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同濟汽車學(xué)院魏學(xué)哲:800V快充如何打消“里程焦慮”?
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張家棟zhangjiadong@guancha.cn
最后更新: 2023-02-15 22:43:29當(dāng)下,經(jīng)過行業(yè)的反復(fù)研討,我們認(rèn)為慢充和快充的均衡發(fā)展,來替代過去慢充為主的補能體系建設(shè),是行業(yè)的共識。同時,我們也需要按照用戶的習(xí)慣向燃油車靠攏,根據(jù)現(xiàn)在的充電時長計算,就需要4C倍率進行充電(指電池在15分鐘內(nèi)充滿)。
從技術(shù)上來看,未來電池的容量在增大,充電的時間卻要縮短,就只能通過提高充電的功率來解決。
作為最早進行電池擴容的車企,特斯拉很早便開始布局充電站,并進行充電技術(shù)研發(fā)。眾所周知,特斯拉的超級充電站,是在全球范圍內(nèi)鋪開的充電基礎(chǔ)設(shè)施。這個充電站的充電功率大約在250kW,但它的電壓只有400V。
如果希望在此基礎(chǔ)之上進一步將充電時間縮短,就需要繼續(xù)提升充電的功率。根據(jù)“功率=電壓*電流”來計算,問題就在于提升電壓或電流。在物理學(xué)常識中,電流越小,電能損耗越小,那么解決上述問題的辦法就是“升壓降流”。所以在國內(nèi),目前主流的技術(shù)都在向800V的技術(shù)路線靠攏。
但在提高電壓的高收益下,這項技術(shù)也面臨著諸多的挑戰(zhàn),我將之總結(jié)為三個方面。
第一點,在電力電子技術(shù)方面。比如電壓提升帶來的耐壓問題、絕緣問題、碳化硅高頻斬波問題等。
第二點,在電池方面。快充會給電池安全和電池壽命帶來很大挑戰(zhàn)。
第三點,在充電管理方面。過往的慢充形式中,充電器、充電樁和電池之間是一個弱耦合的關(guān)系,充電溫度比較低,對于管理系統(tǒng)的要求不算復(fù)雜。但快充形式下,電池狀態(tài)的急速改變,此時充電管理就需要更高動態(tài)的調(diào)整與管理。
展開來講,保時捷之所以能夠更早推出800V技術(shù)路線,技術(shù)的變化是關(guān)鍵。近年來,以碳化硅為代表的新一代半導(dǎo)體技術(shù)正快速成熟。碳化硅技術(shù)對于電動汽車行業(yè)就像一個“神助攻”,與此前常用的硅基IGBT相比,前者的導(dǎo)通損耗和開關(guān)損耗都大幅降低。
但前置條件滿足后,其他方面的挑戰(zhàn)就顯現(xiàn)出來。首當(dāng)其沖的就是電池,過去廠家們?yōu)榱俗非罄m(xù)航里程,一個重要方向是提升電池能量密度。但是,高壓快充的需求則是提高電池的功率密度,然而能量密度和功率密度互相矛盾。
這就意味著,具備快充功能的電動車電池,必須要兼顧高比能和快充能力。這令電池廠商在材料選擇、電池的單體設(shè)計等方面均面臨著挑戰(zhàn)。
電池管理系統(tǒng)
由于目前電池負(fù)極的主材仍是石墨,在大電流下,石墨會帶來析鋰問題,想要在這一前提下,做好快充又不損耗電池,就需要對電池管理系統(tǒng)提出更高要求。
第一,電池管理系統(tǒng)對各種物理量的檢測,以及不能夠檢測量的估計問題。
第二,高溫和低溫的管理問題,舉個例子,低溫的時候電池更容易析鋰,那么低溫快充就必須要先進行加熱,但另一方面,快充自身又會帶來大量熱量產(chǎn)生,又需要高溫散熱。
第三,快充的管理問題,這涉及到電池的安全與壽命,既要防止電池過充、過放、過熱,又要預(yù)防自燃。析鋰等問題。特別是面向以石墨為負(fù)極的材料,就需要掌握負(fù)極是否會析鋰、何時析鋰、能否用數(shù)據(jù)檢測。只有滿足這些前提條件,才能夠構(gòu)成一個充電管理的閉環(huán)。
所以,在我看來,電力電子技術(shù)、電池、電池管理等問題全部解決后,才能構(gòu)成一個完整的充電體系。
在這個體系中,慢充是一個單一閉環(huán),也就是恒流-恒壓(CC-CV)充電模式。而快充則是各種物理量快速變化的模式,比如溫度的控制、充電邊界的調(diào)整,由于數(shù)值不再恒定,就需要動態(tài)調(diào)節(jié)。
另外,在長期充電的過程中,電池會產(chǎn)生衰老,導(dǎo)致充電邊界、發(fā)熱等參數(shù)發(fā)生變化。這時就需要針對電池的衰老,對充電體系進行調(diào)整。也就意味著需要對電池SOH(state of health電池健康度)的預(yù)估,并對RUL(Remaining Useful Life剩余使用壽命)進行檢測,這同樣是對充電管理的挑戰(zhàn)。
除了上述三個核心挑戰(zhàn)外,整套充電體系還會遇到其他問題。
在零部件方面,電壓越高,越容易拉弧,高壓繼電器就可能會因為產(chǎn)生的電弧而損壞,熔斷器、連接器以及一系列線束都可能會產(chǎn)生對應(yīng)問題。
新能源汽車800V多功能電壓轉(zhuǎn)換器
在安全方面,400V的直流電已經(jīng)十分危險,而從400V到800V的電壓等級提升一倍,危險程度可想而知。所以,絕緣問題、耐壓問題都是在汽車上需要解決的,不過對于電力行業(yè)來講,800V仍被劃分在中低壓范圍,也有著成熟的解決方案,不需要消費者們太過擔(dān)心。
最后,我想談一下充電基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)。這一技術(shù)進步可以分兩方面來看的。
一方面,這項技術(shù)對汽車行業(yè)本身產(chǎn)生了很多影響,就像之前講的更快速補能。
另一方面,這對于基礎(chǔ)設(shè)施本身的建設(shè)也會產(chǎn)生很大影響。在這點上,行業(yè)的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)必須先行。為了解決這個問題,我國和德國、日本這些領(lǐng)先的電動汽車國家進行了充分溝通,形成了名為“CHAOJI”的標(biāo)準(zhǔn),也就是漢語中“超級”的拼音,意味著是我國主導(dǎo)的標(biāo)準(zhǔn)。
總結(jié)來說,支持350kW到900kW的大功率充電未來可期。高壓快充技術(shù)對于電動汽車行業(yè)將帶來非常大的改變,它同樣是一項影響體系性的技術(shù),所以我們也希望整個行業(yè)繼續(xù)努力,從而快速地將該技術(shù)推向市場。
- 責(zé)任編輯: 張家棟 
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