充电5分钟、续航200公里的时代什么时候才会来?

2020年11月16日23:40:04 汽车 1777

当电池容量不可能无限制增长时,快充技术就一定会发展起来。智能手机的发展已经证明了这一路径的可行性,那么电池技术进步更加缓慢的电动汽车,什么时候才会有快充技术的实质性进步呢?

童济仁汽车评论丨辰巳

面对电动汽车的续航焦虑,动力电池能量密度提升和充电速度提升,哪一个会率先发生跨越式突破?

如果从1990年通用EV1发布开始算起,在电动汽车发展的前25年里,提升电池能量密度都是行业关注的焦点,而核心思想就是不断探索新的电池正极材料。

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但是,每一种电池材料都有其能量密度的理论上限,而且能量密度越高,电池特性越活泼,对于电池控制管理的要求也越高。到了2020年,磷酸铁锂电池又重新回到主流市场的视野,就是放弃了对能量密度的单一追求,转而全面考虑电池安全、成本与能量密度的平衡。

于是,对充电速度的提升开始得到更多的重视。

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相比电池能量密度提升遇到的瓶颈,快充技术的发展事实上也有不少未知。这些未知,既存在于技术层面——电池、充电桩、功率元器件三者的协同,也存在于标准法规层面。

▎提升充电功率,先提升电压

在2019年之前,主流电动汽车的高压系统都是400V,而充电功率的提升就是对充电电流的提升。比如,特斯拉超充从第二代120kW提升至第三代250kW,就是在400V的电压平台下提升充电电流。

但是,当充电功率达到250kW时,最大充电电流已经超过500A,想要再进一步提升功率,只能靠提升电压。从目前公开的消息看,包括保时捷、奥迪、捷尼赛思等豪华品牌电动车均已宣布采用800V高压系统,通用的电动版悍马、领克浩瀚SEA架构也采用了800V高压系统。

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从400V提升到800V,看起来很美好,但是意味着电动汽车所有的高压元器件及管理系统都要提高标准,首当其冲的就是逆变器。

在电动车上,动力电池毫无疑问是最贵的零部件,排名第二的就是逆变器。

传统IGBT通常适应的高压平台在600-700V左右,到了800V高压就必须要采用碳化硅材料的MOSFET半导体。去年9月,德尔福宣布推出800V逆变器,并宣布将会为一家“全球高档品牌”在2022年推出的新车供货,比亚迪也在汉EV上首次采用碳化硅做高压系统,不过高压只达到了600V级别。

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不过,碳化硅器件目前面临所有新事物都会存在的两个问题:供应量少、价格高。汉EV初期产能不足,碳化硅器件的供应跟不上是重要原因之一,德尔福碳化硅器件的初期订单也主要集中于欧洲豪华品牌,有足够的单车溢价能力支撑成本的提升。但是,产能提升和价格下降,同样也会呈现正相关。

想提升充电功率,先要提升电压。因此,800V高压平台在电动汽车自上而下的普及,会是电动车行业一大趋势。

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▎大功率充电对电池有什么影响?

大功率充电要求动力电池有更高的充电倍率,这和传统意义上纯电动汽车采用能量型电池的特性是矛盾的。

以达到250kW的特斯拉第三代超充为例,最大充电电流约为520A,按照Model 3长续航版电池216.2Ah的额定容量计算,充电倍率约为2.4C。随着充电功率进一步提升,对于充电倍率的要求也在提升。目前行业较为统一的认知,是充电倍率需要达到4C,才能满足400kW的充电功率。

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但充电速度过快,电池内锂离子从正极向负极运动的速度就会加快,会在负极表面形成结晶,降低负极效率,从而降低电池的实际容量。

中国汽车技术研究中心曾经做过一个测试,将三台测试车在同样的初始条件下以不同的功率条件充至满电,然后进行同样的NEDC循环,计算续驶里程在慢充与快充条件下的差异。

结果表明,三台车快充后的续驶里程相比慢充分别下降了13.7%、16.5%、4.5%,差异最大的一台车,快慢充的续驶里程差距超过了40km。

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电池组充电结束,取决于性能最差的电池单体,而不同的充电功率会造成电池组内各个电池单体电压不均衡。小功率充电下,充电时间长,电池包内部各个单体能够缓慢维持电压趋于均衡;而充电功率大幅增加时,单体无法在短时间内保持均衡状态,整个电池包电量未能达到最大容量就已无法继续充电。

还是以特斯拉超充为例,尽管V3超充相比V2超充最大功率高出一倍,但是在55%电量之后,两者充电功率几乎一致,也就是尽可能保证电量能够充满。

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所以,在电池系统提高电压的瓶颈之外,电池充电倍率的提升以及为此而要解决的容量降低问题,将会是充电速度提升的另一个瓶颈。

▎标准落后于技术,厂家都在观望

目前,我国采用的电动汽车充电标准是2015年颁布的《电动汽车传导充电系统国家标准》,其中国标直流充电口参考了日本CHAdeMO组织开发、广泛应用于日本及北美等地的充电口设计,最大电压与电流分别为950V、250A。也就是说,在现有国标的框架下,最大快充功率被限制在240kW以内。

所以即便行业已经具备快充研发与配套的能力,但是国标的相对滞后,也会增加他们的观望情绪。此时,车企及充电供应商有两个选择:推行自有标准,或者等待国标更新。

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在中国这个全球最大的电动车市场上,执行包括硬件接口、软件协议在内的自有标准,显然不是一件明智之举。一度选择自有充电接口的特斯拉,最终也换回了国标接口,对于其它体量较小的外资品牌而言更加不可能在这件事上自立门户。

所以,车企和充电供应商普遍选择了第二条路——等。星星充电已经给自家500kW的大功率充电桩进行了对口测验,普天新能源、特来电等也有400kW以上充电桩的技术储备,将根据国标的推进情况适时投放。

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此时,新国标的发布计划就显得格外重要。而国标的推动,又与重点企业的技术推动紧密相关。根据此前媒体报道,新版快充标准预计会在明后年推出,电压和电流上限分别提高到了1500V和600A,最大功率可以达到900kW。

一旦新国标推出,相关企业目前的大功率充电桩就会稳步推进,车企也会加快对快充适配的步伐。

▎写在最后

早年间,大家对智能手机的要求,往往是电池够大,以保证使用续航。但是能量密度达到瓶颈后,近年来30W、60W乃至120W的快充宣传已经深入人心,成为智能手机行业的主流。因为充电功率的快速提升,量变产生质变,消费者使用手机的习惯也在发生变化,由此催生了很多新的生态。

电动汽车同样也是如此,现在长续航Model 3可以在超充上5分钟充至120km的续航,其实已经改变了很多特斯拉消费者的用车习惯。而如果达到400kW以上充电功率的充电桩逐步普及,真正实现充电5分钟、续航200公里,将会对整个行业的技术走向、电动车的用车生态产生质的变化。

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