【电动汽车百人会】 剑桥大学龙腾：适用于V2G的车载充电器技术

1月11-13日，中国电动汽车百人会论坛（2019）在北京钓鱼台国宾馆召开， 剑桥大学电力电子应用实验室主任龙腾发表了主题演讲，演讲内容如下： 

非常感谢EV100的邀请。

刚才听了很多专家学者关于政策面和整个规划上面的精彩演讲，作为一名大学老师，而且作为电力电子技术方面的一名科研工作人员，我想给大家讲的更多是关于关键技术、关键设备的一些看法和一些新技术的介绍，以及我们实验室在这方面做的一些成果，跟大家进行一些汇报。

我今天讲的主要内容，首先给大家介绍一下我领导的剑桥大学应用电力电子实验室，然后给大家简单介绍一下电动汽车充电系统，我们今天讲了很多，但是实际上有非常明确的标准，我想给大家简单介绍一下为什么我们定了这项标准，定这些标准的关键因素是什么。后面会有一段关于车网融合里面的关键技术，也就是双向能量，双向车载充电器。其实最早的电动汽车充电器都是单向的，不适合做V2G，但是实际上我们要达到V2G这个概念，关键技术是必须要进行更新的。最后今天我们也有其他专家提到过，就是无线电能传输技术的发展，以及我们电力电子实验室在这方面的工作。

第一剑桥大学应用电力电子实验室。

我2016年年底回到剑桥大学，拿到了终身教职，并且组建了我们这个应用电力电子实验室。在之前我在通用电器公司工作过若干年，我们在过去两年的发展非常迅速，现在实验室已经有4名博士后研究生，6名博士生以及3名硕士研究生，都在我的领导下。我们在过去两年非常幸运的拿到了很多研究方面的资助，超过了100万英镑，也包括影响政府自然基金理事会的项目，以及英国商务部Innovate UK的项目。

应用电子跟工业界联系很紧密，我虽然在海外高校任职，但是作为一名中国人，非常愿意和我们祖国的企业有更多的合作，我们可以说有三分之一以上的研究经费是跟我们中国的企业进行的合作，包括上汽集团、中车和中船重工，后面也会介绍一些相关的项目。我们所谓应用电力电子学主要的内涵是什么？我们会研究新型的电路拓扑，以及新型的新出来的半导体以及磁材料在能量转换装置当中的应用，特别适合于我们现在的交通电气化以及新能源方面的应用，我们知道无论是电动汽车、风力发电、光伏，里面很重要的就是如何把电能从不同的形式进行转化，达到更高的效率，并且能够适应不同的应用。

第二电动车充电系统结构。

为什么我们有的说是快充，有的说是慢充，包括直流、交流充电，到底是怎么定义的？实际上很简单的道理，一种是直接给车上面的电池充电，就是我们所谓的直流充电，它需要的就是把我们电网的交流电在车外进行一个转换装置，一般情况下是非常大的功率，都是百千瓦级以上的，像特斯拉的超级充电桩，包括今天ABB介绍了很多快充的方式，直接对我们车上的电池充电。但是我们并不是在很多地方都能找到这种超级的充电桩，更多的还是用我们普通的交流充电，包括家用电或者家用电进行初步改造的所谓的家用快充。这就依赖于我们车上的OBC，车上的充电装置，它其实是我们电动车当中非常关键的部件，没有它，我们无法进行汽车的充电，也就是所谓的小区、路边或者是家用充电无法实现。

为什么22千瓦以上是快充？直流快充为什么定在22千瓦？实际上跟我们电网中的电流断路器的等级有关。我们一般在交流配电网，电流是只到32安培，在32安培再往上，我们必须有一个专门的配电网进行改造，换句话说，我们如果想有这种超级充电桩，或者相对比较大规模的充电站，当地的基础设施是必须要进行改造的，或者是进行重新建设的。它就相当于对我们的基础设施要求比较高，同时也受电网的一些限制，并不是所有地方，所有的配电网都允许我们进行超级充电或者说在百千瓦以上级的充电桩，因为可能电网受不了你的负荷，并不是技术达不到，阻抗过于高或者是上端容量不够高，都是限制我们快充的建设。

我们在22千瓦以上的快充，我个人认为不适用于车网融合，不适用于V2G。大家都是驾驶员，你开车，当你需要在百千瓦以上的时候，需要迅速对你的开车里程进行增程，往往都是很急着要离开，要把电充完了之后再去下一个目的地。这个时候，我们认为从商业来讲，没有一个特别大的兴趣在这个时候把电以这个电网反馈给这个储能装置，我个人认为，也是其他一些学者认为，在快速充电的情况下，V2G并不一定适用。V2G适用的是Level2，就是6.6千瓦以及22千瓦这种家用快充。为什么还有一个区别？就是所谓单项电跟三项电的区分。如果我们要做这种6.6或者22千瓦的家用快充的话，就像刚才讲到的，必须依赖于车上面的OBC的车载充电器。对于车载充电器来讲，我们首先要把交流电230伏或者220伏转成直流，然后再进行直流变换，跟我们车上的电池进行充电。这个6.6千瓦和22千瓦怎么来的？全世界的一个标准，就是配电网的电流不会超过32安培，如果是单项的话对应的就是6.6千瓦，如果是三项的话，对应的就是22千瓦。给大家一个启发，我们国内的配电网，单项系统很多，三项系统很少。如果能够给出三项系统，就相当于直接是三倍的充电速率或者充电能量。在不大规模改变配电网电流保护设施的情况下，你能达到三倍的充电，何乐而不为？所以我们认为很小的一步，只是把一个单项的变成三项系统，就能够加速充电速度。

6.6千瓦跟22千瓦，这32安培，我们一般情况下家用默认的电流等级是16安培，虽然会变成32安培，也就是很多小区加一个充电表或者是一个充电的接口，其实仅仅就是换了一个电流的断路器，加了一个电表在里面，并没有特别大的进行改造，所以其实成本比较低，而且也相对比较容易。

V2G当我们需要从移动的储能装置，也就是电动汽车跟我们电网进行回馈的时候，我们认为这个时候当你并不是需要非常快速充电的时候，你还是有这个机会，比如在你家里面需要用车的储能，给家里面的设施进行削峰填谷，还有一些电能可以进行买卖的交易，更适用于Level1和Level2，这种非超级块充的充电等级，完全依赖于我们车载充电器来实现的。

第三适用于V2G的车载充电器技术。

刚才说到V2G，我们继续再讲一下，这一块很多专家学者已经介绍了很多，我就再非常简单的概括说一下。比如这个车变成了一个储能装置，特别在国外有很多家庭，自己有自己独立房屋的时候，配套的新能源，无论是屋顶光伏还是小风电都可以用于车作为储能，所以当他们有额外能源的时候，也可以储存下来。同时也可以用所谓的削峰，当负载非常高的时候，可以用储能进行回馈。

还有一点，可能今天没有特别多的提到，其实可以作为一个应急供电，今天听到尼桑的高管给我们讲到，在日本他们出现灾害的时候，可以用移动的储能装置进行紧急情况下的紧急供电，这个是非常有用的一个环节。另外一点，今天我们非常惊喜的看到，很多同行谈到了，实际上我们做储备，咱们是电动汽车，或者是路上交通工具，但是V2G，这个V是Vehicle，是交通工具的意思，并不一定是陆上的交通工具，也可能是海上面的。特别是我们内河航运中，现在希望用全电动的船舶，在内河航运比较安静，污染很少。同时内河航运有很多的拐弯，因为是河道，所以对动态性要求更高。如果用电能的话，对这个船的动态性能也会更好，也会更为节能。我们跟中国的中船重工也有一个长江航运上内河航道全电动船的项目，同时我们也说，对于船载的充电也可以进行能量回馈。比如说岛屿之间的联系，比如在沿河城市之间能量的传输，也就是说能量不一定需要通过电脑来进行传输，也可以通过交通工具来进行传输。

说到车载充电器，迅速跟大家分享一点技术细节。我们说车载充电器现在我们能达到的要求跟英国国家汽车协会说，到2035年，他们认为车载充电器的功率密度要是我们现在的7倍。2035年并不是很长远，所以我们其实很紧张的一件事情是，如何能够把这个车载充电器真的做得功率密度非常高，在同样的工艺下做得非常小。我们看到的一点是，车载充电器中，大部分被动器件，比如电容、电感、变压器占的体积是非常大的。我们的想法就是，我们如何可以把这些被动器件的体积减小？可以用的方法，我们可以用新的半导体技术，可以用新的拓扑结构。

在这里面简单为大家介绍一下相关新的技术，比如所谓新的半导体技术，所谓的碳化硅、氮化镓，它们的一大优势就是，在同样耐压情况下，用的材料比硅少得多，同样的体积或者面积也会减小。如果用类似的材料情况下，由于耐压高，对应内阻小很多，损耗就会少很多，损耗低，意味着产生的热少，意味着散热器件就会变得小很多。所以新的半导体器件，氮化镓是未来车载充电器当中很新的技术。

除了半导体技术以外，新的磁性材料，新的半导体材料可以有非常高的开关速度，但是不能只用半导体材料作为变频器的一部分，还需要变压器这样的装置。如果是一个50赫兹同样功率的变压器，右边是20千赫兹同样功率的。你可以看到，当把频率增加了之后，体积会减小很多。所以新型的高频率、大功率的磁材料，也是我们未来能够减小体积或者增加功率密度一个非常重要的技术环节。

总结一下，新的半导体材料，新的高频率、大功率的磁材料，新的电路拓扑封装以及高度的系统继承，更多的是从控制和电路情况下来解决问题的。我们认为，未来很有可能你的充电桩是从很多分离式的器件，电感、电容在一个电路板上面完全集成到一个像芯片一样大小，或者类似纸片一样大小的装置。这样的话，可以减少更多的体积和重量，这些体积和重量可以用来搁更多的电池，车的性能会更好。

我们利用一种新型的控制方式，很好的减小了承载充电器直流电容的体积，具体细节不跟大家讲我们的具体技术是什么。给大家看最后的一个结果，我们做了一个样机，最左边红框里面是我们需要两颗电容的大小，右边有很多白色的圈，这个圈实际上都是可以放上我这个电容的。如果用我们这种新型的控制技术，只需要两颗电容。如果不用这种新兴的技术，我们需要18颗电容。所以大家可以看到，用一种新型的控制方法，可以减小大量的材料使用，成本可以降低，可靠性可以提高，同时体积、重量也可以减轻。

第四适用于电动汽车的无线电能传输技术。

有学者认为，无线传输实际上是我们所谓的电动汽车、智能电网自动化和车之间互联中的一个核心技术。为什么这么讲？我个人认为是这样，因为无线电能传输实际上不需要人的介入，可以完全是一个自动的过程。这样的话，可以把充电变成驾驶中的一部分。如果我们是普通的充电或者是加油，都会到一个专门的地方去充电或者加油。以后可以完全分不开，分布在路边或者是红绿灯，直接分布在路上所谓的动态充电，没有意识想要再充电这个事，变成了充电的一部分。还有一个好处，就是对电池有好处，所谓的少量多次。我们知道，电池的充电深度对电池的寿命有影响，如果我们是电池用得很多，大量的进行充电的话，对电池的寿命有很大的影响。而如果我们把每一次的充电量减小，充电时间缩短，充电次数增多，对电池的充放电深度可以降低很多，对电池的寿命有额外的好处。这也就是我们为什么说不光是不需要人的介入，对车是有好处的。

我们的同行，包括韩国的同事，包括高通，美国的橡树岭实验室都做了非常不错的相关工作。为什么无线充电能够把电能进行无线传输，基本原理就是把我们的工频50赫兹或者60赫兹的电能转换成高频，几十千赫兹，甚至可能是小功率的，上百千赫兹的磁场。高频率的磁场可以穿越空气，这样的话，接收端可以把高频的磁场再转化成直流电，对电能进行传输。大家也可以看到，这个里面的核心就是电跟磁在不同频率下的转换。

我们如何差异化我们的研究？刚刚提到，磁材料是很重要的，所以我们找到了一种新型的纳米金合金代材，作为磁材料，我们是用铁氧体本身饱和非常低，另外很脆，另外如果想把无线充电装置放到地上或者车上，我们不希望它坏了。我们用这种纳米金合金代材，实际上是一种铁金材料，是一种金属，可靠性或者是机械强度都要高很多，所以更为适用于无线充电。同时，它有更高的饱和，我们下面三个图可以看到，有更低的损耗，有更高的磁导率，都意味着用这种新型材料能够让我们这个无线充电成为更加的可能。这个方案我们是全世界第一个，也是目前唯一一个提出来的方案，我们也做了一个22个千瓦的样机，非常成功，就在我在剑桥的实验室。

我是最后一个演讲嘉宾了，给大家分享一个我两年前拍的一张照片，这是在我家旁边，在知春路旁边我看到送外卖的电动车，当时我特别兴奋，非常整齐划一，非常干净，他们代表了新能源的发展趋势。但是我几乎是立刻就非常扫兴，我拍了路对过的另外一张照片，就是整个车的充电装置。大家可以看到，所有的线绕在一起，不同的充电，不同的标准，可能还会有火灾的危险。这意味着什么？我们说未来的电动汽车，结合我们车网融合的概念，不光是车本身，还有我们的基础设施，所以我们需要一个新的基础设施。后来一年之后我又拍了一张照片，我发现大家可能也意识到了这个问题。如果我们现在没法让电网进行改造的时候，他们做的事情就是，滴滴他们做了一个车载的大型电池，自己戴好了适配器，给这些快递小哥，到他所谓的奶牛车，车给车进行充电，就是V2V，或者是V2D，已经做了很多的进步，但是大家还需要继续努力。

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