快充的原理与危害

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那很多人假期都不敢开电动车出远门,因为一出门呢,就担心车子的里程够不够,充电站的充电速度是多少,是否需要排队等等,那整个行程,都可能因为电动车而做出调整,这就是所谓的里程焦虑,那如何克服里程焦虑呢？

这里我们就要提到今天的主题快充,还是老规矩,接下来,我用这几周搜集到的第一手资料,硬核的聊一聊快充,我们为什么需要快充,快充的原理挑战以及解决方案。

那首先,我们客观的分析一下为什么需要快充,有些网友可能会觉得,大容量的电池,才是解决里程焦虑的办法,但如果能够给电动车,装一个1,000公里的大电池,就啥也不用担心,但是你想一想啊,我们的汽油车续航也才不到500公里,也没有几辆车,给你整一个1,000公里的油箱。

那另一方面,看过我前两期视频的同学应该知道,电动车的电池,不仅重量占整车的接近1/3,它的成本也占了整车的接近40%,如果用1,000公里的电池,那车价应该会翻倍,这种车大家应该不会想买,所以电动车之所以有里程焦虑,其实难点就在于充电的便利性太差。

但根据英国交通部20年的研究报告,显示,阻碍大家购买电动车的几个主要因素,有熟知程度,经济性充电设施,车辆属性和消费者的心,态,那前两项已经不是问题了,大家对电动车的熟知程度已经很高,电动车的价格,也慢慢接近燃油车的水平,但是第三第四项对应的,充电的便利性仍然是最大的阻碍,那这个阻碍有多大呢,我们来用数据量化一下,截至20年底,公共充电桩的数量已经达到了80.7万台,那限购城市公共充电站的数量,是加油站的2.8倍,但是目前为止,充电站的效率却远远比不上加油站。

根据中国汽车工程学会,和清华四川能源互联网研究院,2021年的统计表明,目前城市里面,中型加油站一般占地面积2,500平方米,配四通道一共8个加注位,那每小时最大的服务能力有120辆车,那相同面积的充电站,可以配备50个快充车位,并发数是加油站的约6倍,那虽然,充电站,能够同时给6倍于加油站的车充电,但,即便是按照一小时充满一辆车的速度,充电站一小时最多也只能服务50辆车,不到加油站服务能力的一半,那如果我们有了快充,让每辆车能够在20分钟之内充满,那车站的服务能力,就能超过加油站的水平,那如果我们再进步一点点,充电如果能够像加油一样,在5分钟之内结束,那车站的服务能力,就能超过加油站的4倍以上,所以快充对于充电站的体验,是有决定性的作用的,与此同时呢,不光大家有里程焦虑,冲油站的站长也希望你能够赶紧冲完,换下一个,这样他们冲油站的流动电量就会更多,能够赚到的服务费也就,更多,所以你有里程焦虑,而充电站的站长有赚钱焦虑,不谋而合,那车长肯定就有速度,做充电速度更快的车,你更快的充电,老板更快的数钱,岂不是很nice,nice。

快充这么好,为什么现在的充电速度却不尽人意呢,先我们来聊一聊快充的一些挑战,我们都知道,电池的充电速度,也就是充电功率等于电流乘以电压,如果你想更快的充电,那要么增大电流,要么增大电压,这个原理看上去非常的直接,但是随着电流或者电压的增大,我们会遇到好几个挑战,这理由把它归类为技术挑战,成本挑战跟能源挑战。

首先是技术上的挑战,技术里面最明显的问题是散热,任何有电阻的导体,只要有电流经过,就会产生热量,那热量跟电流的平方成正比,也就是说你把电流加倍,发热就会变成4倍,与此同时呢,电池的电化学反应也会产生热量,那从这篇非常有名的,理工理工大学和清华大学,欧阳明高院士科里组的综述论文,可以看到,锂电池快充,最怕的并不是充电的速度过快,而是快充产生的高温,这高温会对电池造成不可逆的影响。

这个不可定的损伤是怎么形成的呢,这种我们快速科普一下,锂电池的结构,如果我们把电池拆开,会发现一卷这样的结构,它分为三层,也就是正极负极和中间的电解质,所谓的充电或者放电的过程,就是锂离子在正负极之间,穿过电解质来回移动的过程,那随着温度的升高,电池在快充的过程中,负极会更容易形成固体的电解质界面,SEI以及锂离子析出形成锂金属。

这两种变化都是不可逆的,也就是说电池的有效材料会逐渐减少,SEI的过量累积呢,会影响电池的导电性能,那锂金属的析出如果比较严重,就会造成正负极之间的短路,甚至引起热失控,也就是我们听说的电池起火,这里可能有人会想到,著名的军火制造商三星,但需要解释的是,三星的电池爆炸虽然也是短路,但这个短路,是由于,电池的正负极包装不合理造成的,而不是锂析出造成的,但不管怎样,我们可以感受到,热失控的效果是非常恐怖的,所以,为了减少发热带来的永久性的损伤,就需要选择不同类型的材料,让离子在正负极之间移动的阻力更小。

除此之外呢,为了适应快充,电池的结构也需要做一些改变,一般来讲,高能量密度的电池,正极或者负极的涂层都会更厚一些,但是更厚的正负极在快充条件下,就会更容易受到不可逆的影响,所以同等条件下,能够快充的电池,能量密度也就会更低一些,电池的体积重量,也就不得不做的更大一些,既然快充对于电池的能量密度,跟寿命都有影响,那为什么,很少听到厂家提及这个问题呢,作为一个严谨的硬核博主。

这里有必要提一下,电池寿命的评价标准,同等条件下,快充确实是会缩短电池的寿命,但是只要它的寿命超过了行业标准,就算是合格的,比如手机行业对于电池的标准,大概是这样的,循环充放电500-800次,电池容量还能保持在80%以上就算合格,而锂电池本身的默认寿命,是超过这个范围的,比如说磷酸铁锂,大概可以循环2,000次左右,所以为了快充,厂家从某种角度上来讲,其实是在标准线上,做了一些试探跟妥协,从上面我们知道,为了快充,电池的电压跟电流增加,发热也会增加,能量密度也会降低,这每一项都会对应相应的成本,所以这里我们来讨厌下成本的挑战,我第一个想讲的,是容易被大家忽略的一个成本,直流充电桩的成本。

这里做一个简单的科普,当我们在家里给电动车充电的时候,使用的是交流电,而汽车电池需要的是直流电,所以为了让你能够直接插在家里充电,电动车,都内置了一个不大不小的整流装置,把交流电转化成直流电,但是随着你未给车的交流电的功率,越来越大,需要的整流器也越来越大,也会越来越贵,所以功率再大一些的整流器,就不能设计在车里面的,还要和充电桩设计在一起,所以所谓的直流充电桩,就是把这个很大的整流器,放到了充电桩里面,把大功率的交流电转化成了直流电,之后再给你的电池充电,就不需要经过车里,自带那个小小的整流器了。

那为什么说这是成本的挑战呢,为了给大家一个直观的印象,这里是洛基山研究中心20年统计的,几种不同规格的充电器的价格,那交流充电只需要一个接,头所以价格不到2,000人民币,那如果我们开始讨论,50千瓦的直流充电桩,就需要15,000以上,那150千瓦的需要超过5万块钱,350千瓦的就需要超过8万块钱,如果充电站,配备了50个350千瓦的快充桩,光充电桩的成本就需要超过400万,那除了充电桩之外,快充还需要增大车的电压或者电流,电压增大之后呢,电机,电控这些部件就需要提升耐压等级,有些线路的胶皮就需要变得更厚一些,来防止被击穿。

那这些升级在短期之内,对应的价格也会更高,另一方面,如果我们想通过提高电流,来提升充电速度,对应需要的线缆也会更加粗一些,至于这个线缆可以多粗,可以多贵呢,下面是我给房车太阳能系统安装的,200安的同导线,大概也就大拇指两倍的粗细,而且死沉死沉的,一米5的长度需要400人民币以上,那超级快充需要的导线,肯定会比这个还要粗,接下来是成本里面最大的挑战,发热控制,我们如果拆开电动车的电池包,会发现,里面有成百上千颗密密麻麻的电芯,那这种结构,也给散热提出了很大的挑战,如果任何一颗电池出现了局部过热,就容易造成前面提到的,各种不可逆的损伤,所以能够快充的车,就需要保证电池包里的每一颗电池,都有均匀的散热,那这种级别的散热,就不是简单的用散热片,或者风扇就可以解决,而需要用到复杂的液冷系统,这个我后面会具体的介绍,我们刚讨论的挑战主要聚焦在,技术跟成本上。

那接下来要讨论的是能源上的挑战,影响就比较大了,有些人会觉得奇怪,我充电变快了,为什么会有能源问题,那我们来算一下,快充的用电量到底有多夸张,对于一个相对富裕的两居室家庭,用电负荷一般不超过10千瓦,如果我们用目前规格最高的,480千瓦的快充装充电,那用电量就相当于48户,这样的人家,作为一个50车位的充电站,满载电量就相当于2,400户家庭,已经超过了很多小城镇的规模,如果我们跳出充电站,从整体来看,全世界最大的水力发电站,三峡电站的满载容量是2,250万千瓦,虽然这个巨型电量,可以给超过3,000万人用电,但是如果你用这个电量来快充,就只能充5万辆电动车,要知道北京电动车的保有量,已经超过了50万辆,那比大功率更具有破坏性的,是电网的用电量的波动。

我们都知道,一座城市在一天的不同时间,电量是会波动的,这也是加州著名的,Dakarf描述的是加州2012年以来,每天用电量波动的趋势,一天的最高峰跟最低谷的用电量,可以相差30%,那为了应对这个巨大的波动,发电站一方面需要实时的调整发电量,另一方面也需要留存很多的发电能力,以备不时之需,那如果需要留存发电能力的话,很多时候,就没办法抛弃掉老旧的火力发电,这种效率比较低,也不环保的发电方式,毕竟谁也不知道某个夏天的中午,是否会需要多发一点电,来应对每家轰隆隆转的,空调所以,电网是希望,大家能够更平稳的使用电力的,所以你就会看到电网有波峰,波谷的电价,很多时候,波峰跟波谷的价格可以差4-5倍,那再回到加州的Docker,你会发现12年至今,波峰跟波谷的距离越来越大,也就是说整个电网的波动越来越夸张,如果我们再考虑上超级充电桩,大家使用超级充电桩都出现在白天,那这个波动就会变得更加的汹涌。

那如果再碰上某个出行高峰,大家都在外面充电,这个波动不仅浮动非常的大,而且很难预测,所以大面积使用超充桩,而不做任何的调整,对于电网来说将是无法承受的压力,所以我们总结一下快充的挑战,你会发现对于手机来讲,快充只是买个新的手机或者充电器,但是对于电动车来说,快充是一个多环节的挑战,从电池的材料到电芯电池包的设计,到整车的散热,再到充电桩充电站的设计,最后到电网,那这一整个系统的每一个环节,都需要被考虑在内,所以当我看到福特的这个新闻的时候,我只能说呵呵一笑,虽然这些挑战听起来有些恐怖,但他们都有对应的解决方案,在某些方面如果门利用的好,甚至可以帮助解决已有的能源问题,接下来我们就来看看快充的解决方案,为了做到快充又尽量减少发热,车厂首先想到的是提升电压,因为同等的功率下面,电压增大了,电流就可以减小,那经过充电线,或者充电元器件的发热量就会减小。

这几年我们陆,续听到了车厂发布的各种高压的解决方案,目前,主流电动车的电机架构电压是400伏,19年保时捷的Tyke,首次推出了800伏的高压电机架构,让充电功率可以直接增加到350千瓦,那紧接着,现代起亚等国际巨头,也开始发布800伏的平台,吉利,广汽小鹏的国产品牌也都纷纷跟进,那小鹏的800伏平台,可以做到480千瓦的快充,5分钟可以补充续航200公里,而华为号称25年会推出1,000伏的快充,功率可以达到600千瓦,5分钟可以从30%冲到80%,这里你会发现一个比较有意思的地方,快充的广告语里面,绝大部分都会提到,充电多久可以充多少公里的续航,或者充电多久可以充到80%,但是没有一个老实人直接告诉我们,一辆车从空电充到满电到底需要多久,这就需要提到,锂电池行业的一个公开的秘密,所谓的快充,是不会用最高的功率,把你的电池充到满电的,电池的充电功率的实际曲线,大概是这样的,电池的充电会被分为几个阶段,出于安全跟电池寿命的考虑呢,充电器只会在中间阶段,给你用最快的速度充电,充到80%甚至更早的时候,充电桩就会开始逐渐降低功率,所以很多时候,与其在一个充电站充到满,更省时间的方法是,充到一大半的时候就出发,到下一个充电站再充电,这样你就可以一直用最快的速度充电。

那解决了功率的问题之后呢,接下来解决的是散热,电池在散热方面下的功夫,可以说非常的足,了那么快充的电动车,除了使用散热片跟风扇来散热之外呢,还会配备复杂的液冷系统,那这个液冷系统就像我们的血管一样,可以流进电动车上,很多需要控制温度的区域,尤其是电池,这里你可以看到特斯拉的电池包,在一层一层的电池之间,会穿插这种扁扁的液冷管道,通过液体的流动把热量传送出去,那这种精细的热管理,对于快充是非常的重要,因为一辆电动车的电池包里,有几千颗电池,那某一颗电池,甚至某个电池的某一个区域,长时间的受热,就容易出现前面提到的永久性能损伤,或者热失控,电动车充电如果出现了问题有多夸张,大家可以感受一下这里,所以电动车快充的时候散热有多努力,我们可以听一下,特斯拉model 3快充时的声音,除了电车本身的散热,充电桩甚至充电枪也有自己的散热,比如说,小鹏和广汽埃安的480千瓦充电桩,就给线缆配备的液冷,这样就可以用更细的线,一只手就可以拿起来。

那接下来是电池材料的升级,为了降低锂离子,在正负极之间穿梭的阻力,厂家会尝试使用孔隙更多的隔膜,以及电导率更高的电解液,比如广汽埃安就发布了6倍率的超充,也就是说,一小时可以把这个电池充满6次,这里,我没有查到他们对应的论文或者专利,但是找到了他们的合作伙伴,鹏辉能源对应的专利,一种锂离子电池及其制作方法,通过加入1%到5%的石墨烯作为导,电剂锂电池的能量密度,能够达到200瓦时每公斤以上,充放电倍率能够达到6C以上,以6C甚至10C的充放电倍率,循环了1,400周之后,电池的容量可以保持在95%以上,那这个性能指标,跟广汽的新电池是非常接近的,那除了电池车充电桩的挑战,最后我们要解决的,是最棘手的用电量的问题,快充就像是吸水能力超强的海绵,可以很快的把电网里面的电力榨干,所以,为了避免对电网造成瞬时的巨大压力,我们就需要缓冲一下,有人可能就会想到,我们可以给快充桩加一块巨大的电池,在没人充电的时候,先慢慢的把电能存起来,然后等到要快充的时候,再把大功率放出去,这样对于电网的压力就会小很多。

那如果我们再聪明一点,还可以给充电桩再加上太阳能电池板,这样不仅可以储存电网的电,还可以储存太阳能发的电,那特斯拉在上海,小鹏在河北,都配备了光伏发电,储能充电一体的充电站,那如果再有创意一点,既然充电桩也需要电池,那我为什么不直接给充电桩,也装上跟车一样的电池呢,这样我甚至连快充也不需要,直接把电池换到车上不就完了,不好意思,你讨论这部分属于换电技术,有点超纲了,我们有空再聊一聊,除了给快充桩安装电池这种解决方法,我们还可以让车跟充电桩,以及电网之间做一些协调,当大家都抢着用电的时候,让他们排个队,电网压力太大的时候,大家就减小,功率那这种充电方式叫做有序放电,电网跟电动车协商的单向放电,是b to g的基本版本,所以v to g vehicle to green,汽车对于电网协议,就是让汽车跟电网可以智能的协调,调度,那同样是电动车和电网的协商,不过不仅是电网给车充电,车也可以在电网缺电的时候,给电网反向供电。

那这就是v2g的高级版本,双向送电,虽然这个不属于快充的范围,但我觉得非常有必要提一下,因为它是解决电网用电网波动,这个巨大能源问题的绝佳办法,那根据国家发改委,能源研究所的研究报告,北京到2023年的总用电量负荷,会在1,500万千瓦时到3,300万千瓦时之间,剧烈的波动。

如果有500万辆电动车,拥有这种双向送电的能力,把自己车上储存的电,用来支撑电网的用电量,那电网的负荷波动,就会缩小,到2,000万千瓦时到2,200万千瓦时之间,最能够快充的电动车,就像一块吸水的海绵,如果吸水的时机不对,就会把电网榨干,但是如果吸水和放水的时机正确了,就可以反向过来,解决电网面对的巨大问题,从到这里,你就知道快充的各种挑战,以及解决办法,但是关注业界动向的朋友可能会发现,行业巨头特斯拉,到现在,一直都使用的是400伏的电气平台,那他们最快的充电速度也只有250千瓦,并没有像竞争对手那样,使用800伏的高压平台,去解锁480千瓦的超级充电,那这是为什么呢。

其实,今年第一季度特斯拉财报电话会议上,咨询师也问了同样的问题,特斯拉的回答是从400-800伏的改变,会需要调整车的整体设计,以及充电设施的结构,但是每辆车却不会省下超过100美元,所以他们不打算在model 3,YSX这种小型车上使用高压平台,但在未来,他们可能会考虑在Cybertruck,或者特斯拉卡车上,使用更高压的快充,相比竞争对手呢,他们确实已经花了很大的力气,去生产的世界上最多的电动车,也部署了最多的充电桩,所以特斯拉做出电压秤的升级,会面对更多的迁移成本,对于这一点,我只能说,特斯拉还是那个精打细算的生意人,比起充电速度的提升,省钱跟产量在他们眼里更为重要,也因为是这样,快充,可能就会成为竞争对手的一大特色。

最后,也是我个人对于快充的一点思考,首先快充的速度肯定会越来越快,体验也会越来越好,但是快充,绝对不是,我们给电动车充电的主要方式,我们的主要充电方式,应该还是在家里或者在工作地点,使用相对慢速充电桩给车充电,毕竟大部分时候,我们用电都没那么着急,一方面这样对于电池的寿命影响最小,另一方面,随着v2g的发展,我们的车进入家里,或者工作地点的智能充电桩,就能和电网之间双向送电,在电价便宜的时候充电,在电价高的时候给电网输电,这样,不仅可以帮助电网减小电量的波动,甚至还可以通过拨风跟拨鼓的价差,来帮你赚钱,那快充更多是对于慢充的一种补充,当你旅游在外或者着急出门的时候,快充可以以最快的速度,保证你有足够的电量,可以把事情做完,但这种及时的便利性背后,是电池材料车体设计,充电桩和电网复式相应的成本,那这个成本,也体现在你的快充收费单上,几乎所有的快充价格,都远超过家里充电的价格。

所以,快充跟慢充对应的不是技术更加高级,而是不同的使用场景,那讲到这里,快充这个话题基本讲完了,这一期的研究是我阅读论文最多,也是文稿最长的一次,学到了非常多新的观点跟知识,有些遗憾的是,很多有意思的内容因为篇幅的缘故,没办法提及的,比如说充电的不同阶段,各种快充标准的对比,400-800伏是否就更加的贵,固态电池的快充,换电跟快充的对比等等,但这里已经是我尽力权衡视频篇幅,跟内容深度的结果了,希望大家可以理解,那如果大家有兴趣的话,我可以单独去讲这部分的内容,那如果你坚持看到了这里,觉得内容还不错的话,请帮我点一个赞,如果有感受或者不同的想法,也请留下你的意见,我们下次再见拜拜。