制,我们基本开发出世界首台直挂交流25千伏50核磁电网的牵引电力电子变压器,也在时速140公里的动车组上完成了装车验证,各项性能指标达到比较理想的水平。
    
刚才科大智能的嘉宾也讲了能源路由器。轨道交通整个电力供应体系和电网其实有点相似,也是从源端一直到千域网,再到列车关键负荷,它里面含了各种制式的电压,比如说有交流1800V,直流1500V,甚至交流400V等等。所以它里面的能量流也是相对复杂,并且各种各样制式都有,我们把这种技术打造出来一个产品,也是应用于轨道交通的电动路由器,是一个典型四端口的隔离设计,它支持将牵引供电、动力配电、储能和光伏新能源可以安全便捷接入,完成轨道交通能源系统的调配。
    
最后是总结展望,这种大功率的充电技术根据自己的思考,它的场景相对来说受限。受限的场景里面,其实最本质的需求还是补能的效率,围绕补能效率比较高的场景,比如说像高速,即充即走类型,这种场景需要,因为它的电量比较大,功率也比较大。
    
另外是停-充复合型,我们可以把电力电子变压器后端配套DCDC,支持小功率并发补能场景。另外像车网协同、直流组网等等。
    
现在构建新型这种电力系统的话,其实电网和负荷的互动,现在提了很多概念。上海也走在前面,虚拟电厂上海基本走在国家前面,我们现在一个换电站里面电池的价值远远没有挖掘出来,既作为一个换电站,其实也既作为一个储能站。作为储能电站的话,它的价值是很多的,比如参与电网需求的响应、辅助调频等等,具备长期收益的潜力。
    
给大家介绍一下我们公司。
    
时代电气其实属于中车株洲所,中车株洲所创建于1959年,它是中车股份有限公司的一级子公司。历经差不多60余年的发展,目前有大概八大业务主体,拥有两家上市公司,一个是时代电器,一个是时代芯材(音),有11家国家级科研创新平台,3个博士后工作站,5个海外技术研发中心,并且有11家境外分(子)公司。
    
去年整体营收大概接近400亿,我们获得很多荣誉,最关键的就是高铁机名片(音)里面的核心装备是由中车株洲所时代电气提供的,我们也是获得了第二届的“中国质量奖”,当时我们作为工业界唯一的代表,华为其中获得相当于消费电子这块的。
   
时代电气股份有限公司现在在A股和H股双通道的资本市场上市,在A股是9月7日才回到科创版,现在市值接近2100亿,同时我们也掌握了变流、控制等十大核心技术,长期致力于除轨道交通以外,包括新能源、各种工业大功率电源综合解决方案的研发及销售。
    
我们公司也是立足于“两条钢轨”,围绕“技术”和“市场”两个同心,布局了多元化产业。们有半导体产业,有半导体事业部具备从芯片一直到最终系统的整机完整产业链的能力。而且我们具备强大的研发、售后、生产能力,现在我们工程人员大概7000人,大概占整个40%左右,而且以轨道交通丁院士领衔的。
    
最后介绍一下合作伙伴,我们不仅仅做轨道交通,我们在轨道交通以外,包括能源这块,和很多行业内的伙伴们共同合作,开创一些新的事业,比如像徐工、一汽等,我们都和他们有很深入的合作,甚至国家电投,和国家电投不仅在能源侧,我们在很多领域也有一个深度的合作。

我们作为换电行业的新兵,电力电器变压器有它的先进性,我们希望携手和行业内生态合作伙伴共同创造,共赢未来换电行业的美好未来。谢谢大家!
  
(注:本文根据现场速记整理,未经演讲嘉宾审阅,仅作为参考资料,请勿转载!)




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