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电动车呼唤“超充”

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发表于 2020-10-23 22:56 | 显示全部楼层 |阅读模式
2020年第三季度,中国新能源汽车销量持续三个月实现同比增加且创下历年新高,在逐步走出补助退坡、整体车市下滑以及新冠肺炎疫情的三重影响以后,新能源车市有望步入以小我用户购车为主的良性成长轨道。


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12017-2020年新能源汽车销量趋向


假如要问,还有什么在障碍电动汽车的成长驶入“快车道”,答案极能够是——充电。电动车主在公共地区“充电难”的题目虽已是须生常谈,但随着电动车渗透率的爬升,“充电难”题目甚至能够进一步凸显。

电动汽车接下来的成长,在很洪流平上取决于充电收集;而要提升充电收集的效力,更大功率“超充”技术的利用已是弦上之箭。




一、“超充”的道理


什么是电动汽车的“超充”?它与“慢充”和常规“快充”有何分歧?

一切电池(包括电动汽车中的动力电池)都利用直流电(DC)停止充电和放电。可是电网供给的是交换电(AC)。是以,来自电网的交换电需要转换为直流电,才可为电池充电。这项转换工作由AC/DC转换器完成,是以,AC/DC转换器是电动汽车充电装配不成或缺的一部分。

充电装配既可以作为车载充电器(OBC)集成到车辆中,也可以位于车辆内部。当前,几近一切电动汽车都配有小型OBC,人们可以用电缆将OBC毗连到常规的交换插座,也可以经过交换充电桩与OBC毗连。是以,交换充电桩现实上不是充电器,而是可插入充电电缆的智能插座。

假如要更快速地充电,则需要更大的AC/DC转换器和更大的充电器,这意味着更大的重量、占用更多的车内空间,以及增加电动车的复杂性和本钱。更重要的是,基于车规级要求,整车企业需要确保OBC在车辆全生命周期始终牢靠运转。是以,平衡众多身分下,汽车制造商凡是会挑选较小(是以也速度较慢)的OBC

与“OBC+交换充电桩”的组合相比,自己自带AC/DC转换器的直流充电桩,体积更大、重量更重、结构更复杂且本钱更高,但充电速度也快很多。这就是为什么它们凡是被称为“直流快充桩”的缘由。


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2:慢充与快充的区分图片来历:FASTNED)


当前市道上常见的普通快充桩可供给50-70kW功率,其充电速度是普通OBC510倍。

而“超充”(即超快速充电Ultra-Fast Charging)一样是快充的一种,是指充电功率到达150kW以上的快充。在当前最新一代产物傍边,特斯拉V3 Supercharger最高功率到达250kW,而欧洲Ionity、美国Electrify America等充电运营商所利用的超充桩,最高功率可达350kW。葡萄牙草创公司i-Charging,甚至推出了最高600kW的充电桩。

更大功率的充电,究竟是若何实现的?又有哪些身分在影响、限制着电动车“超充”的实现?

电池机关

电动汽车所用的动力电池,由很多个“电芯”组成。以特斯拉Model 3长续航版(美国版)为例,其所用电芯为松下生产的直径21mm、高度70mm的“2170电芯”,其外形与人们平常利用的圆柱充电电池无异。

将总计多达4416个“2170电芯”均匀分派在96个“电池块”中,将这些电池块放入4个模组(各模组中的电池块数目别离为25-23-23-25),再用电缆、壳体以及其他组件将各电池块毗连起来,组成总容量约76kWh的动力电池包。


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图3:特斯拉Model3电池安插(图片来历:Electrek)

我们晓得,电芯之间的毗连方式分为串联和并联。2170电芯额定电压为3.7V,满电时电压约为4.2V每个电池块中的46节电芯之间呈并联排布,是以单电池块的电压与单电芯相称,为满电时4.2V;而各电池块之间呈串联形式,是以整体电池包满电时的电压约为96*4.2V403V

电流与电压

充电功率是由电压(单元:伏特V)和电流(单元:安培A)配合决议的。例如当前市道上以50kW功率充电的电动车,凡是采用400V电压和125A电流的组合(400*125=50,000W)。

是以,充电速度的快慢,取决于电流和电压这两个变量。

可以将充电接口设想为水龙头,电压相当于水龙头出水的水压,而电流相当于水龙头的直径巨细。假如加洪流压,同一时候内流出的水量便会增加,而一样地,加粗水龙头的直径也会实现这样的结果。

如上所述,电压的凹凸取决于电池的属性和串、并联排布方式。当前支流的电动汽车,在电池布满状态下,电压普遍在400V的水平。而当电池处于未布满状态时,电压则低于此数值,随着电池被逐步布满,电压会不竭上升。

在电压一定的条件下,电流的巨细,则由充电桩按照BMS的指示,在电缆所能支持的最大电流之内调理控制。一般而言,最高功率50kW的充电桩,可支持的最大电流约为125A,而175kW超充桩,则可供给高达375A的电流。

电池寿命

电动车动力电池中的电量,一般不会被全数耗尽。例如在Model 3跨越76kWh的整体电量中,可用电量约为72.5kWh,即总电量的约95%

残剩的5%电量,则用于“缓冲”充电与放电对电池的影响。在BMS的控制下,电池会自动在5%95%之间充放循环。

有很多身分城市对电池寿命形成影响,包括温度、电池尺寸、化学组成、电池连结满充状态的时长,以及完全充放电循环的次数等。是以,充电技术和充电战略,会对电池寿命发生多个层面的影响。

凡是来说,动力电池的容量越大,其寿命便能够越长,由于在行驶一样里程的条件下,更大的动力电池履历的完全充放电循环次数常常更少,从而有益于减缓电池的衰减。


影响电动车充电速度的其他身分:

  • 电池容量:凡是情况下,电池容量越大越轻易实现大功率充电。例如特斯拉Model 3(电池容量约76kWh)的最高充电功率就远高于宝马i3(电池容量22.5kWh),这也是插电式混动车型(PHEV)凡是很难实现快充的缘由之一。


  • 电池SoC(电荷状态):当电池越接近布满时,充电功率越会下降,以避免电芯过热致使的平安隐患。这即是快充在SoC处于0%-80%区间时效力最高的缘由。

  • 电池温度:电芯在20-25℃时效力最高。当电池温度太高或太低时,BMS会下降电流以庇护电芯。

  • 电池化学成份:电池生产商凡是会按照方针用户的利用处景,对电池的尺寸、重量、性能等停止有针对性的设想,在性能与本钱之间追求最好平衡点。分歧化学成份的电池,因其材料的电导率、锂离子分散系数分歧,充电的速度也不不异。

  • 充电桩功率:充电设备自己所能供给的功率巨细,决议了电动车充电功率的上限。例如一个额定功率为50kW的直流充电桩,不成能以跨越50kW的功率对电动车充电。


  • 配电电容:除充电装备自己之外,其所毗连电网的配电电容,也约束着充电功率的巨细。例如,凡是同享同一条配电线缆的两根特斯拉V2超充桩,虽然单桩最高功率为150kW,但当它们同时为电动车充电时,别离只能到达约最高功率的一半。
是以,为进步电动车充电速度所作的尝试,本质上是在综合斟酌以上全数身分的条件下,提升充电电压或加大充电电流。





二、“超充”的成长


迄今为止,全球首要的汽车公司,别离公布了三种分歧的快充标准:CHAdeMOCCSGB/T

这些标准互不兼容,每个标准都有自己的工作电压和电流、物理毗连器、控制逻辑以及汽车和充电器之间的通讯协议。

CHAdeMO是日产和三菱引领的日本快充标准,该称号既是Charge de Move的缩写,同时也是日语中一杯茶的谐音,暗示为车辆充电只需喝一杯茶的时候。2010年,CHAdeMO标准最初设想的充电功率为50kW,充电电压400V

CCSCombined Charging System,结合充电系统)由美系和德系八大厂商福特、通用、克莱斯勒、奥迪、宝马、奔驰、公共和保时捷于2012年结合公布。其将那时现行的一切充电接口同一路来,用一种接口就可以完成单订交换充电、快速三订交换充电、家用直流充电和超速直流充电四种形式。

中国于2015年推出了GB/T 20234-2015,该标准规定交换额定电压不跨越690V,频次50Hz,额定电流不跨越250A;直流额定电压不跨越1000V,额定电流不跨越400A

除以上三种标准之外,2012年推出的特斯拉超级充电桩采用其独占标准,但特斯拉在欧洲和中国市场销售的汽车,会别仳离配CCS和GB/T端口。


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图4:全球首要充电标准(图片来历:chargehub.com)

2012年推出Model S车型起头,特斯拉就同步推出了“超级充电桩”(Supercharger)。尔后至今的8年傍边,特斯拉快充技术一向是引领行业的标杆。2019年,第三代V3 Supercharger投入利用,最高充电功率到达250kW

2015年,德国公共团体在评价特斯拉和电动车的未来时,得出了“超快速充电是实现电动车提高的关键条件”的结论。在公共携奥迪和保时捷的鞭策下,宝马、戴姆勒、欧宝等欧洲车企也加入进来,建立CharIN构造,并于2017年公布更新版的CCS标准,将最高充电功率提升至350kW

2015年法兰克福车展上,奥迪公布了Q6 e-tron纯电概念车。据那时先容,该车充电功率可达150kW,并将在2018年量产(奥迪e-tron现实量产时候后被推延至20195月)。

一样在此次车展上,保时捷公布了Mission-E计划,估计2019年实现量产,并许诺实现300kW以上充电功率——这即是保时捷Taycan的前身。

尔后,随着捷豹i-Pace等其他支持100kW以上充电功率的车型相继公布,一时候,超充才能被欧美传统车企们视为在续驶里程和动力性能之外,又一个击败特斯拉的潜伏冲破口。

由戴姆勒、宝马、公共和福特在2017年合资建立的超充站运营商Ionity,今朝已在欧洲建成287座超充站,虽然由ABB为其供给的充电桩最高功率已经可以到达350kW,但当前市道上还没有任何一款电动车,可以真正实现这样的充电功率。

最接近这一方针的车型,当数人们已熟知的保时捷Taycan

作为公共团体“皇冠上的钻石”的高性能品牌,保时捷绝不粉饰要造出比特斯拉更出色的电动汽车的意图。

单从充电性能看,保时捷确切做到了这一点:按照保时捷官方宣传材料显现,Taycan当前最高可支持270kW充电功率,且将在2021年升级至350kW

这一数据获得了欧洲充电运营商FASTNED的实考试证:Taycan 4S Plus版本(电池包容量93.4kWh)在SoC 15%-22%的长久区间内,简直到达了约270kW的充电功率,而当SoC上升至25%以上以后,充电功率敏捷下降至200kW,接着在SoC 35%之落后一步下降至150kW。


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图5:保时捷Taycan超充实测数据(图片来历:FASTNED)

与Taycan相比,特斯拉Model 3在实测中的最高充电功率到达251kW,而与Taycan同一级此外Model S,因其利用的电池系统比Model3更旧,仅支持最高125kW充电功率。



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图6:特斯拉Model3超充实测数据
(图片来历:MOTORTREND)

与Taycan从5%充至80%用时22.5分钟相比,按照MotorTrend的实测数据,利用V3超充桩将Model 3从5%充至80%需要28分钟。

从上图可以看到,当Model 3充电启动时,充电功率很快到达250kW,并连结到SoC 15%;随后敏捷下降至175kW,并在此功率下连结到SoC 40%,然后起头延续线性下降。

与保时捷Taycan类似地,当Model 3 SoC到达80%时,充电功率大约在50kW。

放眼当前市道上在售的其他电动车型,最高充电功率均没法跨越155kW:


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图7:首要纯电动车型最大充电功率


究竟上,当前国内市道上所用的公共快充桩,绝大大都支持的最高功率仍在70kW高低,远未到达“超充”水准。

而唯一与特斯拉Model 3在充电功率上处于同一水平的Taycan,受制于太高的售价,加上进入市场时候较短,是以在销量上还没法与前者等量齐观。

是以,Model 3之所以可以获得统治级的市场表示,除了其产物力自己之外,特斯拉充电技术的先辈性、充电体验的友爱性,也是一个不容轻忽的缘由。

经过在销售电动车的同时结构超级充电站,特斯拉为用户带来的充电体验远超行业均匀水平,成为助推其销量一路飙升、冠绝市场的重要缘由之一。




三、“超充”冲破口:高压电平台?


为了“击败”特斯拉Model S,在起头Mission-E产物界说时,保时捷对其客户停止了一次问卷观察,询问在他们心目中,一辆高贵的高性能电动轿车应当具有什么样的功用特征。

观察成果显现,除了优异的电池性能和续航里程,人们还希望电动车的充电时候不比燃油车长出太多。因而,保时捷将首款电动车的充电时候设定为15分钟。

虽然,在燃油车的天下里,普通私人车单次加满油的时长凡是不跨越5分钟,但电化学储能的固有属性,决议了电池的能量密度没法到达液态燃料的水准。为锂电池充电的效力,不管若何提升,也难以追得上将汽油注入油箱的速度。

此外,斟酌到私人充电桩将会是很多私人车主(出格是保时捷车主这样的高支出人群)平常充电的首要方式,而人们利用公共充电桩的体验,将逐步趋近于在公共场所为手机充电——在时候有限的情况下,并不需要每次都布满电,而是即充即走。是以,用15分钟充电补充约400千米续航(或用5分钟补充约150千米),是可以满足平常需求的,电动车用户终极也会顺应这样的利用习惯。

按照保时捷的计划,Taycan车型在2021年将实现350kW超大功率充电(15分钟充电≈400千米)。保时捷估计,其他车企的高端电动车也将跟从这一标准,但不管若何,Taycan将成为首个实现350kW充电的车型,从而击败特斯拉。

在一次采访中,负责保时捷高压电子系统开辟的约阿希姆·克莱默(Joachim Kramer)先容说,“工程师们需要处理的,现实上是在电池容量和充电速度之间的权衡题目。电池容量越大,需要充电的频次就越低,但车辆的价格也响应地更高。”

经过研讨,保时捷研发团队得出的结论是,在未来几年里,高端高贵的电动汽车电池容量将连结在90至100 kWh。“十年后,也许会到达200kWh?”克拉默猜测道。

随着电池容量的提升,充电的功率也需要继续进步。

在Taycan诞生之前,市道上支流的插电式混动和纯电动车型,普遍在300-400V电压下运转。若在电压稳定的情况下,需要加大电流才能实现更快速的充电,但这意味着电缆中的铜线尺寸将变得更粗、更重。

斟酌到充电桩对各年龄及分歧性他人群的通用性,要采用更粗、更重的充电线缆似乎并不现实。

更重要的是,电流的增大,将会致使充电接口和电池的温度急剧上升,带来辣手的热治理战争安题目。

权衡之下,保时捷挑选将动力电池的电压翻倍,采用的方式则是将更多电芯停止串联组合。亦即,在电芯总数稳定的情况下,将串联毗连的电芯数目进步一倍,并联毗连的电芯数目则削减一半。

Taycan的电池组位于整车前后轴之间,共包括396个64.6Ah的锂离子电芯,被均匀分派在33个模组中,每个模组包括12个电芯,在电气层面上,将396个电芯分为两组并联,每组包括198个串联电芯。

是以,电池组的最大电压到达约835V(198*4.2V)。


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图8:保时捷Taycan电池包安插(图片来历:保时捷官网)

此外,Taycan电池组还装备了高温液体冷却回路,该回路可冷却汽车的DC-DC转换器和高压增压器(自力的中温冷却回路用于冷却后桥模块,加热回路则用于高压加热器和HVAC系统)。

经过将整车平台的电压进步至800V,保时捷团队得以在电池组壳体、电力电子装备、永磁机电的缠绕线、毗连车轮的电缆等部件削减材料用量,据克拉默估计,这为Taycan整车减重约30kg——即使对一辆跨越2吨的纯电动车而言,这样的减重结果仍然是很有代价的。

对车上的其他部件来说,更高的电压意味着需要增加额外的绝缘、部件之间需要更大的间隙,以及更强大的冷却系统。

传统的保时捷供给商们,大都没有才能供给这样的部件;而有才能供给类似部件的供给商则多来自其他范畴——例如为电动机车供给MOSFET的半导体供给商——是以没法满足情况、温度、抗震、寿命等车规级要求。

市道上可以满足超高电压、同时又实现了大范围量产的产物少之又少,如在微波炉中利用的磁控管,工作电压到达1000V以上,但其所能承受的电流只要1-2A。

面临这样的“非典型供给链题目”,保时捷不能不挑选与供给商亲近合作,配合开辟、试制、测试、点窜、再测试这些新开辟的部件。

例如,保时捷在Taycan开辟早期停止的测试显现,市场上现有电动车的充电接口,没法承受800V高压充电,是以需要针对800V电压重新开辟公用接口。

此外,按照律例要求,电动汽车必须可以将其贮存的电从高压系统中快速排挤,由于在发生碰撞的情况下,车内的电能能够会激发救济职员触电。是以,车辆中的储能设想,需要将电能快速转移到各个部件,并保证这些部件可以同时快速封闭。

2019年9月,保时捷Taycan正式上市,成为首个搭载800V电压平台的乘用车量产车型。

同月,现代-起亚团体公布,将在2021年公布搭载支持800V充电系统的车型。此外,通用汽车电动悍马、新兴造车企业Rivian和Lucid,也都公布了将在新车型上搭载800V-900V高压平台。高端电动车的“高电压化”,似乎已成趋向。

于此同时,特斯拉却在继续对峙400V电压线路。

对于不竭上探的充电功率,特斯拉也持有自己的概念。一位不愿签字的特斯拉高管曾在采访中暗示,按照其所做观察,用户们更垂青在期待充电时的放松体验——例如享用一杯咖啡——而非不竭削减充电所需的时长。

马斯克也曾在2018年的一次电话会议上指出,充电功率跨越250kW,将会破坏电池的化学结构。




四、结语


假如将超充比作一列高速行驶的列车,我们将更轻易了解电池和车辆设想对充电速度的影响——增加机车的功率是相对轻易的,但决议列车速度的,是铁轨的性能。

增加充电桩的功率是相对轻易的,但决议充电速度的,是电动车动力电池的性能。

超大功率充电桩装备已不是实现超充的障碍——除上文提到的外洋超充桩产物之外,在国内,由星星充电开辟的液冷型大功率充机电,已在2019年实现单枪高达500kW输出功率的充电树模。

星星充电董事长邵丹薇在接管《建约车评》等媒体采访时自傲地暗示,奥迪、奔驰、捷豹路虎等几近一切奢华品牌,都将在未来几年推出高压平台车型,届时,星星充电开辟的超大功率充电桩将迎来用武之地。

呼吁更多的汽车制造商,尽快推出更高电压平台的电动车产物。



参考材料
1. Porsche Claims It Can Double Tesla’s Fast-Charging Rate
https://spectrum.ieee.org/transportation/efficiency/porsche-claims-it-can-double-teslas-fastcharging-rate


2. Everything You've Always Wanted to Know About Fast Charging
https://fastnedcharging.com/hq/everything-youve-always-wanted-to-know-about-fast-charging/


3. Why Did Porsche Go to the Trouble of Designing an 800V Taycan EV?
https://chargedevs.com/newswire/why-did-porsche-go-to-the-trouble-of-designing-an-800-v-taycan-ev/


4. Rapid Charging: Mission “15 Minutes”
https://www.daimler.com/sustainability/battery-life-cycle/use-charging/ionity-report.html


作者微信:najlepsi接待交流。增加时请备注公司、姓名。





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