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充电焦虑?大功率充电了解一下

2020-09-10 浏览次数:1,475 次 第一电动网

不久前,有外媒报道,起亚将推出800V电池充电系统,而搭载这套系统的车型是今年1月起亚宣布的将在2021年上市且脱胎于起亚首个纯电动平台的跨界式轿车。据起亚透露,该车型续航里程将达到300英里(约482公里)左右,在800V电池充电系统下,最快15分钟便能完成充电。

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图1:起亚概念车想象图

目前为止,800V电动汽车电池架构的典型代表是保时捷的Taycan,这也是唯一一款搭载800V系统的量产车型。但这款车的低配版在中国的起售价达88.8万元,高配版本起售价则达到了179.8万元,这样的价格远远超出绝大多数消费者的接受范围。

高压充电平台,实质就是大功率充电,对于保时捷Taycan这样的高溢价车型,选择800V充电系统这样的高成本配置带来的高附加值,对于品牌来说称得上相得益彰。

但对于大多数普通消费者来说,高压大功率充电是否真的有必要?

大功率充电已成为刚需

这几年,我国电动汽车平均续航里程提升速度可以说在跑步前进,前几年还是续航150km左右的车型满街跑,到2018年北京车展,主流车型续航已经提升到400km。到2020年,500km续航已经成为大多数消费者选购电动车时考虑续航的入门值,续航最高的车型也已经超过了700km。

对于长续航里程汽车,电池电量基本在60~100kwh之间,在充电效率不变的情况下,充电时间必然变长,对于这些消费者而言,里程焦虑正在演变成充电焦虑。

同时,作为电动汽车的主要消费群体,北上广深等特大城市的消费者大多数面临着停车位资源紧张的问题,这意味着,对于这部分消费者,公共充电需求是刚需,有的甚至将其作为主要的充电方式。

在9月5日举行的2020年泰达论坛上,蔚来汽车CEO 李斌谈到加电要比加油方便,原因在于70%的用户可以在家里充电。

暂且不论70%的数据出自何处、是否准确,根据公安部数据,截至2020年6月,我国新能源汽车保有量达417万辆,即便用70%这个数字来计算,也有约125万的消费者不能实现在家充电,这与燃油车用户几乎不存在“加油焦虑”相比,不是一个可以忽略的数据。同时,在高速公路的使用场景中,随着电动车的进一步普及,在国庆、春节等时间段必然会出现大量集中充电的需求,如何提高充电效率避免拥堵便成了关键。

图2:平均速度与充电功率,截图自《New Possibilities with 800-Volt Charging》

从上图可以看到,在较长距离的行驶过程中,如果充电功率仅有50kW,即便全程开车的平均速度高达160km/h,但加上充电时间后,整个行驶过程的平均速度只有80km/h左右,效率极低。而如果是350kW的大功率充电,同样情况下算上充电时间后,平均速度能提升到约140km/h。

图3:快充示例,截图自《New Possibilities with 800-Volt Charging》

图3则从时间上更为直观的向我们展现了大功率充电带来的用车体验提升。

一段720km的路程,一辆燃油车以较高的车速行驶,中间经历一次加油,整个行程大约花费5.5个小时;而对于一台中途需要充电两次的电动车来说,如果充电效率为50Kw,整个行程的花费时间为8小时,如果是350kW的充电效率,时间则缩短到6小时,与燃油车之间只有10%的时间差距,如果这是一台中途只需一次充电的高续航车型,时间差距将会进一步缩小。

因此,为了缓解大部分用户的充电焦虑、提高充电体验,以及满足特定场景的快速充电需求,发展大功率充电已然成为刚需。

领先企业已经布局

面对这样的需求,在信奉“第一性原理”的马斯克领导下,特斯拉很早就开始布局自己的超级充电桩网络。去年3月,特斯拉V3超级充电桩在美国旧金山一处停车场向用户开放。这是一种运用了全新架构的超充方式,可支持高达 250kW 的峰值充电功率。部分Model 3 车型充电 15 分钟最高可补充约 250 公里的续航电量。

作为受特斯拉影响颇深的造车新势力,在充电板块同样投入了足够的重视。2018年,小鹏汽车便在广州建设了首座超级充电站,不过当时由于各方面条件限制,该充电桩虽然理论上可以实现300kW的充电功率,但实际使用的充电功率只有90kW。

在今年6月,小鹏汽车副总裁刘明辉博士在接受媒体专访时谈到,小鹏目前自建充电桩最大充电功率可以达到180kW,同时,也在研发适应将来的快充技术,大概能做到300kW以上。

蔚来方面,在去年的上海车展上,亮相了它的超级充电桩 NIO Power Charger,这款超充桩拥有 105kW 的输出功率,很好地弥补了蔚来在高效低成本补能方面的短板,同时,这一服务并不局限于蔚来车主,因此也增加了收益的渠道。

虽然从输出功率来看该充电桩与普遍120kW的快充桩相比没有增加反而减少,但当SOC(电池的荷电状态,State of Charge)低于60%时,几乎可以跑满90kW,充电电流也逼近国标上限的250A峰值,相比普通快充桩能够提升约10分钟左右充电时间。

而像北汽新能源这样的传统车企,也在大功率充电方面做起了技术储备。

据第一电动网了解,早在2018年年初,北汽新能源便确立了高压大功率直流充电技术开发项目,旨在为高压大电流工作的高压系统进行技术以及资源储备。一旦市场需求大规模爆发,可以快速替代目标车型现有高压系统,通过中改款实现快速充电能力。

据悉,该项目分为两个阶段,第一阶段已在2018年年底完成,实现了充电功能开发、高电压平台零部件开发等目标任务,在国网的充电桩上实现了最大充电电流266A(3.2C)、最大充电功率175kW的充电能力验证。

第二阶段,北汽新能源的目标是实现最大充电流412A -516A、最大充电功率265 -340kW的快充能力。这两个阶段,系统电压平台都接近600V,据了解,该项目的第二阶段在下月便要进行验收。

困境依然存在

不过,虽然市场拥有刚需,各家相关企业也在进行相应的研发,但大功率充电在普及过程中依然面临着种种困难。

首当其冲的便是通信协议。

蔚来在推出105kw的超级充电站时,便有消费者疑惑,在当时公共充电桩基本都能做到最大120kW的输出功率时,蔚来为何将最高输出功率限定在105kW。

原因便在于上面体提到的,国标规定直流充电输出电流最大不能超过250A,而大多数电动车的充电电压最高只能达到410V,这就意味着,无论充电桩峰值充电功率有多高,最终绝大部分电动车只能获得不高于102.5kW(410V*250A)的峰值充电功率。

而特斯拉之所以能实现高功率充电,便是因为在与车辆的通信协议上采用的是自家标准,不受国标限制。上面提到的北汽新能源的项目中,其二阶段的开发计划中便包括了对通信协议的补充和完善。

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而在面临类似保时捷Taycan的800V高压系统开发时,电动车的重要核心部件——动力电池变成了关键。

其难点主要来自两方面:

第一,化学体系的快充瓶颈。

一位动力电池企业资深工程师向第一电动网介绍说,“常规的电芯化学体系设计难以实现15-20分钟的超级快充。为实现超级快充,需要对电芯的主材(包括正极、电解液、负极以及隔离膜)进行全方位的微观层优化。除材料层级的优化外,还需要对电芯、模组以及电池包层级同步进行宏观的结构设计优化(包括结构件过流能力,高低压线束布置等)。这势必会带来更高的设计难度,也会造成整体成本一定程度的增加。”

第二,高充电/放电功率下的电池发热问题。

该工程师谈到,“电芯本身存在一定内阻,在高充电/放电功率下电流较大(即高倍率快充和大电流反复脉放),所以不仅电池包各结构件温度会迅速上升,电芯的温度也会有明显的上升。充放电期间如果电芯温度一直处在高位,将会有损于电芯各方面的性能。这就要求整个电池包的水冷系统必须设计的比较合理,水冷系统需要提供足够的冷却功率以降低电池充放电时的温升,保证电芯在舒适的环境中工作。”

据了解,目前国内包括宁德时代在内的动力电池头部企业都已经有比较好的成熟解决方案。针对800V高压系统,已经可以支持15分钟快充并保证电池性能在使用过程中不会明显衰减,更快的充电速度在同步开发中。

而在充电基础设备层面,据了解,目前所面对的困难已经不大。

“作为充电桩企业,目前看没有太大难点,主要是高压连接器和高压模块上,中国供应链较为强大, 均已解决。” 智充科技CEO丁锐告诉第一电动网,“高压充电技术主要体现在电池包的独特设计上,而目前中国所有新布局的民营充电桩均为200V-1000V宽电压充电桩,可以很好的满足这类电动汽车充电需求。”

大功率充电不是原有充电方式的替代

充电便利是电动汽车终端用户最核心的诉求之一,也是目前制约电动汽车行业进一步快速发展的关键所在。

根据一些市场调查数据,在未来充电基础完善的前提下,从用户的角度考虑,充电时间需要做到10分钟以内,电动汽车的充电体验才有机会做到跟传统燃油车加油类似的水平。

“15分钟内充到90%是一个非常好的体验,我们去加油站加油也会去买水、开票等等,这个时间平均都在10分钟左右。”丁锐也表达了类似的观点。

但与燃油车无论哪种场景都是在加油站补能不同,对于电动车,不同的使用场景拥有不同相对优化的解决方案,大功率充电对于现有的补能方式并不是简单的替代,而是一种有效补充。

如果大规模建设大功率充电站,在电力供应紧张时期容易出现过负荷问题,引起线路过热、跳闸等情况,导致大量负荷被切除。因此,大功率充电站需要布局在真正需求的地方,如高速公路服务区、出租租赁、网约车停靠站点等,这样更有利于结合电网合理布局,增强电网系统调峰能力。同时,还可以综合储能设备,减少对电网的短时冲击。

总的来说,大规律充电站的普及,需要整车厂、动力电池企业、充电设施、电网等多方面的共同配合,才能最终带给市场一个成本可接受的解决方案。而这一解决方案,将是电动车被消费者真正接受的关键一步。

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