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同济汽车学院魏学哲:800V快充如何打消“里程焦虑”?
最后更新: 2023-02-15 22:43:29当下,经过行业的反复研讨,我们认为慢充和快充的均衡发展,来替代过去慢充为主的补能体系建设,是行业的共识。同时,我们也需要按照用户的习惯向燃油车靠拢,根据现在的充电时长计算,就需要4C倍率进行充电(指电池在15分钟内充满)。
从技术上来看,未来电池的容量在增大,充电的时间却要缩短,就只能通过提高充电的功率来解决。
作为最早进行电池扩容的车企,特斯拉很早便开始布局充电站,并进行充电技术研发。众所周知,特斯拉的超级充电站,是在全球范围内铺开的充电基础设施。这个充电站的充电功率大约在250kW,但它的电压只有400V。
如果希望在此基础之上进一步将充电时间缩短,就需要继续提升充电的功率。根据“功率=电压*电流”来计算,问题就在于提升电压或电流。在物理学常识中,电流越小,电能损耗越小,那么解决上述问题的办法就是“升压降流”。所以在国内,目前主流的技术都在向800V的技术路线靠拢。
但在提高电压的高收益下,这项技术也面临着诸多的挑战,我将之总结为三个方面。
第一点,在电力电子技术方面。比如电压提升带来的耐压问题、绝缘问题、碳化硅高频斩波问题等。
第二点,在电池方面。快充会给电池安全和电池寿命带来很大挑战。
第三点,在充电管理方面。过往的慢充形式中,充电器、充电桩和电池之间是一个弱耦合的关系,充电温度比较低,对于管理系统的要求不算复杂。但快充形式下,电池状态的急速改变,此时充电管理就需要更高动态的调整与管理。
展开来讲,保时捷之所以能够更早推出800V技术路线,技术的变化是关键。近年来,以碳化硅为代表的新一代半导体技术正快速成熟。碳化硅技术对于电动汽车行业就像一个“神助攻”,与此前常用的硅基IGBT相比,前者的导通损耗和开关损耗都大幅降低。
但前置条件满足后,其他方面的挑战就显现出来。首当其冲的就是电池,过去厂家们为了追求续航里程,一个重要方向是提升电池能量密度。但是,高压快充的需求则是提高电池的功率密度,然而能量密度和功率密度互相矛盾。
这就意味着,具备快充功能的电动车电池,必须要兼顾高比能和快充能力。这令电池厂商在材料选择、电池的单体设计等方面均面临着挑战。
电池管理系统
由于目前电池负极的主材仍是石墨,在大电流下,石墨会带来析锂问题,想要在这一前提下,做好快充又不损耗电池,就需要对电池管理系统提出更高要求。
第一,电池管理系统对各种物理量的检测,以及不能够检测量的估计问题。
第二,高温和低温的管理问题,举个例子,低温的时候电池更容易析锂,那么低温快充就必须要先进行加热,但另一方面,快充自身又会带来大量热量产生,又需要高温散热。
第三,快充的管理问题,这涉及到电池的安全与寿命,既要防止电池过充、过放、过热,又要预防自燃。析锂等问题。特别是面向以石墨为负极的材料,就需要掌握负极是否会析锂、何时析锂、能否用数据检测。只有满足这些前提条件,才能够构成一个充电管理的闭环。
所以,在我看来,电力电子技术、电池、电池管理等问题全部解决后,才能构成一个完整的充电体系。
在这个体系中,慢充是一个单一闭环,也就是恒流-恒压(CC-CV)充电模式。而快充则是各种物理量快速变化的模式,比如温度的控制、充电边界的调整,由于数值不再恒定,就需要动态调节。
另外,在长期充电的过程中,电池会产生衰老,导致充电边界、发热等参数发生变化。这时就需要针对电池的衰老,对充电体系进行调整。也就意味着需要对电池SOH(state of health电池健康度)的预估,并对RUL(Remaining Useful Life剩余使用寿命)进行检测,这同样是对充电管理的挑战。
除了上述三个核心挑战外,整套充电体系还会遇到其他问题。
在零部件方面,电压越高,越容易拉弧,高压继电器就可能会因为产生的电弧而损坏,熔断器、连接器以及一系列线束都可能会产生对应问题。
新能源汽车800V多功能电压转换器
在安全方面,400V的直流电已经十分危险,而从400V到800V的电压等级提升一倍,危险程度可想而知。所以,绝缘问题、耐压问题都是在汽车上需要解决的,不过对于电力行业来讲,800V仍被划分在中低压范围,也有着成熟的解决方案,不需要消费者们太过担心。
最后,我想谈一下充电基础设施的建设。这一技术进步可以分两方面来看的。
一方面,这项技术对汽车行业本身产生了很多影响,就像之前讲的更快速补能。
另一方面,这对于基础设施本身的建设也会产生很大影响。在这点上,行业的统一标准必须先行。为了解决这个问题,我国和德国、日本这些领先的电动汽车国家进行了充分沟通,形成了名为“CHAOJI”的标准,也就是汉语中“超级”的拼音,意味着是我国主导的标准。
总结来说,支持350kW到900kW的大功率充电未来可期。高压快充技术对于电动汽车行业将带来非常大的改变,它同样是一项影响体系性的技术,所以我们也希望整个行业继续努力,从而快速地将该技术推向市场。
- 责任编辑: 张家栋 
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