2020年第三季度,中国新能源汽车销量连续三个月实现同比增长且创下历年新高,在逐渐走出补贴退坡、整体车市下滑以及新冠肺炎疫情的三重影响之后,新能源车市有望步入以个人用户购车为主的良性发展轨道。
如果要问,还有什么在阻碍电动汽车的发展驶入“快车道”,答案很可能是——充电。电动车主在公共区域“充电难”的问题虽已是老生常谈,但随着电动车渗透率的攀升,“充电难”问题甚至可能进一步凸显。
电动汽车接下来的发展,在很大程度上取决于充电网络;而要提升充电网络的效率,更大功率“超充”技术的应用已是弦上之箭。
一、“超充”的原理
什么是电动汽车的“超充”?它与“慢充”和常规“快充”有何不同?
所有电池(包括电动汽车中的动力电池)都使用直流电(DC)进行充电和放电。但是电网提供的是交流电(AC)。因此,来自电网的交流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,因此,AC/DC转换器是电动汽车充电装置不可或缺的一部分。
充电装置既可以作为车载充电器(OBC)集成到车辆中,也可以位于车辆外部。当前,几乎所有电动汽车都配有小型OBC,人们可以用电缆将OBC连接到常规的交流插座,也可以通过交流充电桩与OBC连接。因此,交流充电桩实际上不是充电器,而是可插入充电电缆的智能插座。
如果要更快速地充电,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成本。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可靠运行。因此,平衡众多因素下,汽车制造商通常会选择较小(因此也速度较慢)的OBC。
与“OBC+交流充电桩”的组合相比,本身自带AC/DC转换器的直流充电桩,体积更大、重量更重、结构更复杂且成本更高,但充电速度也快得多。这就是为什么它们通常被称为“直流快充桩”的原因。
当前市面上常见的普通快充桩可提供50-70kW功率,其充电速度是普通OBC的5至10倍。
而“超充”(即超快速充电Ultra-Fast Charging)同样是快充的一种,是指充电功率达到150kW以上的快充。在当前最新一代产品当中,特斯拉V3 Supercharger最高功率达到250kW,而欧洲Ionity、美国Electrify America等充电运营商所使用的超充桩,最高功率可达350kW。葡萄牙初创公司i-Charging,甚至推出了最高600kW的充电桩。
更大功率的充电,究竟是如何实现的?又有哪些因素在影响、限制着电动车“超充”的实现?
电池构造
电动汽车所用的动力电池,由许多个“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”,其形状与人们平常使用的圆柱充电电池无异。
将共计多达4416个“2170电芯”平均分配在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量分别为25-23-23-25),再用电缆、壳体以及其他组件将各电池块连接起来,组成总容量约76kWh的动力电池包。
我们知道,电芯之间的连接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,因此单电池块的电压与单电芯相等,为满电时4.2V;而各电池块之间呈串联形式,因此总体电池包满电时的电压约为96*4.2V≈403V。
电流与电压
充电功率是由电压(单位:伏特V)和电流(单位:安培A)共同决定的。例如当前市面上以50kW功率充电的电动车,通常采用400V电压和125A电流的组合(400*125=50,000W)。
因此,充电速度的快慢,取决于电流和电压这两个变量。
可以将充电接口想象为水龙头,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大小。如果加大水压,同一时间内流出的水量便会增多,而同样地,加粗水龙头的直径也会实现这样的效果。
如上所述,电压的高低取决于电池的属性和串、并联排布方式。当前主流的电动汽车,在电池充满状态下,电压普遍在400V的水平。而当电池处于未充满状态时,电压则低于此数值,随着电池被逐渐充满,电压会不断上升。
在电压一定的前提下,电流的大小,则由充电桩根据BMS的指示,在电缆所能支持的最大电流之内调节控制。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,则可提供高达375A的电流。
电池寿命
电动车动力电池中的电量,一般不会被全部耗尽。例如在Model 3超过76kWh的总体电量中,可用电量约为72.5kWh,即总电量的约95%。
剩余的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%至95%之间充放循环。
有许多因素都会对电池寿命造成影响,包括温度、电池尺寸、化学构成、电池保持满充状态的时长,以及完全充放电循环的次数等。因此,充电技术和充电策略,会对电池寿命产生多个层面的影响。
通常来说,动力电池的容量越大,其寿命就可能越长,因为在行驶同样里程的前提下,更大的动力电池经历的完全充放电循环次数往往更少,从而有利于减缓电池的衰减。
影响电动车充电速度的其他因素:
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电池容量:通常情况下,电池容量越大越容易实现大功率充电。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)通常很难实现快充的原因之一。
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电池SoC(电荷状态):当电池越接近充满时,充电功率越会降低,以避免电芯过热导致的安全隐患。这便是快充在SoC处于0%-80%区间时效率最高的原因。 -
电池温度:电芯在20-25℃时效率最高。当电池温度过高或过低时,BMS会降低电流以保护电芯。 -
电池化学成分:电池生产商通常会根据目标用户的使用场景,对电池的尺寸、重量、性能等进行有针对性的设计,在性能与成本之间寻求最佳平衡点。不同化学成分的电池,因其材料的电导率、锂离子扩散系数不同,充电的速度也不相同。 -
充电桩功率:充电设施本身所能提供的功率大小,决定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,不可能以超过50kW的功率对电动车充电。
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配电电容:除充电设备本身之外,其所连接电网的配电电容,也约束着充电功率的大小。例如,通常共享同一条配电线缆的两根特斯拉V2超充桩,尽管单桩最高功率为150kW,但当它们同时为电动车充电时,分别只能达到约最高功率的一半。
因此,为提高电动车充电速度所作的尝试,本质上是在综合考虑以上全部因素的前提下,提升充电电压或加大充电电流。
二、“超充”的发展
迄今为止,全球主要的汽车公司,分别发布了三种不同的快充标准:CHAdeMO、CCS和GB/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、物理连接器、控制逻辑以及汽车和充电器之间的通信协议。
CHAdeMO是日产和三菱引领的日本快充标准,该名称既是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间。2010年,CHAdeMO标准最初设计的充电功率为50kW,充电电压400V。
CCS(Combined Charging System,联合充电系统)由美系和德系八大厂商福特、通用、克莱斯勒、奥迪、宝马、奔驰、大众和保时捷于2012年联合发布。其将当时现行的所有充电接口统一起来,用一种接口就能够完成单相交流充电、快速三相交流充电、家用直流充电和超速直流充电四种模式。
中国于2015年推出了GB/T 20234-2015,该标准规定交流额定电压不超过690V,频率50Hz,额定电流不超过250A;直流额定电压不超过1000V,额定电流不超过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有标准,但特斯拉在欧洲和中国市场销售的汽车,会分别匹配CCS和GB/T端口。
自2012年推出Model S车型开始,特斯拉就同步推出了“超级充电桩”(Supercharger)。此后至今的8年当中,特斯拉快充技术一直是引领行业的标杆。2019年,第三代V3 Supercharger投入使用,最高充电功率达到250kW。
2015年,德国大众集团在评估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普及的关键前提”的结论。在大众携奥迪和保时捷的推动下,宝马、戴姆勒、欧宝等欧洲车企也加入进来,成立CharIN组织,并于2017年发布更新版的CCS标准,将最高充电功率提升至350kW。
2015年法兰克福车展上,奥迪发布了Q6 e-tron纯电概念车。据当时介绍,该车充电功率可达150kW,并将在2018年量产(奥迪e-tron实际量产时间后被推迟至2019年5月)。
同样在此次车展上,保时捷公布了Mission-E计划,预计2019年实现量产,并承诺实现300kW以上充电功率——这便是保时捷Taycan的前身。
此后,随着捷豹i-Pace等其他支持100kW以上充电功率的车型相继发布,一时间,超充能力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在突破口。
由戴姆勒、宝马、大众和福特在2017年合资成立的超充站运营商Ionity,目前已在欧洲建成287座超充站,尽管由ABB为其提供的充电桩最高功率已经可以达到350kW,但当前市面上还没有任何一款电动车,能够真正实现这样的充电功率。
最接近这一目标的车型,当数人们已熟知的保时捷Taycan。
作为大众集团“皇冠上的钻石”的高性能品牌,保时捷毫不掩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,保时捷确实做到了这一点:根据保时捷官方宣传资料显示,Taycan当前最高可支持270kW充电功率,且将在2021年升级至350kW。
这一数据得到了欧洲充电运营商FASTNED的实测验证:Taycan 4S Plus版本(电池包容量93.4kWh)在SoC 15%-22%的短暂区间内,的确达到了约270kW的充电功率,而当SoC上升至25%以上之后,充电功率迅速下降至200kW,接着在SoC 35%之后进一步下降至150kW。
与Taycan相比,特斯拉Model 3在实测中的最高充电功率达到251kW,而与Taycan同一级别的Model S,因其使用的电池系统比Model3更旧,仅支持最高125kW充电功率。
与Taycan从5%充至80%用时22.5分钟相比,根据MotorTrend的实测数据,使用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,充电功率很快达到250kW,并保持到SoC 15%;随后迅速下降至175kW,并在此功率下保持到SoC 40%,然后开始持续线性下降。
与保时捷Taycan相似地,当Model 3 SoC达到80%时,充电功率大约在50kW。
放眼当前市面上在售的其他电动车型,最高充电功率均无法超过155kW:
事实上,当前国内市面上所用的公共快充桩,绝大多数支持的最高功率仍在70kW上下,远未达到“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,受制于过高的售价,加之进入市场时间较短,因此在销量上还无法与前者相提并论。
因此,Model 3之所以能够取得统治级的市场表现,除了其产品力本身之外,特斯拉充电技术的先进性、充电体验的友好性,也是一个不容忽视的原因。
通过在销售电动车的同时布局超级充电站,特斯拉为用户带来的充电体验远超行业平均水平,成为助推其销量一路飙升、冠绝市场的重要原因之一。
三、“超充”突破口:高压电平台?
为了“击败”特斯拉Model S,在开始Mission-E产品定义时,保时捷对其客户进行了一次问卷调查,询问在他们心目中,一辆昂贵的高性能电动轿车应该具备什么样的功能特征。
调查结果显示,除了优秀的电池性能和续航里程,人们还希望电动车的充电时间不比燃油车长出太多。于是,保时捷将首款电动车的充电时间设定为15分钟。
尽管,在燃油车的世界里,普通私家车单次加满油的时长通常不超过5分钟,但电化学储能的固有属性,决定了电池的能量密度无法达到液态燃料的水准。为锂电池充电的效率,无论如何提升,也难以追得上将汽油注入油箱的速度。
此外,考虑到私人充电桩将会是很多私家车主(特别是保时捷车主这样的高收入人群)日常充电的主要方式,而人们使用公共充电桩的体验,将逐渐趋近于在公共场合为手机充电——在时间有限的情况下,并不需要每次都充满电,而是即充即走。因此,用15分钟充电补充约400公里续航(或用5分钟补充约150公里),是可以满足日常需求的,电动车用户最终也会适应这样的使用习惯。
根据保时捷的规划,Taycan车型在2021年将实现350kW超大功率充电(15分钟充电≈400公里)。保时捷预计,其他车企的高端电动车也将跟随这一标准,但无论如何,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发的约阿希姆·克莱默(Joachim Kramer)介绍说,“工程师们需要解决的,实际上是在电池容量和充电速度之间的权衡问题。电池容量越大,需要充电的频率就越低,但车辆的价格也相应地更高。”
经过研究,保时捷研发团队得出的结论是,在未来几年里,高端昂贵的电动汽车电池容量将保持在90至100 kWh。“十年后,也许会达到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提高。
在Taycan诞生之前,市面上主流的插电式混动和纯电动车型,普遍在300-400V电压下运行。若在电压不变的情况下,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。
考虑到充电桩对各年龄及不同性别人群的通用性,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,将会导致充电接口和电池的温度急剧上升,带来棘手的热管理和安全问题。
权衡之下,保时捷选择将动力电池的电压翻倍,采用的方式则是将更多电芯进行串联组合。亦即,在电芯总数不变的情况下,将串联连接的电芯数量提高一倍,并联连接的电芯数量则减少一半。
Taycan的电池组位于整车前后轴之间,共包含396个64.6Ah的锂离子电芯,被平均分配在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,每组包含198个串联电芯。
因此,电池组的最大电压达到约835V(198*4.2V)。
此外,Taycan电池组还配备了低温液体冷却回路,该回路可冷却汽车的DC-DC转换器和高压增压器(独立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)。
通过将整车平台的电压提高至800V,保时捷团队得以在电池组壳体、电力电子设备、永磁电机的缠绕线、连接车轮的电缆等部件减少材料用量,据克拉默预计,这为Taycan整车减重约30kg——即使对一辆超过2吨的纯电动车而言,这样的减重效果依然是颇有价值的。
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。
传统的保时捷供应商们,大都没有能力提供这样的部件;而有能力提供类似部件的供应商则多来自其他领域——例如为电动机车供应MOSFET的半导体供应商——因此无法满足环境、温度、抗震、寿命等车规级要求。
市面上能够满足超高电压、同时又实现了大规模量产的产品少之又少,如在微波炉中使用的磁控管,工作电压达到1000V以上,但其所能承受的电流只有1-2A。
面对这样的“非典型供应链问题”,保时捷不得不选择与供应商密切合作,共同开发、试制、测试、修改、再测试这些新开发的部件。
例如,保时捷在Taycan开发初期进行的测试显示,市场上现有电动车的充电接口,无法承受800V高压充电,因此需要针对800V电压重新开发专用接口。
此外,根据法规要求,电动汽车必须能够将其储存的电从高压系统中快速排出,因为在发生碰撞的情况下,车内的电能可能会引发救助人员触电。因此,车辆中的储能设计,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关闭。
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-起亚集团宣布,将在2021年发布搭载支持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,也都宣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”,似乎已成趋势。
于此同时,特斯拉却在继续坚持400V电压路线。
对于不断上探的充电功率,特斯拉也持有自己的观点。一位不愿具名的特斯拉高管曾在采访中表示,根据其所做调查,用户们更看重在等待充电时的放松体验——例如享用一杯咖啡——而非不断减少充电所需的时长。
马斯克也曾在2018年的一次电话会议上指出,充电功率超过250kW,将会破坏电池的化学结构。
四、结语
如果将超充比作一列高速行驶的列车,我们将更容易理解电池和车辆设计对充电速度的影响——增加机车的功率是相对容易的,但决定列车速度的,是铁轨的性能。
增加充电桩的功率是相对容易的,但决定充电速度的,是电动车动力电池的性能。
超大功率充电桩设备已不是实现超充的障碍——除上文提到的海外超充桩产品之外,在国内,由星星充电开发的液冷型大功率充电机,已在2019年实现单枪高达500kW输出功率的充电示范。
星星充电董事长邵丹薇在接受《建约车评》等媒体采访时自信地表示,奥迪、奔驰、捷豹路虎等几乎所有豪华品牌,都将在未来几年推出高压平台车型,届时,星星充电开发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品。
参考资料:
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
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报告简介请点击:《中国汽车科技趋势报告(2020版)》
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