中國儲(chǔ)能網(wǎng)訊：隨著能源及環(huán)境問題的日益嚴(yán)重，電動(dòng)車成為我國的戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)。在過去的10年，純電動(dòng)車動(dòng)力系統(tǒng)的各項(xiàng)性能有了顯著的提高，成本下降了3/4，但純電動(dòng)車每年仍只占乘用車銷量的1%左右。除了純電動(dòng)車動(dòng)力總成本仍需提高對(duì)燃油車的競(jìng)爭力外，快速充電能力也是一個(gè)影響純電動(dòng)車市場(chǎng)認(rèn)可度的關(guān)鍵指標(biāo)。2018年6月15日《經(jīng)濟(jì)日?qǐng)?bào)》發(fā)布的《傾聽電動(dòng)汽車背后的民眾心聲——中國電動(dòng)汽車發(fā)展民意調(diào)查報(bào)告》表明，“我國基礎(chǔ)充電設(shè)施仍不完善、中途補(bǔ)電不便”及“里程焦慮”仍然是困擾電動(dòng)車發(fā)展的最大難題。調(diào)查報(bào)告顯示，消費(fèi)者普遍期望電動(dòng)汽車具有較長的續(xù)駛里程，48.3%的受訪者期望“續(xù)駛里程達(dá)到400 km以上”。擺脫“里程焦慮”的途徑有兩個(gè)：① 提高電池比能量，增加裝車電池容量，這可能帶來電動(dòng)車成本增加的問題；② 建設(shè)并完善充電設(shè)施網(wǎng)絡(luò)。例如如果電動(dòng)車行駛期間能夠進(jìn)入50～120 kW的公共快速充電站，即使這種情況發(fā)生的概率只有1%～5%，電動(dòng)車每年的行駛里程即可增加超過25%。因此，快速充電站有助于緩解人們普遍認(rèn)為的“里程焦慮”。但這需要充電能夠像給燃油車加油一樣方便快捷。同時(shí)，報(bào)告還顯示消費(fèi)者希望“能夠在10 min內(nèi)完成充電”。因此，快速充電似乎是電動(dòng)車產(chǎn)業(yè)發(fā)展繞不開的難題。
目前電動(dòng)車一般是家中或者停車場(chǎng)充電，充電時(shí)間需要4～10 h。對(duì)于大多數(shù)上班族而言，晚上把電動(dòng)車開回家在停車場(chǎng)充電，是一個(gè)很好的選擇。但依然存在一些特殊情況，需要對(duì)電動(dòng)車進(jìn)行快速充電。當(dāng)前技術(shù)水平的電動(dòng)車一般可以承受0.5～2 h范圍內(nèi)的快速充電，少數(shù)車型具有20 min“超級(jí)快速充電”的能力。行業(yè)對(duì)電動(dòng)車的一般快速充電指0.5～2 h，大于2 h為普通慢速充電，低于10 min稱為極快速充電（extreme fast charging，XFC）。美國能源部對(duì)XFC的描述為充電功率400 kW，相當(dāng)于每分鐘充電可以行駛30 km以上。提出這樣的極快速充電模式，是為了滿足電動(dòng)車消費(fèi)者獲得與燃油車加油相同的體驗(yàn)。
重點(diǎn)內(nèi)容導(dǎo)讀
1 電動(dòng)車充電模式的現(xiàn)狀
目前商業(yè)上可用的電動(dòng)乘用車（BEV）還不能以燃油車的加油時(shí)間充電。特斯拉提供了120 kW的最快的充電樁（最高可以支持高達(dá)145 kW的充電）。保時(shí)捷已經(jīng)展示了電動(dòng)車概念車，可以支持高達(dá)400 kW的充電（800 V直流電壓，并計(jì)劃在2020年投產(chǎn)）。而市場(chǎng)上的其它電動(dòng)車，如雪佛蘭Bolt、日產(chǎn)Leaf和寶馬I3，都是圍繞50 kW的直流快速充電（DCFC）設(shè)施而設(shè)計(jì)。為了提供與燃油車加油相當(dāng)?shù)某潆姇r(shí)間，充電功率需要從120 kW增加到400 kW。美國能源部提出extreme fast charging（XFC）的目標(biāo)，即400 kW充電功率，希望在10 min或更短的時(shí)間內(nèi)使車輛充電至可行駛320 km[2]。
快速充電能力不僅可以用功率作為參數(shù)，也可以用每分鐘充電獲得的行程里程數(shù)來定義。假設(shè)電動(dòng)車的能耗為177 W·h/km，圖1比較了各種電動(dòng)車以標(biāo)稱直流快充功率充電時(shí)每分鐘可以實(shí)現(xiàn)的續(xù)駛里程，并與XFC模式的數(shù)據(jù)進(jìn)行了比較。由圖可知，大多數(shù)電動(dòng)汽車的充電能力低于5 km/min，而特斯拉最先進(jìn)的120 kW超級(jí)充電模式達(dá)到9 km/min，但即便如此，距離XFC的高于35 km/min的指標(biāo)還是相距甚遠(yuǎn)。
圖1 各種電動(dòng)汽車的直流快速充電（DCFC）功率及快速充電能力（km/min），以及XFC預(yù)期能力的比較。計(jì)算基于1 kW充電行駛5.6 km，或者1 km消耗177 W·h
2 極快速充電對(duì)電源系統(tǒng)的要求
鑒于電壓和電流較高，優(yōu)化的電池組設(shè)計(jì)對(duì)于實(shí)現(xiàn)XFC至關(guān)重要。現(xiàn)有大多數(shù)電動(dòng)汽車電池組的額定電壓等于或低于400 V，這意味著極快速充電過程中的最大額定電流高達(dá)300 A。圖2顯示了不同電池組電壓時(shí)充電電流與充電功率間的關(guān)系。較高的電流會(huì)產(chǎn)生更多的熱量，這將增加電池組冷卻系統(tǒng)的熱負(fù)荷。還需要更堅(jiān)固的母線、極耳、集流體、熔斷器、斷開開關(guān)和絕緣，以適應(yīng)更高的電流，從而增加了電池組的質(zhì)量和成本。充電樁設(shè)備也必須適應(yīng)更高的電流，也帶來成本和質(zhì)量的增加。從圖2中可以明顯地看出，如果統(tǒng)一采用300 A電流，400 V系統(tǒng)只能支撐120 kW的充電功率，而1000 V系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)300 kW的充電功率。因此，不斷提高系統(tǒng)電壓是動(dòng)力電池組設(shè)計(jì)的發(fā)展趨勢(shì)，以期實(shí)現(xiàn)1000 V的電池組系統(tǒng)。
圖2 不同電池組電壓條件下，充電電流與充電功率間的關(guān)系，其中，400 V是當(dāng)前典型的電動(dòng)車電池組電壓（紅色線）
3 極快速充電對(duì)熱管理的要求
溫度對(duì)電芯性能和壽命的影響很大。不僅電池平均溫度影響電池的日歷壽命，電池最低和最高溫度差也會(huì)影響壽命。圖3顯示了電芯溫度與電芯壽命的關(guān)系，研究表明電池平均溫度每增加13 ℃壽命就會(huì)減半。系統(tǒng)中單體電池的溫度差異會(huì)導(dǎo)致單體電池的衰減不同步，出現(xiàn)單體電池間容量差異加大，進(jìn)一步加速系統(tǒng)容量的衰減?，F(xiàn)有電動(dòng)車電池系統(tǒng)普遍采用被動(dòng)電池均衡，因?yàn)榕c主動(dòng)電池均衡相比，被動(dòng)均衡的電控成本更低；但被動(dòng)均衡系統(tǒng)中，整個(gè)電池組的容量受限于串聯(lián)電池串中容量最低的電池，這使得電池的成組效率相對(duì)較低。通常，單體電池的老化速度是不同的，制造一致性差、以及多電芯系統(tǒng)運(yùn)行過程中電芯之間溫度存在差異，都是導(dǎo)致老化速度差異的重要原因。由大量單體電芯組成的大型電堆中，由于散熱不均，單體電芯間的溫度更容易出現(xiàn)較大差異。
圖3 電芯溫度與電芯壽命的關(guān)系
眾所周知，大功率充放電會(huì)產(chǎn)生大量的熱量，加劇單體電芯間的溫度不均衡，溫度最高的電芯其壽命衰減最快，加大了電堆中單體電池容量的不一致性，進(jìn)一步加速電堆的容量衰減，因此大功率充放電會(huì)極大損害電堆的能量。圖4顯示了采用大容量等溫量熱儀測(cè)試的兩種電芯（能量型和功率型）由荷電態(tài)100%完全放電的“電效率”?！半娦省敝鸽姵爻浞烹娺^程中電能占總能量的比例，即“電效率”=電能/（電能+熱）。由于能量型電池的額定最大放電倍率為2 C，因此其數(shù)據(jù)有限。圖中功率型電芯的容量為6 A·h，能量型電芯的容量為20 A·h，兩種電池均為NMC|石墨電池。由于電極極片（正極和負(fù)極）的厚度及集流體的厚度存在差異，能量型電芯的“電效率”遠(yuǎn)低于功率型電芯。作為經(jīng)驗(yàn)法則，石墨負(fù)極電池的充電“電效率”通常比放電效率低2%～8%。即使是目前最先進(jìn)的能量型電芯，考慮到電池的電效率及后續(xù)熱累積對(duì)電池壽命的影響，也是不適合于快速充電模式的。
注：電池“電效率”不足100%部分，意味著電池放電時(shí)有一部分能量以熱能的方式被消耗掉
圖4 能量型電芯和功率型電芯在30 ℃的等溫量熱儀中，以不同倍率放電時(shí)的電效率
極快速充電的大電流不僅對(duì)電芯的電效率是一大挑戰(zhàn)，對(duì)模組也是巨大的挑戰(zhàn)。為理解模塊中由于電池互連而產(chǎn)生的熱量，人們分別測(cè)量了磷酸鐵鋰|石墨單體電池及10個(gè)單體電芯串聯(lián)模塊的發(fā)熱。該模塊的設(shè)計(jì)用途是混合動(dòng)力汽車（HEV，hybrid electric vehicle），其功率/能量比大于10（功率/能量比的定義是，已知時(shí)間段內(nèi)的最大電池功率除以電池中存儲(chǔ)的總能量）。圖5顯示了在不同放電電流情況下，單個(gè)磷酸鐵鋰|石墨電芯與模塊中每個(gè)單體電芯的發(fā)熱功率的比較。模塊中各單體電芯發(fā)熱功率的差異是由電池間的連接產(chǎn)生的。HEV的常用電流約為35 A，在該電流下，模塊中每個(gè)單體電芯的發(fā)熱功率比獨(dú)立的單體電芯高出約22%。因此，即使對(duì)于高功率優(yōu)化設(shè)計(jì)的電池系統(tǒng)，其連接也仍然貢獻(xiàn)大量的熱量。對(duì)于XFC應(yīng)用，更加需要考慮電池連接所產(chǎn)生的熱量，以消除潛在的安全問題。
圖5 單電芯和10電芯串聯(lián)的鋰鐵磷酸鹽電池模塊的熱生成
4 極快速充電對(duì)基礎(chǔ)設(shè)施的要求
電動(dòng)車的極快速充電引發(fā)了一系列相互交織的研發(fā)挑戰(zhàn)。除了對(duì)車輛和電池技術(shù)的研發(fā)挑戰(zhàn)，還有其它方面的巨大挑戰(zhàn)，即400 kW充電功率對(duì)電網(wǎng)的影響、電動(dòng)車輔助設(shè)備設(shè)施設(shè)計(jì)、充電樁選材及設(shè)計(jì)帶來的影響以及與XFC模式相關(guān)的基礎(chǔ)設(shè)施的成本。公共快速充電可以吸引并滿足住宅或工作場(chǎng)所沒有充電設(shè)施的消費(fèi)者，并因此增加電動(dòng)車的市場(chǎng)滲透率?？焖俪潆姷谋憷赃€有助于推動(dòng)純電動(dòng)車在商業(yè)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用（如出租車、汽車共享服務(wù)）。早期評(píng)估發(fā)現(xiàn)，高達(dá)50 kW直流快速充電給純電動(dòng)車用戶提供了額外的靈活性方便[2,6]。目前，大多數(shù)純電動(dòng)車用戶主要在家充電，其次是工作場(chǎng)所。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，隨著直流快速充電（高達(dá)50 kW）的日產(chǎn)Leaf的出現(xiàn)，美國西北部的純電動(dòng)車的行程顯著增長。如果汽車制造商生產(chǎn)更多的行駛里程超過200 kW的純電動(dòng)車，并可以使用快速充電，則對(duì)于長距離旅行的純電動(dòng)車用戶來說，存在于燃油汽車和純電動(dòng)車之間的“里程焦慮”的差距將逐步消失。
XFC對(duì)電動(dòng)車輛的配套設(shè)備/設(shè)施提出了一系列技術(shù)挑戰(zhàn)（如電纜、高壓電器和連接器等），其中最重要的挑戰(zhàn)是充電樁的類型（如交流、直流，或高壓、低壓）以及與現(xiàn)有設(shè)備/設(shè)施的兼容性，這個(gè)問題不僅是個(gè)技術(shù)問題，還涉及法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)的統(tǒng)一、以及滿足職業(yè)安全和健康管理等部門的規(guī)定。例如，現(xiàn)有常用充電電壓條件下快速充電的充電槍電纜線會(huì)超過15 kg/m，圖6顯示隨著功率水平的增加，布線重量明顯增加，會(huì)超過職業(yè)健康安全規(guī)定的個(gè)人舉重標(biāo)準(zhǔn)。使用更高的電壓可以顯著降低電纜線規(guī)尺寸，但提高電壓，也會(huì)伴隨產(chǎn)生其它問題，例如電池組的絕緣安全性、操作防護(hù)等等。當(dāng)然，XFC模式會(huì)改變很多電動(dòng)車相關(guān)的配套設(shè)備/設(shè)施，這里不一一例舉。就目前電動(dòng)車產(chǎn)業(yè)的工業(yè)技術(shù)水平，要實(shí)現(xiàn)XFC還需攻克下述難題：① 研發(fā)先進(jìn)材料或進(jìn)行技術(shù)改進(jìn)，使電纜具有更好的熱性能和電性能，以減少設(shè)備/設(shè)施熱管理的熱負(fù)荷；② 研究XFC的自動(dòng)化充電樁；③ 研究適用于輕型乘用車的400 kW功率無線傳輸技術(shù)。
5 極快速充電對(duì)電池及材料的要求
基于目前的電池技術(shù)，功率型和能量型電池之間的主要區(qū)別是正極和負(fù)極的厚度。較厚的電極活性材料涂層通常會(huì)導(dǎo)致更高的能量密度，即以特定的質(zhì)量或體積存儲(chǔ)更高的能量。無論從電池包系統(tǒng)成本還是從駕駛里程的角度看，高能量密度的電池是理想的純電動(dòng)車電池。因此，在過去十年或更長時(shí)間內(nèi)的電池研發(fā)主要集中于提高電池的能量密度，即采用更高容量的材料和較厚的電極。然而，這樣的電池設(shè)計(jì)無法適應(yīng)XFC模式：與較薄的涂覆電極相比，在充電過快的情況下，較厚的電極會(huì)發(fā)生更迅速的衰減。較薄的電極雖然可以快速充放電，但電池的能量密度會(huì)下降。如圖7所示，小于100 μm的電極可以進(jìn)行高倍率充放電，大于100 μm的電極只能小倍率充放電。當(dāng)然影響電池倍率的設(shè)計(jì)因素有很多，這里只是用電極厚度來舉例說明。
圖6 充電槍質(zhì)量與充電功率及電壓間的關(guān)系
圖7 電極厚度與充放電速率間的關(guān)系
圖8以NCM|石墨電池體系為例，顯示了鋰離子電池充放電過程中正、負(fù)極分別對(duì)鋰的電勢(shì)。紅磷基負(fù)極材料的嵌鋰曲線如圖9所示。紅磷復(fù)合負(fù)極材料具有比容量高（約1400 mA·h/g）、循環(huán)性能好等優(yōu)點(diǎn)，以三元材料為正極時(shí)，其全電池的比能量與石墨負(fù)極電池的比能量相當(dāng)。同時(shí)，紅磷復(fù)合負(fù)極的嵌鋰驅(qū)動(dòng)力較大（0.8 V），如圖9所示，遠(yuǎn)高于石墨負(fù)極的0.12 V。隨著XFC技術(shù)的發(fā)展，紅磷復(fù)合負(fù)極材料將被證明是一款非常有前途的負(fù)極材料。
圖8 NCM|石墨鋰離子電池正負(fù)極對(duì)鋰的電極電勢(shì)示意圖
圖9 復(fù)合磷電極對(duì)鋰的電極電勢(shì)
結(jié)語
為了滿足純電動(dòng)車用戶的充電體驗(yàn)，讓越來越多的客戶認(rèn)可純電動(dòng)車，消除“里程焦慮”帶來的消極影響、發(fā)展極快速充電模式是純電動(dòng)車技術(shù)發(fā)展的重要方向，但這也同時(shí)對(duì)電動(dòng)車、電源系統(tǒng)及熱管理、配套設(shè)備設(shè)施、充電站、電池電芯及其關(guān)鍵材料等領(lǐng)域提出了巨大挑戰(zhàn)。
極快速充電需要達(dá)到400 kW的充電功率，大電流將產(chǎn)生大量的熱，這對(duì)系統(tǒng)熱管理以及電芯的壽命均構(gòu)成威脅。為了降低電流、減少熱管理負(fù)擔(dān)、減少大電流對(duì)配套設(shè)備/設(shè)施的沖擊，把系統(tǒng)電源提升至800～1000 V是不二的選擇。此外，開發(fā)新材料、新工藝、新設(shè)備等以滿足極快速充電的要求，也是技術(shù)發(fā)展的重要方向。
在現(xiàn)有技術(shù)體系下，快速充電模式與電芯比能量是一對(duì)很難調(diào)和的矛盾。只有采用創(chuàng)新材料才有可能解決矛盾。紅磷復(fù)合負(fù)極是一款很好的適合于快速充電的電池負(fù)極材料。既可以滿足純電動(dòng)車對(duì)電池比能量高的要求，還兼具快速充電特性。
引用本文
王 莉，馮旭寧，胡堅(jiān)耀，等. 鋰電池電動(dòng)車極快速充電的科學(xué)與工程問題[J]. 儲(chǔ)能科學(xué)與技術(shù)，2018，7（6）：987-993.
WANG Li, FENG Xuning, HU Jianyao,et al. Science and engineering issues in extreme fast charging of electric vehicles powered by lithium-ion battery[J]. Energy Storage Science and Technology,2018，7（6）：987-993.
