曾几何时,充电难、充电时间长等技术性问题是限制新能源汽车(电动汽车和插电式混动车)推广和发展的“拦路虎”。随着新能源汽车的日益普及,越来越多的消费者希望能够拥有像传统汽车加油那么快捷、方便的使用体验。为了满足这一消费需求,大功率快速充电和无线充电两种技术受到各大厂商的追捧,尤其是“快充技术”已成为很多厂家市场推广的“卖点”之一。
无论是特斯拉还是今年新上市的自主品牌纯电动车型,均搭载了快充技术。目前,电动汽车的快充技术可以在数十分钟内将电池充至80%,明显快于慢充的7-8个小时(甚至更长的)充电。
而政策对快充技术扶持同样不遗余力,例如2017年1月1日正式实施新的财政补贴方案中,新增的快充类新能源客车每千瓦时补贴额度为3000元,较非快充类高出67%。
在政策和市场驱动下,电池企业也积极推进快充技术的开发。当下主流快充动力电池技术有三种:
第一类钛酸锂动力电池,正极采用三元材料,负极采用钛酸锂,快充倍率获得市场肯定。以珠海银隆钛酸锂电池为例,6-15分钟即可充满电,只不过成本高和低能量密度缺陷同样明显。
第二类多元复合材料快充电池,正极采用三元材料和锰酸锂混合体系,负极则采用多孔复合碳,由于多孔复合碳的比表面积比传统石墨的要高出20倍,从而进一步提升快充的性能。不过,同样也存在循环寿命短和安全性问题。
第三类磷酸铁锂快充电池,在成熟体系内进行优化和潜力挖掘,正负极采用小粒径、大比表面积材料,以满足锂离子快速嵌入和脱出,降低电解液黏度以提高锂离子迁移速率;材料成本相对较低,再结合成熟的技术及稳定的产品性能,磷酸铁锂快充电池发展潜力巨大。
尽管目前快充锂离子动力电池的应用还处于小范围使用阶段,快充模式为纯电动公交车运行带来了极大的便利,首先电池组配置容量减少,降低了成本;其次,随着搭载电池的体积和重量的减少,提高了车辆的空间使用率和安全性,快充也大大缩短了充电时间,增加了运营收益。
2017年前三批《新能源汽车推广应用推荐车型目录》中,累计有近40款客车快充倍率均在5C以上,目前快充动力电池主要应用于新能源客车,尤其是公交系统的成功应用,获得市场验证,并已经形成规模效应。
所以,虽然高倍率快充技术应用于乘用车和专用车市场的占比限制还很小,但延伸的趋势非常明显,未来潜力和提升空间巨大。正因如此,在开发快充技术的公司也得到主机厂的日益青睐。
以工信部9月初发布的新能源汽车推广应用推荐车型目录(2017年第8批)为例,该目录中快充类客车有13款,其中9款产品快充倍率超过5C,最高能达到5.27C。与第8批目录相比,有11款快充车型数量相对增长较多,快充水平也明显提高。
本田公司CEO八乡隆弘不久前透露,本田正在研究全新的快充系统,有望实现充电15分钟,续航达242公里。面对充电难的问题,本田也在研发汽车上应用的无线充电技术,减少驾驶者进行充电的次数,让驾驶电动车更加方便愉快。
丰田正在开发的新型电动汽车将使用全固态电池,仅只需几分钟就可以完成充电,使得充电过程与现在加油的时间差不多。丰田公司认为,在新一代电池中,固态电池是最适合应用在电动车上,现在丰田和日本研究所正在开发,主要是固态电池的标准生產流程,期望在2020年初将其商业化。
而日本东芝公司日前宣布开发出新一代电动车专用锂电池,快充仅需6分钟。
据介绍,与一般采用石墨作为负极材料的锂电池不同,这种锂电池使用钛铌氧化物作为负极材料,具有能量密度高、可超快速充电等特性。传统电动车锂电池快充30分钟也只能充到约80%的电量,新一代锂电池快充仅需6分钟就能充到90%的电量。东芝公司测试用的电动车充电6分钟后最终跑了约320公里。
这种锂电池在充放电5000次后,依然可以维持90%以上的电池容量,且在零下10摄氏度的低温环境下仍能快速充电。东芝公司表示已做出了容量为50安培/小时、巴掌大小的新一代锂电池样品,并计划对其进行完善,争取在2019年推出正式产品。
而戴姆勒卡车最近也领投了以色列电池技术初创企业——StoreDot公司(6000万美元),后者致力于研发电动车的电池快充技术,使其充电时间(约5分钟)与内燃机车的加油时间相差无几。该公司于今年初推出的一款电池样品,能够在5分钟内为电动车充满电,使其续航里程数达到300英里以上。
需要指出的是,无论通过何种方式实现大功率充电,都会对电动汽车的高压系统带来严峻的挑战。北京新能源汽车股份有限公司技术高级经理白健介绍,大功率充电技术需要改进PEU(动力控制单元),如:MCU(电机控制单元)中IGBT(绝缘栅双极型晶体管)需要重新选型、OBC(车载充电机)输出侧变压器需要调整、电容和二极管等元器件要选用900V以上的耐压等级器件;DC/DC方面,也需要调整输入侧变压器;动力电池系统(BMS)和整车控制系统(VCU)方面,主要是温度方面传感器的增加,控制策略和保护策略的调整和设计。另外,高压线束方面也需要进行优化设计。
不过,并非某些人认为的那样——快充会对车辆电池产生更多的损耗。其实无论是直流电快充还是交流电慢充,只要充电的界限控制在1c,也在就是1小时以上充满电就不会影响电池的寿命。
中国电动汽车百人会执行副理事长欧阳明高曾表示,大功率快充技术对于整车成本有较大影响,以碳化硅为例,目前碳化硅成本高,尚处于换代研发期,预计到2025年才有可能实现规模化。
即便如此,欧阳明高仍然认为我国需要启动大功率充电方面的研究。他表示,我国要围绕大功率充电展开超前研究,整车企业可以先进行尝试,也为标准的制定积累数据和经验。而到2020年前后,我国必须要把大功率充电的问题摸透,届时将进行相关标准的制定。
来源:第一电动网
作者:电动大咖·新能源汽车
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