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大功率快充技術升溫“虛實”

2019-08-13 · 來源: 高工電動車網 關注度:8710 次
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摘要:“大功率快充”這一概念因為各路車企發聲迅速升溫。這是否也意味,大功率充電在國內短期內有望實現呢?

隨著新能源車市場不斷升溫,動力電池相關技術也在成為國內外汽車廠商發力的重點。其中,大功率快充技術近來曝光率極高,且備受矚目。

大功率快充通常指,充電功率在350kW或以上,10-15分鐘可充滿電(4C-6C),并以單槍方式給動力電池充電的技術。(充電速度業界通常用“C”倍率來表示,簡單理解就是1C充電,即一個小時充滿,2C充電,即半個小時充滿,數值越大充電速度越快。)

近來,歐美電動汽車對“大功率快充”炒得尤其熱鬧。

日產與美國最大電動汽車快速充電公共網絡EVgo將聯手在美國全境建設200個直流快速充電站;四大汽車巨頭合作建立的lonity充電網絡,計劃到2020年在歐洲主干線上修建約400個充電功率高達350kW的大功率充電站。

保時捷旗下首款電動跑車Taycan的800V超高壓電氣系統更是賺足了眼球;而特斯拉將會會部署SuperChargerV3,最大充電功率為250kW。

“大功率快充”這一概念因為各路車企發聲迅速升溫。這是否也意味,大功率充電在國內短期內有望實現呢?

事實上,由于大功率快充應用的前提是對冷卻技術、IGBT、動力電池冷卻監測、電動汽車電壓等級及其安全性,電網負荷的整體解決方案,換言之,以上任何一項都是制約其大規模應用的瓶頸。也就是說,時下火熱,是別人家的“火熱”,在國內,現階段的技術儲備和驗證還遠遠不夠。

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➤國內實現大功率快充的技術與應用挑戰

目前,我國大功率快充技術尚未完成模式驗證,行業標準也未指定完成。簡單從電壓或電流兩個方向來看,提升電壓意味著動力電池、電氣零部件的電壓等級都提升;提升輸出電流,意味著充電樁上增加冷卻措施及其穩定性及其關鍵,這樣一個電壓電流的問題在實際操作層面就成了車企、電池、充電樁需要共同面對的問題,涉及的材料,元器件更是紛繁復雜。

比如,據北汽新能源技術高級經理白健介紹,大功率充電技術需要改進PEU(動力控制單元),如:MCU(電機控制單元)中IGBT(絕緣柵雙極型晶體管)需要重新選型、OBC(車載充電機)輸出側變壓器需要調整、電容和二極管等元器件要選用900V以上的耐壓等級器件;DC/DC方面,也需要調整輸入側變壓器;動力電池系統(BMS)和整車控制系統(VCU)方面,主要是溫度方面傳感器的增加,控制策略和保護策略的調整和設計。另外,高壓線束方面也需要進行優化設計。

再就是,如果把動力電池的電壓提升,那么電流輸出就會相應變大,那么充電電纜的發熱量也會變大,發熱量大就要上冷卻措施。

目前用的主要是液冷系統,即在充電電纜上鋪設一個冷卻的液體回路,就類似于空調的壓縮機,把壓縮機裝到充電機柜里面,然后液體回路裝到充電電源里面去。但是,這就帶來了一個非常突出的問題:一旦冷卻系統失效,會將用戶放到一個極其危險的境地。

比如,今年4月左右,一臺保時捷在歐洲某家4S店內充電起火,業內人士分析是冷卻系統失效所致(不過,保時捷官方并沒有給出個正式說法)。

另值得一提的是,充電系統與車輛的接口與充電協議。當充電功率達到350千瓦以上時,其接口與充電協議的規范就是另外一套體系了,在國內從技術實現上來講依然需要時間。

除了上述制造方面的技術、研發等方面問題,還一個比較大的難題是如何應用大功率快充。如果大功率快充規模化,其對電網負荷要求也極大。

以杭州為例,截止2018年擁有機動車數量244萬輛,如果按照新能源汽車到2025年20%左右的替換率,疊加機動車復合增長數量,到2025年至少擁有50萬輛新能源汽車,如果按照高峰期2%新能源汽車使用大功率快充,即1萬輛,以350KW大功率充電為例,需要新增負荷約350萬千瓦,而目前杭州市區負荷總計約500萬千瓦,這幾乎是不可能完成的任務,更別提尚未計入的慢充樁,普通直流快充樁的負荷。

早在2016年,中電聯牽頭成立了大功率充電標準工作組,對大功率充電技術進行了探討和研究,也做了相關實驗和設計。

中電聯標準化中心副主任劉永東表示,大功率充電技術是現有2015版充電技術路線的補充,在今后很長一段時間內,大功率充電技術是在一定場景下的應用需求,將和現有充電技術路線長期并存,不會替代現有充電技術。這也從側面印證了大功率充電尚存在著技術和應用方面的雙重難題。

不過,他同時也認為,大功率充電技術作為一項系統工程,從技術提出到完成標準制定,需要2-3年時間,為了適用2020年前后汽車的發展規劃,有必要現在抓緊開展大功率充電技術的研究、工程實踐和標準預研工作。

持這種觀點的還有中國電動汽車百人會執行副理事長歐陽明高,他指出,“我國要圍繞大功率充電展開超前研究,整車企業可以先進行嘗試,也為標準的制定積累數據和經驗。而到2020年前后,我國必須要把大功率充電的問題摸透,屆時將進行相關標準的制定。”

➤中外大功率快充運營差異與距離

趨勢面前,事實上目前國內已經有一些企業開始了大功率快充技術的研發,比如星星充電、萬馬新能源等研發了360kW及更大功率的快充產品。

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(星星充電500千瓦液冷大功率充電設備)

不過這時歐美已經舉起350千瓦甚至450千瓦的大旗。國內與歐美之間的差距是明顯的,這種差距是否有超越的可能性,如何超越?

對于大功率充電的發展階段,國外已經有了未公開場合的商用,比如在4S店內的維修和樣車展示時會使用大功率充電,而在國內還相對處于初步探索階段。雖然說有的充電設施運營商已經可以做到350千瓦及以上的設備,但整體上,除了前面我們提到的還沒有出臺具體的標準外,一個普遍的現象是,車端少有進行整車相關系統的配套。

在歐美,充電設施都是車企在主導研發、建設和運營,比較商業化的一些充電設施運營商背后的大股東也多是車企。

而在國內,車企對于充電設施的研發與標準的制定沒有特別高的積極性,除了蔚來汽車、小鵬汽車及威馬汽車在充電設施上做投入運營,及后來者恒大,鮮有汽車涉足這一領域。相對歐美,在我國,依然是國家電網和設備制造商占據主導地位。

一位業內人士向高工電動車說,好像他們在“自娛自樂似的,不管你車的需求到底是什么,就自己搞。”舉例來說,國內很多充電設施運營商都在推60千瓦、120千瓦,但市場上的車大部分并不需要這么高的充電功率;反觀歐美就不存在這個情況,因為都是車企占主導地位。

去年8月,中電聯與日本電動汽車快速充電器協會(CHAdeMO)簽署了技術和標準合作協議,計劃共同推動大功率充電技術、電動汽車與電網互動技術以及國際標準。

據透露,在這份合作協議中,我們前文提到的“充電接口”基本已經有了,就是來自于日本的國標,是一種插入電分開式的接口設計,其他的工作仍在進行當中。原計劃是不久發布接口的標準,但顯然一直在推遲。

其中緣由,是因為將車提高到350千瓦的充電等級需要全車整套系統的去升級匹配,而在國內合資或自主品牌還沒有做這種樣車的計劃,所以在測試階段無法進行實際操作,只能用仿真的實驗環境進行測試。沒有實戰,當然也就無法官宣。

在上述情況下,見國外在推動大功率充電,就以為大功率充電的時代也到來了,顯然是想多了。現階段,大功率快充技術在國內想要突破和普及,需要行業內車企與充電設施相關產業鏈的公司通力合作。

此外,一直以來,行業都存在一種思辯,即大功率快充會影響電池壽命。那么,快充對電池衰減性影響到底有多嚴重?

北京交通大學的YangGao等人研究就發現,充電速度對于鋰離子電池的循環壽命有著顯著的影響,將充電速度從0.5C倍率(2小時充滿)提高至1.5C倍率(40分鐘充滿)后,電池的容量衰降速度是0.5C倍率充電的4倍左右。這也就意味著經常使用快充會導致動力電池的壽命顯著縮短。在現有的三元鋰動力電池技術下,大功率快充可能導致的電池壽命縮短現象更加顯著,用車成本將急劇攀升。

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另一方面,現階段的快充對電池壽命和性能會有10%以上的損傷;自2015年至今至少有近百起在充電時引起著火的事故。幾乎涉及新能源所有品牌。設想一下,如果在350KW的快充條件下,這個事故數量和比例會不會更高。可以這么說,充電功率越大,電池自身性能及車輛安全性能被降的越低。

綜合上述兩個大功率充電的主要問題,如果技術上面沒有突破,材料應用上沒有創新,在安全性上沒有等到市場認可,未來大規模應用則遙遙無期。

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