電池研究院:快速充電的極限在哪里?

2021-05-13 00:10:09 作者:黃恒樂

電池研究院:快速充電的極限在哪里?

 
什么是快速充電?

充電速度指的是對二次電池(可充電電池)進行電能補充的速度,充電快不快,需要看充電倍率。

充電倍率 = 充電電流 ÷ 電池額定容量

————

例子A:

0.2C = 570mA ÷ 2850mAh

5小時充滿2850mAh的電池,電流為570mA(0.57A),充電倍率0.2C。

例子B:

1C = 2850mA ÷ 2850mAh

1小時充滿2850mAh的電池,電流為2850mA(2.85A),充電倍率1C。

例子C:

5C = 14250mA ÷ 2850mAh

0.2小時充滿2850mAh的電池,電流為14250mA(14.25A),充電倍率5C。

————

一般而言,快充即是大于1C的充電倍率,不過業界并無強制標準,1C只是一個業界大概認同的倍率。

可能有些讀者也遇到過智能終端設備充電倍率太低的問題,有可能是電池過熱或者過冷,有可能是因為電池老化,亦或是充電器、充電線性能很差,最終造成了充電速度比掉電速度還快的尷尬場面。如下圖我的索尼MP3老機子,插電聽歌會遇上電量不足。

電池研究院:快速充電的極限在哪里?

如今電動汽車領域宣傳的 “充電僅需10分鐘”,就意味著遠遠高于6C的充電倍率,畢竟前后兩段都會降速,綜合的充電倍率會比峰值低一些。

高于6C?速率高于6C的直流充電樁分分鐘比你車還貴……

 
電池的充放電原理

充電的過程,就是活性的鋰離子從正極往負極移動的過程,鋰離子嵌入負極之后,電池就有了更高的電量SOC。

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如果我們再細化一下,就可以把“從超低SOC充到全滿SOC”的充電過程分為下面a到g的過程,可以用下圖淺紫色的電流曲線來表示,其中b與c過程即是圖中CC Fast Charge,d與e過程即是圖中CV:

電池研究院:快速充電的極限在哪里?

a、涓流充電:因電池過放電,內部材質非常脆弱,需要先進行恢復性充電,督促內部的活性物質起床打工。因此,長期虧電的老手機,剛插上電是無法開機的,等個五分鐘再試吧。

b、小電流恒流充電:Constant Current,即CC。此時開始加大電流,逐漸加速。

c、大電流恒流快速充電:快速充電的主要階段,同為CC,大電流充到80%左右。

d、大電流恒壓快速充電: Constant Voltage,即CV。到達滿電電壓之后,開始固定電壓,電流下降。

e、小電流恒壓充電:充電電流進一步降低,同為CV,一直到SOC滿電。

f、涓流充電:SOC先報滿(顯示滿電),其實還可以慢慢充進去一點,這個過程SOC維持在100%不變,這也是我們常說的“最耐用的1%”。如果手機一直插著電(比如夜晚睡覺充電),電池還會進行脈沖充電,充幾秒停幾十秒,將手機電量維持在100%,手機專賣店的機子都是這樣。

g、充滿:完全充不進去了。

 
充電速率的幾道門檻
A
 
電網負載

巧婦難為無米之炊,想要實現快速充電,就必須有一個魯棒性極強的電網。

根據國家統計局的數據,中國2020年發電量高達7.4萬億千瓦時,同比增長2.7%,連續10年蟬聯全球第一。根據國際原子能機構的數據,全球正建的71個核反應堆中,中國占了26個。世界核能協會稱,中國還在規劃或擬建另外180個核反應堆。

像印度這種缺電的國家,人口與中國不相上下,發電量只有中國的1/5,停電是極為常見的事情,最近新冠疫情火葬場電爐因為缺電停擺的事情還被網民寫成了段子。2001年涉及2.3億人的印度大停電,以及2012年涉及7億人的印度大停電,是工業革命之后波及最大的兩次億人級大停電。

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相比之下,作為世界第一大工業國,中國發電量之巨無可撼動,火電比例已降低至7成(且在不斷降低中),電網極為穩健,為汽車電動化鋪平了道路。這也很好地解釋了那次特斯拉甩鍋給江西南昌電網的事件有多天真,也不考慮一下中國電網巨頭們都有怎么樣的硬實力作為背書。

根據中國電動汽車充電基礎設施促進聯盟的數據,截止2020年12月,全國充電基礎設施累計數量為168.1萬臺。根據公安部數據,截至2020年底,全國新能源汽車保有量達492萬輛,因此目前中國的“車樁比”約為3:1。只不過,因為前期建設的充電樁之功率都比較低,所以新建的快充樁會對電網負載能力提出更高的要求,不排除有些充電站的用電功率超過一整個小區的家庭用戶。

電動汽車快充的確也當前的城市電網負載提出了極高的要求,筆者就曾經嘗試咨詢小區物業如何給我自己的停車位加裝7kW充電樁,物業給出的結論是“不愿意”。雖然7kW僅僅相當于兩臺空調,但每個小區的電網容量是很有限的,如果開放給10戶電動汽車用戶安裝還能勉強支撐,但若增加到30戶,那小區就會跳閘。

加建配電房與各種配電設備的錢,從誰手里掏?再多思考一步,先安裝的用戶會事后掏錢給后安裝的用戶均攤整體成本嗎?這都是暫時無解的問題。

B
 
充電樁功率

目前國網在各大快充站基本都鋪上了120kW快充樁,實際充電功率能保持在60kW以上就很不錯了,一樁兩槍的情況下還會被分走很大一部分功率。

2016年的時候馬斯克就在吹他們要整出350kW的SuperCharger V3,不過后來放棄了,技術和成本暫時不允許,不過目前落地的情況已經能做到250kW,峰值狀態下15分鐘補充250km續航也很不錯了,后來特斯拉將350kW這個目標重新定位給SuperCharger V4。

保時捷Taycan 800V系統在實驗階段可以做到15分鐘從0%充到80%,問題是高達350kW的充電功率不是哪個電網都能承受得了的,最終落地的時候也沒辦法達到這么可怕的充電倍率。

大眾汽車旗下的Electrify America于2018年在美國加州建設了首座350kW快充站,單個直流充電樁的功率高達350kW,最快可以在10分鐘內補充320km的續航里程,也就是1分鐘32km。不過這種快充站暫時沒有被全面鋪開,因為他們設定的標準電壓是800V的,而多數市面上電動汽車的電壓是400V,所以有些外媒解讀Electrify America此舉是為了應對柴油門事件群眾負面情緒而做出的環保舉措……

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瑞士ABB在2019年也發布了350kW直流超級快充,宣稱可以在8分鐘內補充200km續航里程,并可以兼容400V和800V兩套電壓系統,還在能-35℃到50℃之間寬闊的溫度區間正常工作。不過因為國內暫時沒有ABB提供的這套超神的系統,所以我們沒辦法驗證實際充電效率去到PPT上面說的多少成。

最近幾個月最火的要數廣汽新能源吹出來的那一陣風,說是新的石墨烯電池可以在8分鐘內將電池充到80%,還能達到1000km續航。

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在中國電動汽車百人會論壇(2021)上,中國科學院院士歐陽明高在講話中提到,“如果某一位說它既能跑一千公里,又能幾分鐘充完電,而且還特別安全,那大家不要相信,因為這是不可能的目前。” 后來廣汽新能源澄清,8分鐘和1000km是兩款電池的技術,不是同一款……

其實問題不大,只要8分鐘真的可以充上80%的電,電池容量根本不需要支撐1000km,不然就是對資源的極度浪費。我們現在更期待的是廣汽新能源能更快地兌現這項快充技術,特別對于城市用戶而言,快充比長續航重要多了。

C
 
電池配方

正極材料對鋰離子電池充電速度的影響非常大,比如LFP磷酸鐵鋰配方的電導性就不如NCM三鋰配方的。當然,如果對LFP正極表面包覆納米級材料或者引入新型導電劑,可以一定程度上提升充電倍率。

負極材料是充電倍率突破的主要方向,比如寧德時代在2019年就對外宣稱正在研發一種新的磷酸鐵鋰電池技術,在負極石墨的表面利用“快離子環”技術讓石墨結構兼具超級快充和高能量密度的特性,石墨層增加鋰離子嵌入速度后可以達到4C-5C的超級快充能力,相當于15分鐘完成主要的充電過程。

改良負極的另一種方案是采用石墨烯結構。前兩年,石墨烯概念炒得比綠水鬼還火,各種真假新聞充斥網路。實際上,石墨烯并不能像那些媒體人說的那樣大大增加電池能量密度,它只是相當于內燃機的渦輪增壓器,在理論上可以提升充放電速率而已。

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但石墨烯真的是一個徹底的騙局嗎?也不全是。相比于在鋰離子電池中的運用,石墨烯更有希望在超級電容中使用,其堪稱變態的充放電效率可以讓充放電速度大幅度提升。問題是,超級電容器的能量密度只有鋰離子電池的1/10左右,所以使用超級電容器充當動力電池部分的電動汽車只有極短的續航,當一下園區內的接駁巴士還成。

剛剛我們也提到了廣汽新能源最近研發出一種增加了石墨烯配方的超級快充電池,如果真的能投入量產使用的話,的確是一大突破,因為此前業界一直認為石墨烯添加劑極難投入量產化。

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從電解液入手也可以提升快充倍率,因為電解液涉及到鋰離子的遷移速度,因此可以嘗試研發高解離度電解質鹽,或者研究如何生成界面阻抗更低的SEI膜。

此外,因為首次充電的時候,電極材料和電解液在固液相界面上發生很復雜的反應,形成一層覆蓋于電極材料表面的鈍化層(SEI膜)并消耗掉一批活性的鋰離子,所以現在有些電池會對正極材料進行“預鋰化”,把SEI膜要消耗的鋰離子先給足,從而提高電池的總容量和能量密度,也可以避免因為鋰離子缺失而導致的充電速度緩慢問題。

除了正極、負極、電解液和鋰離子,我們還可以充生產工藝入手來提升充電倍率,比如更將均勻的漿料可以讓活性物質之間、活性物質與集流體之間可形成較均勻的導電網絡,更好的極片涂布一致性可以讓內部電流分布更加均勻有序,更高的極片壓實密度可以提升電池性能。

那么大家吹得特別狠的固態電池呢?害,其實這種電解質天生跟超級快充不太搭邊,因為固態電解質的界面接觸性差(固體-固體),電導率偏低,高倍率大電流一來就捉襟見肘了,比較難實現快速充電,功率密度也有限。

D
 
電控

高功率的直流充電樁會使用AC-DC和DC-DC將電網給到的三相交流電轉換成大約400V-800V的直流電,充電樁需要通過數據傳輸通道(高壓控制盒、整車控制器、數據采集終端等)與車輛電控系統溝通,而當前的充電倍率是車載BMS通過當前電池的溫度、SOC等狀態決定的。如果電池正在承受不符合設計初衷的高倍率,輕則減少循環壽命,重則熱失控并導致自燃。

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隨著SOC越來越高,電池內部可以承受的充電倍率就越低,所以SOC到達80%左右就要開始對充電倍率進行降低,以免損傷電池內部結構。

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除了樁與車之間的通訊,充電樁還需要組建一條用于線上付費的數據通道,因為充電服務基本不可能用紙幣來支付,而這條付費數據通道還得保證高等級的安全性,以及盡可能減少付費的操作門檻和掉線壞賬的可能性。

E
 
電池散熱

每個人生來就默認有快速吃飯的能力,但耐受能力完全不同,有些人吃快了會有腸胃問題。同理,電池都默認有快充快放能力,但耐受能力是完全不同的,一款本來就不是設計給快充用的電池若是接受過大電流的充電,會導致焦耳熱效應急劇增加,電池內部反應劇烈,電解質分解析氧,結構崩塌,脹包自燃。

想要電池耐受快速充電,就必須有較低的電阻R,這樣子可以降低焦耳熱Q。

我們回憶一下高中的一條焦耳定律公式:Q=I2Rt

焦耳熱Q與電流I的平方成正比,因此電流I一旦提升,對散熱的要求將是幾何倍數的提升。

電阻R若是降低,則對降低Q有直接的幫助。所以我們需要使用更高電導率的電極材料,使用更多的導電劑,使用導電性能更好的電解液等等。

時間t就不用說了,充久了自然積熱多。

當然,一套合格的電池溫控系統,是不會讓電池過熱的,如果真的在充電時出現了局部過熱,有可能包含但不限于下面三個原因:

1、電池溫控系統有問題

熱未能及時散出去,就像熱情顧客(鋰離子Li+)占著各種位置拍照不肯挪位置,就會有部分熱情顧客變成暗黑顧客(死鋰Li)。

現在就有好些用戶花兩三千塊將交流慢充的PHEV 非插混車型改成直流快充,從更大功率的動能回收機構灌進去,這種方式從理論上沒有太大問題,實際充電功率低于動能回收功率。問題在于這塊電池的設計初衷是給慢充用的,電流密度過大容易生成鋰枝晶,散熱也可能有問題(誰家PHEV連續下坡1.5小時啊,設計初衷里面沒這個),電池包熱失控的概率會相應增加,一旦自燃的話還沒有廠家墊底,畢竟你是私自改裝的。

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2、最后的恒流充電階段沒控制好

理想的鋰離子充電過程應該是“涓流充電-恒流充電-恒壓充電-涓流充電-充滿”,電池SOC大約從80%到100%(報滿電流)的地方都是用恒壓充電,速度比較慢,你們充手機充汽車也感受得到。

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3、大電流引起極化

大電流快充時,負極擠了太多鋰離子,引起電極處的濃差極化現象,局部過熱,電極材料被破壞,衍生出一堆死鋰Li。

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F
 
電池加溫

電池很嬌氣,受不了太熱,也絕對受不了太冷。低溫狀態下使用快充會損傷電池,而且溫度越低,電池內部可以承受的充電倍率就越低,低溫之下最遭罪的主流配方是磷酸鐵鋰LFP。

那么問題來了,溫度低犯什么錯了呢?低溫前提下的大電流充電,就是在負極還沒反應過來的時候就涌進去海量的活性鋰,電池內部活性物質在低溫時很慵懶,活性鋰就把負極擠壞了。

因此,在溫度很低的涓流充電第一階段(電池發熱還沒開始)進行大電流充電是很危險的,電控做得不好的新能源車在北方冬季快充時可能有風險。除此之外,恒流和恒壓階段的低溫,也是嚴峻的問題,所以有些中高端新能源車的電控會用溫控系統給電池預熱,再進行大電流快充,免得鋰枝晶大量生長。

為了解決低溫環境下電池溫度不足的難題,當前業界有數種解決方案:

1、電芯外部加熱:在模組或者電池包層面加裝加熱模塊,這種是最常見的。

2、電芯內部加熱:如下圖,這種結構不多見,直接在電池內部加熱,不過只適用于大型的動力電池。

3、電芯充放電未來得及散發的熱量:自然現象,之前的電池技術文章中講了挺多次。

4、外掛內燃機加熱:以威馬為代表的外掛小型內燃機門派,雖然聽起來挺逗(掛著個內燃機的純電車),但在極度低溫下無法著車或真實續航能力銳減至30%以下時,你會感謝這種外掛……

電池研究院:快速充電的極限在哪里?

G
 
電池損耗

“快充傷電池”不是野雞公眾號的謊言,這事的確存在,只是危害程度沒野雞號說得那么夸張。同理,汽柴油車有磨合期但并非磨合期不能上高速,新車買回來可以直接開根本不需要什么貼膜鍍晶底盤裝甲,嗐,反正少看野雞號吧。

如果不考慮電池壽命的話,怎么加快充電速度都行(如前文所言),問題是你會完全不考慮自家電動車的動力電池壽命嗎?

“快就行了,充壞了大不了下個月再換一臺車。”有這么灑脫的消費能力干嘛不去買汽油超跑。

快充會一定程度上降低庫倫效率(coulombic efficiency),也即是放電效率,對于正極而言就是放電容量/充電容量(嵌鋰容量/脫鋰容量)。有些電池首次放電時的庫倫效率會高于100%,但隨著SEI膜的形成,便會降低到100%以下,并隨著循環增加而慢慢降低比例,活性越來越弱。

因為快充會讓來不及嵌入負極的活性鋰離子變成死鋰,隨著活性鋰離子的減少,庫倫效率會逐步降低,放電效率不如新電池,體現出來就是:充電慢、儲電量少、放電功率降低。

H
 
絕緣要求

目前多數電動汽車改裝都不屬于“汽車改裝”,應該屬于最low的“汽車化妝”,不動電氣線路的話影響不大,只是風阻更大些、續航更低些而已,基本無公害。

最麻煩的土法改裝是PHEV插電式混合動力車型“慢充改快充”,這草根改裝法的原理是利用機艙內電控器接口接入動能回收系統,用全車唯一大功率的動能回收線路進行快充,最高可以改到30kW充電功率。

無論動力電池是否有快充能力,其實都具備高倍率充放電的能力,只是受損狀況是不明晰的,本身有快充能力的電池可以更多次地快充快放,本身無快充能力的電池只能“折壽”,前文已經提到過。

電池研究院:快速充電的極限在哪里?

問題是,由于是私自改裝高壓裝置,而這些全套“個性化定制”服務僅需3000塊的民間科學家并沒有把配套的絕緣升級服務給到,所以插拔直流快充插頭的過程是很危險的,更別說雨天或者回南天進行這種操作。

對于純電動車而言,如果400V電壓平臺的電動汽車想要提升充電極限,可以通過更換散熱系統、電容、IGBT和提升絕緣等級來升壓到800V電壓平臺,不過這些工序是個人與快修店完全無法執行的,廠家也不會專門去弄這么一套升級程序。

提升到800V之后,絕緣要求也就水漲船高,所以當你打算去抬起一根保時捷800V快充樁的充電線纜時,會發現男性車主才有力氣去馴服這條橡膠做的黑色巨龍……

I
 
成本

不談成本說快充,簡直就是耍流氓。

一座中型的快速充電站(10個樁位),征地成本大約200萬,基礎設施成本大約400萬,配套設施成本大約100萬,加起來差不多700萬元。

60kW直流快充樁的建設成本在7萬元左右,120kW直流快充樁的建設成本在13萬元左右,如果想投資250kW甚至350kW充電樁,那么“樁比車貴”也是可能的事情。

目前直流快充倍率達到1C已經很不錯了,而350kW的直流快充的充電峰值倍率高達3.5C(假設大容量高壓電池包為100kWh),這是絕大部分廠家和消費者都無法承受其成本的。

 
電動汽車快速充電的極限在哪里?
A
 
有線充電

因為效率高、潛力大,有線充電必然是接下來電動汽車充電的最主流方式,而直流快充則是提升充電倍率的實現形式。

私樁花不起十萬八萬弄高功率直流快充哦,而目前市售的最高功率私樁是蔚來此前發布的20kW家用充電樁(直流),雖然可以縮短2/3的慢充時間,但需要用到380V三相電,安裝價格高達1.68萬元,而且多數小區沒辦法提供這么高的負載。考慮到蔚來車主群體中有不少是擁有獨棟別墅的,所以這套20kW快充還是挺有開發價值的。

公用樁是運營性質的,可以服務海量的新能源車用戶,所以成本敏感度沒那么高。當前在建的公用樁主流功率為120kW,業界都在往250kW上面趕,而下兩步是350kW與500kW。

電池研究院:快速充電的極限在哪里?

500kW是一個非常大的功率值,也即是一臺保時捷911 GT2 RS在全功率輸出的極值,對電網負載的影響有多大,發熱量有多可怕,稍微預估一下便知道。

此外,線材也很重要,我們平時買手機快充頭就知道了,如果配上老式的充電線,比如只能過2A電流的,那么功率也就5V×2A=10W而已,而現在手機充電器最起碼有個22W才能勉強叫快充。隨著電壓、電流、功率越來越高,線材會變得越來越重,可能成年男性都不能舉起來了。

B
 
無線充電

等自動駕駛技術成熟之后,無線充電將脫離雞肋技術的行列,逐漸成為現實。

電池研究院:讓人又愛又恨的磷酸鐵鋰

當前主流的新能源汽車無線充電方式有以下幾種:

無線充電主要原理
中文名電磁感應式磁共振式無線電波式電容耦合式
英文名Magnetic InductionResonanceRadio ReceptionCapacitive Coupling
原理電磁感應收/發兩端
同頻共振
電磁波
轉電流

  偶極子
感應輸電

傳輸功率W級 kW級 0.1W級10W級
傳輸距離mm-cm級cm-km級10m級mm-cm級
工作頻率22kHz13.56MHz2.45GHz560-700kHz
充電效率80%50%38%70-80%
優點效率高功率
距離
距離長發熱少
對準要求低
缺點距離短
對準要求高
效率低
人體健康影響
功率小
效率很低
距離短
體積大
功率小
廠商Ti
Powermat
Splashpower等
MIT
Intel
富士通等
Powercast等Murata等

從表格可知,無線充電的傳輸功率非常低,因此目前最高功率的無線充電裝備也只能建議給PHEV插電式混合動力車型充電。

電池研究院:紅警磁爆線圈與無線充電技術

在新能源汽車領域,目前無線充電標準比較繁雜,我們舉兩大巨頭的例子:一個是美國汽車工程師學會SAE發布的TIR J2954,據稱能量傳輸效率最高可達85%(目前技術條件下是空中樓閣),設有四個功率級別,分別是3.7kW (WPT1)、7.7kW (WPT2)、11kW (WPT3)、22kW (WPT4)。目前正在玩的是WPT1和WPT2。

電池研究院:紅警磁爆線圈與無線充電技術

另一個是中國電力科學研究院(CEPRI),中國汽車技術與研究中心(CATARC)、中國電力企業聯合會(CEC)與前文提到的WiTricity公司合作之成果,中國國標GB/T 38775《電動汽車無線充電系統》。

電池研究院:紅警磁爆線圈與無線充電技術

國標的前4種功率跟SAE標準是一致的,后面還有WPT5-7,其中WPT7的充電功率大于66kW,對于有線充電而言都算得上快充。 

C
 
超級電容

剛剛我們提到了石墨烯元素和超級電容,如果不考慮單次充電的儲電量,超級電容的確可以做到非常神奇的快充效果,按秒來計算的真·超級快充。

電池研究院:快速充電的極限在哪里?

只不過如此少的儲電量,只夠汽車跑很短的一段路,做成園區接駁巴士,站站停,站站充,也是可以的。

D
 
換電站

Bug一樣存在的換電站,其實并非蔚來一家在造,一些運營車輛也在使用,比如北京運營的北汽新能源換電版本的出租車。

電池研究院:快速充電的極限在哪里?

換電站的邏輯是在電池快充技術和能量密度無法得到根本突破的時期內,轉移充電時間和空間,像換彈夾一樣把新的電池包給車子裝上。

雖然一直被業界詬病(仿佛化的是噴子的錢那樣),但不得不承認換電是當前最快的電動汽車獲取電能之方式。

E
 
氫燃料電池方案

以氫燃料為代表的燃料電池方案,是解決充電速度問題的另一個方案。

如下圖,氫氣儲藏在儲氫罐當中,燃料電池堆棧負責將氫氣轉換為電能,電能可以進入小型儲電池或者直接驅動電動機。

電池研究院:快速充電的極限在哪里?

這套方案的優勢在于加氫僅需5分鐘左右,與當前的汽柴油車加燃料市場比較接近。難就難在加氫站建設成本動輒1500-2000萬,目前僅適合點對點的商用運輸路線。

此外,氫燃料電池車無法推廣,政治原因占了主導地位。君可見,日本在國際上并沒啥盟友,基本都是塑料關系。日本想要大肆推廣MD機,中國美國立刻讓MP3播放器產業化;日本想要整等離子電視,中國美國立刻把液晶產業鏈整起來了;日本想要連同韓國一起發展氫燃料電池車,中國美國直接弄純電動……

所以掐架最厲害的中美,不真的像大家眼里所看的那樣。說到底,都是國家利益在驅動。

F
 
液流電池方案

液流電池方案其實比較類似燃料電池方案,只不過液流電池的能量密度實在太低了。

nanoFlowcell品牌之前就發布過幾款液流電池車,使用QUANT E的俯視圖可見,正負各200L的電解液缸體分布在車體中后方底盤內(QUANT E為左右250L),電解液流入燃料電池產生電能,通過超級電容器,最終傳送至四輪電機。

nanoFlowcell液流電池車俯視圖

QUANT E扛著一共250L×2=500L廢液來到電解液補充站,第一件事就是卸下之后要運回工廠回爐重造的廢液,第二件事是裝載新鮮的電解液。問題就來了,同時工作的雙邊輸液機構,效率有多高呢?

nanoFlowcell液流電池車

筆者假設單邊輸液管孔徑為5c㎡=0.0005㎡,單邊液罐250L=0.25m³,那么一次放液/補液就要輸送500m長的電解液。以1m/s的速度估算,放液8.3分鐘,補液8.3分鐘。尚算理想。

G
 
其他:功率型儲電裝置

在功率型的儲電裝置中,電池的快充能力極大地提升了電站能源的利用效率,讓電網的瞬時響應速度加快,降低損耗。

 
一些想法
A
 
假新聞的困局

快充技術從實驗室到量產化,需要非常長的周期,但很多自媒體(不能稱之為新聞工作者)為了搶頭條熱點總是起一些過于讓人振奮的假新聞,以偏概全地把實驗室樣品的技術說成量產化產品的技術。

電池研究院:快速充電的極限在哪里?

按照上述的新聞,1分鐘充滿一臺車,這得是什么功率的充電裝置?60C的充電倍率,30000kW的充電功率(假設電池包50kWh),充電電纜怕是要用起重機來抬了吧,充電站給10臺車充電的話就需要小鷹號航空母艦動力系統全功率運作才能勉強維持……

某些媒體人編新聞之前能稍微學點初中物理知識再上崗嗎?

B
 
安全性能的困局

當前,約有60%的新能源車著火事故是電池本身熱失控引起的,30%左右是充電事故,只有3.6%左右是因為行駛事故中的撞擊,因此消費者擔心事故自燃還不如多留意一下充電安全。

熱失控的機理(學界一般稱為“濫用”)可分為物理和電化學兩大方向,而這三成的充電事故誘因有可能是物理也有可能是電化學。

電池研究院:新能源車為何總是自燃?

自2021年1月1日實施的動力電池安全新國標GB 38031-2020《電動汽車用動力蓄電池安全要求》,引入了非常多種類的安全試驗,其中對電池單體進行過放電、過充電、外部短路、加熱、溫度循環、擠壓試驗,對電池包或系統進行振動、模擬碰撞、擠壓、濕熱循環、浸水、熱穩定性、溫度沖擊、鹽霧、高海拔、過溫保護、過流保護、外部短路保護、過充電保護過放電保護試驗。

除了撞擊或者浸水這類物理濫用之外,包括加熱、溫度沖擊、熱穩定性、過充電在內的多種試驗都與快充有關系。隨著充電電壓與電流越來越高(廢話,P=UI誰逃得過),快充在接下來相當長的時間內都會是新能源車著火事故的主要誘因,廉價車型的設計、用料、做工問題的安全影響會隨之被放大。

C
 
商用車的困局

商用車型一直都不缺少空間來承載電池包,于是就有了巨大的電芯數量和巨大的耗電量,隨之而來的是巨大的安全風險。要知道,電池包內部的任何一顆電芯熱失控,都是有很大概率“火燒連營”的。

電池研究院:快速充電的極限在哪里?

為商用車充電,需要充電站/充電樁提供高一個數量級的供電能力,如果在快充期間遇上熱失控,撲滅火災的難度也會高一個數量級。

D
 
跨領域造車

華為小米魅族的快充技術能用到動力電池領域嗎?

那個……消費級和車規級不是同一個概念好不好,120W快速充電和120kW快速充電之間差了整整三個數量級呢……

請問當前跨領域造車有幾家成功過的呢?汽車工業可是國家重工業的掌上明珠,很多技術是不可以出口的,你說那些根本未涉足過汽車工業的其他領域外行門生能短時間內學會嗎?

所以我們才會看到很多跨領域造車的企業弄了一大堆工業垃圾出來把第一批消費者當提供運行數據的白老鼠,老牌造車企業百年來趟過的坑他們也不會幸免。

對造車請保持敬畏,這是一項非常難以掌握且可以迅速“民轉軍”的高精尖學問,別忘記福特曾經生產轟炸機,凱迪拉克可是坦克生產專家,大眾與巡航導彈有說不清的瓜葛。

E
 
充電樁企業的積極性

充電樁企業與充電樁運營企業,都沒有特別強的超級快充樁推動意愿。

市場沒有成熟的前提下,5C甚至更高充電倍率的超級快充樁,其建設成本極高,投資回報周期非常長(雖然快充可以提升客戶的流轉率),那么誰來做第一批吃螃蟹的虧本生意?

電池研究院:快速充電的極限在哪里?

快充只有比較低的消費者感知成本,因為快充樁不是自己專屬的,而續航則是自己車載高壓電池包決定的,所以消費者更愿意花大價錢去買長續航純電動車,而沒那么高意愿去花大價錢購買更短時間的超級快充服務,畢竟有些快充只是薛定諤的快充……

F
 
PHEV快充的普及速度

目前越來越多PHEV插電式混合動力車型開始裝備充電倍率較低的直流快充裝置,這是一件好事。(下圖是PHEV慢充改快充,非常危險)

電池研究院:快速充電的極限在哪里?

對于消費者而言,快充可以讓PHEV更多地使用電能驅動,少使用燃油,降低燃耗成本。

對于車企而言,PHEV快充功能可以提升銷售潛力。

對于充電樁企業而言,此前安裝的低充電倍率直流充電樁不會被拋棄,而是繼續投入PHEV領域使用,這也為更高功率的超級充電樁提供了建設資金。

對于國家而言,多用電少燒油可以進一步提升我國的能源安全。

G
 
超時占用費

超級快充就代表了超高的基建成本和相對短促的充電時間,因此超時占用費是非常有必要的一筆稀缺資源占用收費,如果沒有這筆費用的話,快充服務的用戶體驗將因為某些用戶的自私而變得非常糟糕。

拿目前特斯拉的超時占用費標準作為案例,如果充電站當前的空余車位小于等于50%,當前用戶在充電完成之后依然占用充電車位超過5分鐘,特斯拉將收取3.2元每分鐘的超時占用費。若是充電站當前的空余車位是0,這筆費用將提升至6.4元每分鐘。

電池研究院:快速充電的極限在哪里?

這不是針對中國市場用戶的特殊收費,實際上全球特斯拉用戶都要繳納這筆違約金。

 
快充與環保的關系

一方面,快充可以降低續航焦慮,減少動力電池的容量,為整車減重進而降低每公里的電耗,可謂節能與環保雙馨。

一方面,快充會降低充電效率,過多的電能變成無用的熱量,此外還會加快電池老化降低電池壽命,加快鋰枝晶的形成,造成自燃風險。此外,超級快充會大大加重電網負荷,需要使用很多社會資源來構建基建設施。

因此,快充并不能直指環保,它有環保與不環保的兩面性。

此外,此前有不少廠家炒V2G反向充電的環保特性,實際上這種重度消耗動力電池循環壽命的方案根本不環保,因為動力電池的生產與回收期間會產生重度的污染,利用電動汽車為電網儲能的方案基本沒有贏家。

電動汽車最大的軟肋在于電池技術瓶頸無法突破,而汽車社會歷經一百多年來養成的用車習慣(3分鐘加完油料)與之并不兼容,快充將是除能量密度之外的另一項可行的解決方案。脫離了能量密度與快速充電大聊電動汽車未來的車企,基本都是不值得信賴的。

以這個辯證思考為結尾,這篇萬字長文正式結束。

(圖/文/攝:太平洋汽車網 黃恒樂)

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