电池研究院:快速充电的极限在哪里?

2021-05-13 00:10:09 作者:黄恒乐

电池研究院:快速充电的极限在哪里?

 
什么是快速充电?

充电速度指的是对二次电池(可充电电池)进行电能补充的速度,充电快不快,需要看充电倍率。

充电倍率 = 充电电流 ÷ 电池额定容量

————

例子A:

0.2C = 570mA ÷ 2850mAh

5小时充满2850mAh的电池,电流为570mA(0.57A),充电倍率0.2C。

例子B:

1C = 2850mA ÷ 2850mAh

1小时充满2850mAh的电池,电流为2850mA(2.85A),充电倍率1C。

例子C:

5C = 14250mA ÷ 2850mAh

0.2小时充满2850mAh的电池,电流为14250mA(14.25A),充电倍率5C。

————

一般而言,快充即是大于1C的充电倍率,不过业界并无强制标准,1C只是一个业界大概认同的倍率。

可能有些读者也遇到过智能终端设备充电倍率太低的问题,有可能是电池过热或者过冷,有可能是因为电池老化,亦或是充电器、充电线性能很差,最终造成了充电速度比掉电速度还快的尴尬场面。如下图我的索尼MP3老机子,插电听歌会遇上电量不足。

电池研究院:快速充电的极限在哪里?

如今电动汽车领域宣传的 “充电仅需10分钟”,就意味着远远高于6C的充电倍率,毕竟前后两段都会降速,综合的充电倍率会比峰值低一些。

高于6C?速率高于6C的直流充电桩分分钟比你车还贵……

 
电池的充放电原理

充电的过程,就是活性的锂离子从正极往负极移动的过程,锂离子嵌入负极之后,电池就有了更高的电量SOC。

电池研究院:快速充电的极限在哪里?

如果我们再细化一下,就可以把“从超低SOC充到全满SOC”的充电过程分为下面a到g的过程,可以用下图浅紫色的电流曲线来表示,其中b与c过程即是图中CC Fast Charge,d与e过程即是图中CV:

电池研究院:快速充电的极限在哪里?

a、涓流充电:因电池过放电,内部材质非常脆弱,需要先进行恢复性充电,督促内部的活性物质起床打工。因此,长期亏电的老手机,刚插上电是无法开机的,等个五分钟再试吧。

b、小电流恒流充电:Constant Current,即CC。此时开始加大电流,逐渐加速。

c、大电流恒流快速充电:快速充电的主要阶段,同为CC,大电流充到80%左右。

d、大电流恒压快速充电: Constant Voltage,即CV。到达满电电压之后,开始固定电压,电流下降。

e、小电流恒压充电:充电电流进一步降低,同为CV,一直到SOC满电。

f、涓流充电:SOC先报满(显示满电),其实还可以慢慢充进去一点,这个过程SOC维持在100%不变,这也是我们常说的“最耐用的1%”。如果手机一直插着电(比如夜晚睡觉充电),电池还会进行脉冲充电,充几秒停几十秒,将手机电量维持在100%,手机专卖店的机子都是这样。

g、充满:完全充不进去了。

 
充电速率的几道门槛
A
 
电网负载

巧妇难为无米之炊,想要实现快速充电,就必须有一个鲁棒性极强的电网。

根据国家统计局的数据,中国2020年发电量高达7.4万亿千瓦时,同比增长2.7%,连续10年蝉联全球第一。根据国际原子能机构的数据,全球正建的71个核反应堆中,中国占了26个。世界核能协会称,中国还在规划或拟建另外180个核反应堆。

像印度这种缺电的国家,人口与中国不相上下,发电量只有中国的1/5,停电是极为常见的事情,最近新冠疫情火葬场电炉因为缺电停摆的事情还被网民写成了段子。2001年涉及2.3亿人的印度大停电,以及2012年涉及7亿人的印度大停电,是工业革命之后波及最大的两次亿人级大停电。

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相比之下,作为世界第一大工业国,中国发电量之巨无可撼动,火电比例已降低至7成(且在不断降低中),电网极为稳健,为汽车电动化铺平了道路。这也很好地解释了那次特斯拉甩锅给江西南昌电网的事件有多天真,也不考虑一下中国电网巨头们都有怎么样的硬实力作为背书。

根据中国电动汽车充电基础设施促进联盟的数据,截止2020年12月,全国充电基础设施累计数量为168.1万台。根据公安部数据,截至2020年底,全国新能源汽车保有量达492万辆,因此目前中国的“车桩比”约为3:1。只不过,因为前期建设的充电桩之功率都比较低,所以新建的快充桩会对电网负载能力提出更高的要求,不排除有些充电站的用电功率超过一整个小区的家庭用户。

电动汽车快充的确也当前的城市电网负载提出了极高的要求,笔者就曾经尝试咨询小区物业如何给我自己的停车位加装7kW充电桩,物业给出的结论是“不愿意”。虽然7kW仅仅相当于两台空调,但每个小区的电网容量是很有限的,如果开放给10户电动汽车用户安装还能勉强支撑,但若增加到30户,那小区就会跳闸。

加建配电房与各种配电设备的钱,从谁手里掏?再多思考一步,先安装的用户会事后掏钱给后安装的用户均摊整体成本吗?这都是暂时无解的问题。

B
 
充电桩功率

目前国网在各大快充站基本都铺上了120kW快充桩,实际充电功率能保持在60kW以上就很不错了,一桩两枪的情况下还会被分走很大一部分功率。

2016年的时候马斯克就在吹他们要整出350kW的SuperCharger V3,不过后来放弃了,技术和成本暂时不允许,不过目前落地的情况已经能做到250kW,峰值状态下15分钟补充250km续航也很不错了,后来特斯拉将350kW这个目标重新定位给SuperCharger V4。

保时捷Taycan 800V系统在实验阶段可以做到15分钟从0%充到80%,问题是高达350kW的充电功率不是哪个电网都能承受得了的,最终落地的时候也没办法达到这么可怕的充电倍率。

大众汽车旗下的Electrify America于2018年在美国加州建设了首座350kW快充站,单个直流充电桩的功率高达350kW,最快可以在10分钟内补充320km的续航里程,也就是1分钟32km。不过这种快充站暂时没有被全面铺开,因为他们设定的标准电压是800V的,而多数市面上电动汽车的电压是400V,所以有些外媒解读Electrify America此举是为了应对柴油门事件群众负面情绪而做出的环保举措……

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瑞士ABB在2019年也发布了350kW直流超级快充,宣称可以在8分钟内补充200km续航里程,并可以兼容400V和800V两套电压系统,还在能-35℃到50℃之间宽阔的温度区间正常工作。不过因为国内暂时没有ABB提供的这套超神的系统,所以我们没办法验证实际充电效率去到PPT上面说的多少成。

最近几个月最火的要数广汽新能源吹出来的那一阵风,说是新的石墨烯电池可以在8分钟内将电池充到80%,还能达到1000km续航。

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在中国电动汽车百人会论坛(2021)上,中国科学院院士欧阳明高在讲话中提到,“如果某一位说它既能跑一千公里,又能几分钟充完电,而且还特别安全,那大家不要相信,因为这是不可能的目前。” 后来广汽新能源澄清,8分钟和1000km是两款电池的技术,不是同一款……

其实问题不大,只要8分钟真的可以充上80%的电,电池容量根本不需要支撑1000km,不然就是对资源的极度浪费。我们现在更期待的是广汽新能源能更快地兑现这项快充技术,特别对于城市用户而言,快充比长续航重要多了。

C
 
电池配方

正极材料对锂离子电池充电速度的影响非常大,比如LFP磷酸铁锂配方的电导性就不如NCM三锂配方的。当然,如果对LFP正极表面包覆纳米级材料或者引入新型导电剂,可以一定程度上提升充电倍率。

负极材料是充电倍率突破的主要方向,比如宁德时代在2019年就对外宣称正在研发一种新的磷酸铁锂电池技术,在负极石墨的表面利用“快离子环”技术让石墨结构兼具超级快充和高能量密度的特性,石墨层增加锂离子嵌入速度后可以达到4C-5C的超级快充能力,相当于15分钟完成主要的充电过程。

改良负极的另一种方案是采用石墨烯结构。前两年,石墨烯概念炒得比绿水鬼还火,各种真假新闻充斥网路。实际上,石墨烯并不能像那些媒体人说的那样大大增加电池能量密度,它只是相当于内燃机的涡轮增压器,在理论上可以提升充放电速率而已。

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但石墨烯真的是一个彻底的骗局吗?也不全是。相比于在锂离子电池中的运用,石墨烯更有希望在超级电容中使用,其堪称变态的充放电效率可以让充放电速度大幅度提升。问题是,超级电容器的能量密度只有锂离子电池的1/10左右,所以使用超级电容器充当动力电池部分的电动汽车只有极短的续航,当一下园区内的接驳巴士还成。

刚刚我们也提到了广汽新能源最近研发出一种增加了石墨烯配方的超级快充电池,如果真的能投入量产使用的话,的确是一大突破,因为此前业界一直认为石墨烯添加剂极难投入量产化。

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从电解液入手也可以提升快充倍率,因为电解液涉及到锂离子的迁移速度,因此可以尝试研发高解离度电解质盐,或者研究如何生成界面阻抗更低的SEI膜。

此外,因为首次充电的时候,电极材料和电解液在固液相界面上发生很复杂的反应,形成一层覆盖于电极材料表面的钝化层(SEI膜)并消耗掉一批活性的锂离子,所以现在有些电池会对正极材料进行“预锂化”,把SEI膜要消耗的锂离子先给足,从而提高电池的总容量和能量密度,也可以避免因为锂离子缺失而导致的充电速度缓慢问题。

除了正极、负极、电解液和锂离子,我们还可以充生产工艺入手来提升充电倍率,比如更将均匀的浆料可以让活性物质之间、活性物质与集流体之间可形成较均匀的导电网络,更好的极片涂布一致性可以让内部电流分布更加均匀有序,更高的极片压实密度可以提升电池性能。

那么大家吹得特别狠的固态电池呢?害,其实这种电解质天生跟超级快充不太搭边,因为固态电解质的界面接触性差(固体-固体),电导率偏低,高倍率大电流一来就捉襟见肘了,比较难实现快速充电,功率密度也有限。

D
 
电控

高功率的直流充电桩会使用AC-DC和DC-DC将电网给到的三相交流电转换成大约400V-800V的直流电,充电桩需要通过数据传输通道(高压控制盒、整车控制器、数据采集终端等)与车辆电控系统沟通,而当前的充电倍率是车载BMS通过当前电池的温度、SOC等状态决定的。如果电池正在承受不符合设计初衷的高倍率,轻则减少循环寿命,重则热失控并导致自燃。

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随着SOC越来越高,电池内部可以承受的充电倍率就越低,所以SOC到达80%左右就要开始对充电倍率进行降低,以免损伤电池内部结构。

电池研究院:快速充电的极限在哪里?

除了桩与车之间的通讯,充电桩还需要组建一条用于线上付费的数据通道,因为充电服务基本不可能用纸币来支付,而这条付费数据通道还得保证高等级的安全性,以及尽可能减少付费的操作门槛和掉线坏账的可能性。

E
 
电池散热

每个人生来就默认有快速吃饭的能力,但耐受能力完全不同,有些人吃快了会有肠胃问题。同理,电池都默认有快充快放能力,但耐受能力是完全不同的,一款本来就不是设计给快充用的电池若是接受过大电流的充电,会导致焦耳热效应急剧增加,电池内部反应剧烈,电解质分解析氧,结构崩塌,胀包自燃。

想要电池耐受快速充电,就必须有较低的电阻R,这样子可以降低焦耳热Q。

我们回忆一下高中的一条焦耳定律公式:Q=I2Rt

焦耳热Q与电流I的平方成正比,因此电流I一旦提升,对散热的要求将是几何倍数的提升。

电阻R若是降低,则对降低Q有直接的帮助。所以我们需要使用更高电导率的电极材料,使用更多的导电剂,使用导电性能更好的电解液等等。

时间t就不用说了,充久了自然积热多。

当然,一套合格的电池温控系统,是不会让电池过热的,如果真的在充电时出现了局部过热,有可能包含但不限于下面三个原因:

1、电池温控系统有问题

热未能及时散出去,就像热情顾客(锂离子Li+)占着各种位置拍照不肯挪位置,就会有部分热情顾客变成暗黑顾客(死锂Li)。

现在就有好些用户花两三千块将交流慢充的PHEV 非插混车型改成直流快充,从更大功率的动能回收机构灌进去,这种方式从理论上没有太大问题,实际充电功率低于动能回收功率。问题在于这块电池的设计初衷是给慢充用的,电流密度过大容易生成锂枝晶,散热也可能有问题(谁家PHEV连续下坡1.5小时啊,设计初衷里面没这个),电池包热失控的概率会相应增加,一旦自燃的话还没有厂家垫底,毕竟你是私自改装的。

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2、最后的恒流充电阶段没控制好

理想的锂离子充电过程应该是“涓流充电-恒流充电-恒压充电-涓流充电-充满”,电池SOC大约从80%到100%(报满电流)的地方都是用恒压充电,速度比较慢,你们充手机充汽车也感受得到。

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3、大电流引起极化

大电流快充时,负极挤了太多锂离子,引起电极处的浓差极化现象,局部过热,电极材料被破坏,衍生出一堆死锂Li。

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F
 
电池加温

电池很娇气,受不了太热,也绝对受不了太冷。低温状态下使用快充会损伤电池,而且温度越低,电池内部可以承受的充电倍率就越低,低温之下最遭罪的主流配方是磷酸铁锂LFP。

那么问题来了,温度低犯什么错了呢?低温前提下的大电流充电,就是在负极还没反应过来的时候就涌进去海量的活性锂,电池内部活性物质在低温时很慵懒,活性锂就把负极挤坏了。

因此,在温度很低的涓流充电第一阶段(电池发热还没开始)进行大电流充电是很危险的,电控做得不好的新能源车在北方冬季快充时可能有风险。除此之外,恒流和恒压阶段的低温,也是严峻的问题,所以有些中高端新能源车的电控会用温控系统给电池预热,再进行大电流快充,免得锂枝晶大量生长。

为了解决低温环境下电池温度不足的难题,当前业界有数种解决方案:

1、电芯外部加热:在模组或者电池包层面加装加热模块,这种是最常见的。

2、电芯内部加热:如下图,这种结构不多见,直接在电池内部加热,不过只适用于大型的动力电池。

3、电芯充放电未来得及散发的热量:自然现象,之前的电池技术文章中讲了挺多次。

4、外挂内燃机加热:以威马为代表的外挂小型内燃机门派,虽然听起来挺逗(挂着个内燃机的纯电车),但在极度低温下无法着车或真实续航能力锐减至30%以下时,你会感谢这种外挂……

电池研究院:快速充电的极限在哪里?

G
 
电池损耗

“快充伤电池”不是野鸡公众号的谎言,这事的确存在,只是危害程度没野鸡号说得那么夸张。同理,汽柴油车有磨合期但并非磨合期不能上高速,新车买回来可以直接开根本不需要什么贴膜镀晶底盘装甲,嗐,反正少看野鸡号吧。

如果不考虑电池寿命的话,怎么加快充电速度都行(如前文所言),问题是你会完全不考虑自家电动车的动力电池寿命吗?

“快就行了,充坏了大不了下个月再换一台车。”有这么洒脱的消费能力干嘛不去买汽油超跑。

快充会一定程度上降低库伦效率(coulombic efficiency),也即是放电效率,对于正极而言就是放电容量/充电容量(嵌锂容量/脱锂容量)。有些电池首次放电时的库伦效率会高于100%,但随着SEI膜的形成,便会降低到100%以下,并随着循环增加而慢慢降低比例,活性越来越弱。

因为快充会让来不及嵌入负极的活性锂离子变成死锂,随着活性锂离子的减少,库伦效率会逐步降低,放电效率不如新电池,体现出来就是:充电慢、储电量少、放电功率降低。

H
 
绝缘要求

目前多数电动汽车改装都不属于“汽车改装”,应该属于最low的“汽车化妆”,不动电气线路的话影响不大,只是风阻更大些、续航更低些而已,基本无公害。

最麻烦的土法改装是PHEV插电式混合动力车型“慢充改快充”,这草根改装法的原理是利用机舱内电控器接口接入动能回收系统,用全车唯一大功率的动能回收线路进行快充,最高可以改到30kW充电功率。

无论动力电池是否有快充能力,其实都具备高倍率充放电的能力,只是受损状况是不明晰的,本身有快充能力的电池可以更多次地快充快放,本身无快充能力的电池只能“折寿”,前文已经提到过。

电池研究院:快速充电的极限在哪里?

问题是,由于是私自改装高压装置,而这些全套“个性化定制”服务仅需3000块的民间科学家并没有把配套的绝缘升级服务给到,所以插拔直流快充插头的过程是很危险的,更别说雨天或者回南天进行这种操作。

对于纯电动车而言,如果400V电压平台的电动汽车想要提升充电极限,可以通过更换散热系统、电容、IGBT和提升绝缘等级来升压到800V电压平台,不过这些工序是个人与快修店完全无法执行的,厂家也不会专门去弄这么一套升级程序。

提升到800V之后,绝缘要求也就水涨船高,所以当你打算去抬起一根保时捷800V快充桩的充电线缆时,会发现男性车主才有力气去驯服这条橡胶做的黑色巨龙……

I
 
成本

不谈成本说快充,简直就是耍流氓。

一座中型的快速充电站(10个桩位),征地成本大约200万,基础设施成本大约400万,配套设施成本大约100万,加起来差不多700万元。

60kW直流快充桩的建设成本在7万元左右,120kW直流快充桩的建设成本在13万元左右,如果想投资250kW甚至350kW充电桩,那么“桩比车贵”也是可能的事情。

目前直流快充倍率达到1C已经很不错了,而350kW的直流快充的充电峰值倍率高达3.5C(假设大容量高压电池包为100kWh),这是绝大部分厂家和消费者都无法承受其成本的。

 
电动汽车快速充电的极限在哪里?
A
 
有线充电

因为效率高、潜力大,有线充电必然是接下来电动汽车充电的最主流方式,而直流快充则是提升充电倍率的实现形式。

私桩花不起十万八万弄高功率直流快充哦,而目前市售的最高功率私桩是蔚来此前发布的20kW家用充电桩(直流),虽然可以缩短2/3的慢充时间,但需要用到380V三相电,安装价格高达1.68万元,而且多数小区没办法提供这么高的负载。考虑到蔚来车主群体中有不少是拥有独栋别墅的,所以这套20kW快充还是挺有开发价值的。

公用桩是运营性质的,可以服务海量的新能源车用户,所以成本敏感度没那么高。当前在建的公用桩主流功率为120kW,业界都在往250kW上面赶,而下两步是350kW与500kW。

电池研究院:快速充电的极限在哪里?

500kW是一个非常大的功率值,也即是一台保时捷911 GT2 RS在全功率输出的极值,对电网负载的影响有多大,发热量有多可怕,稍微预估一下便知道。

此外,线材也很重要,我们平时买手机快充头就知道了,如果配上老式的充电线,比如只能过2A电流的,那么功率也就5V×2A=10W而已,而现在手机充电器最起码有个22W才能勉强叫快充。随着电压、电流、功率越来越高,线材会变得越来越重,可能成年男性都不能举起来了。

B
 
无线充电

等自动驾驶技术成熟之后,无线充电将脱离鸡肋技术的行列,逐渐成为现实。

电池研究院:让人又爱又恨的磷酸铁锂

当前主流的新能源汽车无线充电方式有以下几种:

无线充电主要原理
中文名电磁感应式磁共振式无线电波式电容耦合式
英文名Magnetic InductionResonanceRadio ReceptionCapacitive Coupling
原理电磁感应收/发两端
同频共振
电磁波
转电流

  偶极子
感应输电

传输功率W级 kW级 0.1W级10W级
传输距离mm-cm级cm-km级10m级mm-cm级
工作频率22kHz13.56MHz2.45GHz560-700kHz
充电效率80%50%38%70-80%
优点效率高功率
距离
距离长发热少
对准要求低
缺点距离短
对准要求高
效率低
人体健康影响
功率小
效率很低
距离短
体积大
功率小
厂商Ti
Powermat
Splashpower等
MIT
Intel
富士通等
Powercast等Murata等

从表格可知,无线充电的传输功率非常低,因此目前最高功率的无线充电装备也只能建议给PHEV插电式混合动力车型充电。

电池研究院:红警磁爆线圈与无线充电技术

在新能源汽车领域,目前无线充电标准比较繁杂,我们举两大巨头的例子:一个是美国汽车工程师学会SAE发布的TIR J2954,据称能量传输效率最高可达85%(目前技术条件下是空中楼阁),设有四个功率级别,分别是3.7kW (WPT1)、7.7kW (WPT2)、11kW (WPT3)、22kW (WPT4)。目前正在玩的是WPT1和WPT2。

电池研究院:红警磁爆线圈与无线充电技术

另一个是中国电力科学研究院(CEPRI),中国汽车技术与研究中心(CATARC)、中国电力企业联合会(CEC)与前文提到的WiTricity公司合作之成果,中国国标GB/T 38775《电动汽车无线充电系统》。

电池研究院:红警磁爆线圈与无线充电技术

国标的前4种功率跟SAE标准是一致的,后面还有WPT5-7,其中WPT7的充电功率大于66kW,对于有线充电而言都算得上快充。 

C
 
超级电容

刚刚我们提到了石墨烯元素和超级电容,如果不考虑单次充电的储电量,超级电容的确可以做到非常神奇的快充效果,按秒来计算的真·超级快充。

电池研究院:快速充电的极限在哪里?

只不过如此少的储电量,只够汽车跑很短的一段路,做成园区接驳巴士,站站停,站站充,也是可以的。

D
 
换电站

Bug一样存在的换电站,其实并非蔚来一家在造,一些运营车辆也在使用,比如北京运营的北汽新能源换电版本的出租车。

电池研究院:快速充电的极限在哪里?

换电站的逻辑是在电池快充技术和能量密度无法得到根本突破的时期内,转移充电时间和空间,像换弹夹一样把新的电池包给车子装上。

虽然一直被业界诟病(仿佛化的是喷子的钱那样),但不得不承认换电是当前最快的电动汽车获取电能之方式。

E
 
氢燃料电池方案

以氢燃料为代表的燃料电池方案,是解决充电速度问题的另一个方案。

如下图,氢气储藏在储氢罐当中,燃料电池堆栈负责将氢气转换为电能,电能可以进入小型储电池或者直接驱动电动机。

电池研究院:快速充电的极限在哪里?

这套方案的优势在于加氢仅需5分钟左右,与当前的汽柴油车加燃料市场比较接近。难就难在加氢站建设成本动辄1500-2000万,目前仅适合点对点的商用运输路线。

此外,氢燃料电池车无法推广,政治原因占了主导地位。君可见,日本在国际上并没啥盟友,基本都是塑料关系。日本想要大肆推广MD机,中国美国立刻让MP3播放器产业化;日本想要整等离子电视,中国美国立刻把液晶产业链整起来了;日本想要连同韩国一起发展氢燃料电池车,中国美国直接弄纯电动……

所以掐架最厉害的中美,不真的像大家眼里所看的那样。说到底,都是国家利益在驱动。

F
 
液流电池方案

液流电池方案其实比较类似燃料电池方案,只不过液流电池的能量密度实在太低了。

nanoFlowcell品牌之前就发布过几款液流电池车,使用QUANT E的俯视图可见,正负各200L的电解液缸体分布在车体中后方底盘内(QUANT E为左右250L),电解液流入燃料电池产生电能,通过超级电容器,最终传送至四轮电机。

nanoFlowcell液流电池车俯视图

QUANT E扛着一共250L×2=500L废液来到电解液补充站,第一件事就是卸下之后要运回工厂回炉重造的废液,第二件事是装载新鲜的电解液。问题就来了,同时工作的双边输液机构,效率有多高呢?

nanoFlowcell液流电池车

笔者假设单边输液管孔径为5c㎡=0.0005㎡,单边液罐250L=0.25m³,那么一次放液/补液就要输送500m长的电解液。以1m/s的速度估算,放液8.3分钟,补液8.3分钟。尚算理想。

G
 
其他:功率型储电装置

在功率型的储电装置中,电池的快充能力极大地提升了电站能源的利用效率,让电网的瞬时响应速度加快,降低损耗。

 
一些想法
A
 
假新闻的困局

快充技术从实验室到量产化,需要非常长的周期,但很多自媒体(不能称之为新闻工作者)为了抢头条热点总是起一些过于让人振奋的假新闻,以偏概全地把实验室样品的技术说成量产化产品的技术。

电池研究院:快速充电的极限在哪里?

按照上述的新闻,1分钟充满一台车,这得是什么功率的充电装置?60C的充电倍率,30000kW的充电功率(假设电池包50kWh),充电电缆怕是要用起重机来抬了吧,充电站给10台车充电的话就需要小鹰号航空母舰动力系统全功率运作才能勉强维持……

某些媒体人编新闻之前能稍微学点初中物理知识再上岗吗?

B
 
安全性能的困局

当前,约有60%的新能源车着火事故是电池本身热失控引起的,30%左右是充电事故,只有3.6%左右是因为行驶事故中的撞击,因此消费者担心事故自燃还不如多留意一下充电安全。

热失控的机理(学界一般称为“滥用”)可分为物理和电化学两大方向,而这三成的充电事故诱因有可能是物理也有可能是电化学。

电池研究院:新能源车为何总是自燃?

自2021年1月1日实施的动力电池安全新国标GB 38031-2020《电动汽车用动力蓄电池安全要求》,引入了非常多种类的安全试验,其中对电池单体进行过放电、过充电、外部短路、加热、温度循环、挤压试验,对电池包或系统进行振动、模拟碰撞、挤压、湿热循环、浸水、热稳定性、温度冲击、盐雾、高海拔、过温保护、过流保护、外部短路保护、过充电保护过放电保护试验。

除了撞击或者浸水这类物理滥用之外,包括加热、温度冲击、热稳定性、过充电在内的多种试验都与快充有关系。随着充电电压与电流越来越高(废话,P=UI谁逃得过),快充在接下来相当长的时间内都会是新能源车着火事故的主要诱因,廉价车型的设计、用料、做工问题的安全影响会随之被放大。

C
 
商用车的困局

商用车型一直都不缺少空间来承载电池包,于是就有了巨大的电芯数量和巨大的耗电量,随之而来的是巨大的安全风险。要知道,电池包内部的任何一颗电芯热失控,都是有很大概率“火烧连营”的。

电池研究院:快速充电的极限在哪里?

为商用车充电,需要充电站/充电桩提供高一个数量级的供电能力,如果在快充期间遇上热失控,扑灭火灾的难度也会高一个数量级。

D
 
跨领域造车

华为小米魅族的快充技术能用到动力电池领域吗?

那个……消费级和车规级不是同一个概念好不好,120W快速充电和120kW快速充电之间差了整整三个数量级呢……

请问当前跨领域造车有几家成功过的呢?汽车工业可是国家重工业的掌上明珠,很多技术是不可以出口的,你说那些根本未涉足过汽车工业的其他领域外行门生能短时间内学会吗?

所以我们才会看到很多跨领域造车的企业弄了一大堆工业垃圾出来把第一批消费者当提供运行数据的白老鼠,老牌造车企业百年来趟过的坑他们也不会幸免。

对造车请保持敬畏,这是一项非常难以掌握且可以迅速“民转军”的高精尖学问,别忘记福特曾经生产轰炸机,凯迪拉克可是坦克生产专家,大众与巡航导弹有说不清的瓜葛。

E
 
充电桩企业的积极性

充电桩企业与充电桩运营企业,都没有特别强的超级快充桩推动意愿。

市场没有成熟的前提下,5C甚至更高充电倍率的超级快充桩,其建设成本极高,投资回报周期非常长(虽然快充可以提升客户的流转率),那么谁来做第一批吃螃蟹的亏本生意?

电池研究院:快速充电的极限在哪里?

快充只有比较低的消费者感知成本,因为快充桩不是自己专属的,而续航则是自己车载高压电池包决定的,所以消费者更愿意花大价钱去买长续航纯电动车,而没那么高意愿去花大价钱购买更短时间的超级快充服务,毕竟有些快充只是薛定谔的快充……

F
 
PHEV快充的普及速度

目前越来越多PHEV插电式混合动力车型开始装备充电倍率较低的直流快充装置,这是一件好事。(下图是PHEV慢充改快充,非常危险)

电池研究院:快速充电的极限在哪里?

对于消费者而言,快充可以让PHEV更多地使用电能驱动,少使用燃油,降低燃耗成本。

对于车企而言,PHEV快充功能可以提升销售潜力。

对于充电桩企业而言,此前安装的低充电倍率直流充电桩不会被抛弃,而是继续投入PHEV领域使用,这也为更高功率的超级充电桩提供了建设资金。

对于国家而言,多用电少烧油可以进一步提升我国的能源安全。

G
 
超时占用费

超级快充就代表了超高的基建成本和相对短促的充电时间,因此超时占用费是非常有必要的一笔稀缺资源占用收费,如果没有这笔费用的话,快充服务的用户体验将因为某些用户的自私而变得非常糟糕。

拿目前特斯拉的超时占用费标准作为案例,如果充电站当前的空余车位小于等于50%,当前用户在充电完成之后依然占用充电车位超过5分钟,特斯拉将收取3.2元每分钟的超时占用费。若是充电站当前的空余车位是0,这笔费用将提升至6.4元每分钟。

电池研究院:快速充电的极限在哪里?

这不是针对中国市场用户的特殊收费,实际上全球特斯拉用户都要缴纳这笔违约金。

 
快充与环保的关系

一方面,快充可以降低续航焦虑,减少动力电池的容量,为整车减重进而降低每公里的电耗,可谓节能与环保双馨。

一方面,快充会降低充电效率,过多的电能变成无用的热量,此外还会加快电池老化降低电池寿命,加快锂枝晶的形成,造成自燃风险。此外,超级快充会大大加重电网负荷,需要使用很多社会资源来构建基建设施。

因此,快充并不能直指环保,它有环保与不环保的两面性。

此外,此前有不少厂家炒V2G反向充电的环保特性,实际上这种重度消耗动力电池循环寿命的方案根本不环保,因为动力电池的生产与回收期间会产生重度的污染,利用电动汽车为电网储能的方案基本没有赢家。

电动汽车最大的软肋在于电池技术瓶颈无法突破,而汽车社会历经一百多年来养成的用车习惯(3分钟加完油料)与之并不兼容,快充将是除能量密度之外的另一项可行的解决方案。脱离了能量密度与快速充电大聊电动汽车未来的车企,基本都是不值得信赖的。

以这个辩证思考为结尾,这篇万字长文正式结束。

(图/文/摄:太平洋汽车网 黄恒乐)

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