【第一电动公开课】关于电动汽车快充的精华讨论都在这里了

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9月27日,第一电动网举办了第八期公开课,本期公开课的主题是“充电五分钟,行驶两小时的时代即将到来?”,邀请分享各家在快充方面的领先技术和发展路径,解析快充技术的发展现状,应用情况及安全性等问题,并展望未来电动汽车快充技术的前景。

参与沙龙讨论的嘉宾包括:中国科学院物理研究所研究员黄学杰、南京金龙首席科学家张蒙阳、宁德时代新能源科技股份有限公司(CATL)快充项目负责人王升威、特来电智能充电事业部总经理袁庆民。第一电动网CEO邱锴俊担任对话环节主持人。针对江湖上关于快充的种种流言,上述嘉宾作出了最接地气的回应,没有技术奇迹和噱头,只有非常踏实认真,负责任提出来的研究和产品应用,只有这些才是市场可以信赖的、能够应用的产品和服务。

话题一:为了把快充做好,电池企业、整车企业以及充电运营商都承担哪些责任,还有哪些需要提升的方面?

王升威:快充需要足够大的“水龙头”

CATL提供给电动大巴的电池快充能力已经足够,电池如果是水池的话,快充需要一个足够大的水龙头,要充电桩各方面电流足够大。电动大巴目前的解决方案还可以,用双枪充电接近400~450安。针对500安以上的,有些公司在尝试2枪以上的方案,但又不是很好,光是多接几个充电头就又多花了时间,不划算。所以500安以上的配套能力还是需要上下游一起解决。

小车这边快充也会遇到瓶颈,目前由于空间的问题,小车大部分没有考虑双枪,单枪充可以,但是配电量就有问题了。目前小车大约是400伏电压、250安的电流,当配电量超过30度电的时候,就不能支持3C以上的快充了。如果配电量是30度以上,基本上现有的配套设施就达不到充电功率的要求了,30度电对大部分的车型跑不到250公里以上了,这个就是充电桩会遇到一个瓶颈。

宁德时代新能源科技股份有限公司(CATL)快充项目负责人王升威

宁德时代新能源科技股份有限公司(CATL)快充项目负责人王升威

袁庆民:快充限制来自于设施和标准

充电速度提升既有充电设施的限制,也有一些标准导致的。比如现在的250安是国家规定的充电标准限制,按照实际的发展,以后还是有可能往上升。现在有另外一个方案,充电工,可以做到600千瓦,但是它的通用性对提供枪头的方式来讲又差了一些,不符合经济通用的要求,否则只有单独来建这种充电设施。大巴行业像钛酸锂都是采用4C充电,降低电池度数,保证在300千瓦以内满足要求。

特来电智能充电事业部总经理袁庆民

特来电智能充电事业部总经理袁庆民

另外,充电电压从国标上规定的是最大到1000伏,但是目前通用是到两个电压段,一个是500伏,一个是700伏。700伏需要定制化,已经不是通用的。从国外来讲也正在往1000伏上走,相比目前500伏的平台功率可以增加一倍。但是实际上从经济性方面来讲,耐压平台有可能上升一个等级,成本也会提高,带来安全压力。

随着电池技术发展,我们充电桩也跟上,让用户不再怀疑使用及安全性方面的问题。

张蒙阳:产业链需高度配合

跟前几年比,车的动力和储能系统可以选择更多,这一点是长足的进步,以前很明显是电池的瓶颈,现在瓶颈已经转到别的地方去了。选择多,优化途径也很多,追求单一解决方案不见得就是一种健康的方案。

第一电动网新闻图片

南京金龙首席科学家张蒙阳

在产业链配合方面, 乘用车因为量大,人们也愿意花更多时间去做更合适的选择优化,乘用车的成功经验会越来越多移植到大巴上去。我们对前期的开发也会慢慢跟上去。在前期开发定型的时候就按高标准来,至少我的经验,我跟这几家主要的电池供应商,对他们下一代的产品是了如指掌,我设计的东西是基于他们下一代的产品,这种是高度配合的。国内的行业也会走到这一步的,以前做得少一点,以后会做得更多。

话题二:目前主流的一些车企,在快充性能上的设计是否合适,是不是有的过于激进?

黄学杰:快充应该保守一点

产业链要密切合作,而且要保守。不断在刀尖上跳舞是有风险的。电网关心快充的安全,电池厂也会要求必须为快充电池付出安全保障的代价,整车厂也会有要求,客户既然要享受这种方面,你也要为这个付出代价。在这个过程中,一定要把安全放在首位,在紧密合作基础之上,不妨保守一点。

中国科学院物理研究所研究员黄学杰

袁庆民:充电限制条件应该更严格

目前业界很多厂家并没有把安全放在一个很重要的位置。特来电的系统里会有一部分记录充电情况、生产厂家,由此可以推算出电池的衰退情况,还有不同的温度下,充电的限制条件应该更严一点。总的来讲,可能这个行业发展太快,对安全的重视还不是太够,因为招标的需要,有大巴车三个月就出来新车型,电池和BMS都没配合。快充是有好处的,但是应该有一个极限,时间再紧张,追求再高的效率,跟生命和安全比起来还是次要得多。

王升威:快充具有必要性

快充还是有一定必要性的,后面一旦随着补贴的退坡,消费者自己掏钱买电池了,多跑100公里就要多买100公里的电池,消费者可以根据自己的需要去选择跑个一两百公里的电池,再加上快充。另外,很多城市地理空间有限,充电桩建设也有限,提升充电桩的利用效率只能靠缩短时间。本来一个充电桩一两个小时满足了,一天满打满算才是十几辆车。但是15分钟,充电桩的利用效率就会高很多。第三点,电池的能量密度、成本、性价比都做得很好时,有快充更是锦上添花,消费者肯定接受。

值得一提的是,参与本场公开课的听众中有清华大学副研究员刘冠伟,贡献了自己的思考:快充经常是集中白天大规模使用,对电网造成更大的冲击,从充电桩企业的立场,将如何解决这个问题?(点击查看刘冠伟文章《这才是保障电池安全靠谱的快充技术正确的打开方式》)

袁庆民回应称,作为充电桩企业,既要为电动汽车服务,也要对电网服务。特来电研发了CMS柔性充电技术,这就叫负荷约束,按电网最大的用电负荷,假如一共300千瓦,生活用了210千瓦,就只能用剩下的90千瓦了。这样的技术能尽量减少电力设施的改造、再投资,这在业界有一个专有名词叫做有序充电,也叫做V1G的概念。另外一项技术叫做V2G概念,以后电动汽车的保有量达到一定程度,可以进行“消峰填谷”,有可能对电力革命产生很大的作用。目前这个技术还不算成熟,但是已经开始研究了。

刘冠伟还提出,快充会把电池组件从高压往直流方向发展,目前有哪些技术上的瓶颈,还是这块已经是一个成熟技术,只需要工程化就可以了?

对此,袁庆民表示,电力电子的器件过去都是1200伏的平台,或者是1000伏以下的平台。1000伏以下没有特别逾越不了的技术平台,在ACDC转换的平台,因为追求高效,大规模充电过程中讲究效率损耗,讲究高效,就会导致电压范围受限。现在大巴车基本上是700伏,乘用车是500伏平台,如果以后使用1000伏,通用性会大幅度降低。随着技术的发展,以后会有更好的方式出来,涵盖广,相对来讲效率比较高。而且现在电器器件发展得比较好,例如用碳化硅的技术,它的效率是可以提升的,在这种情况下,我们可以考虑它范围可不可以宽一点,适用性更好一点。另外一个,碳化硅的成本目前还是比较高的,往往技术也是在成本、效率各个方面都要做一个均衡。能量密度和功率密度是矛盾的,也许以后出来的产品会兼顾能量密度和功率密度。现在充电在研究光储充的一体化,减少电网的功率过大,也还是有技术解决办法的。

王升威补充了对电池快充可靠和安全性的建议,主要有几个需要确保的方面。一个是电池研发的周期,目前CATL快充电池基本上都是三年以上的开发周期,通过长时间的研发验证,基本上有问题早期就会发现发现。另外,一定要知其然知其所以然,构建整个快充体系,这样就可以从体系上去系统识别问题,把有风险的问题都解决掉,产品开发出来基本上就没有问题。在前两年都做好的基础上,CATL第三年预留空间,目前推出来的产品技术指标具有竞争力。通过这几点,电池方面的可靠性基本上是保障的。

下一页:观众互动提问

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观众互动

提问一:车厂未来的研究取向是以什么为主?以插电式乘用车为例,一辆车20度电就可以了,快充的意义有多大?是不是车型的取向或者整个的整车厂未来选择的方向也很重要?

张蒙阳:插电式混合动力电量少除了成本的因素,其实也收到了充电速度的限制,所以快充的解放也会促使车企重新考虑插电式车型电量选择多少。

提问二:快充研发突破的速度更快一些,还是新的能源体系出现更快?

张蒙阳:不能说绝对没有,我个人认为各个行业的集体智慧已经把时间轴放大进去一天、一个月、一年去看,大概这种悬崖式的结局也不一定的。

黄学杰:一个技术从实验室里面走出来,中间到研发到市场上量产,每一个时间段都是以十年为预期的,汽车行业还是这样的周期。燃料电池正在往前走,电池本身的技术已经走得比较快了,但是现在的问题是氢怎么运输,氢怎么加进去。氢的原理比输送电复杂,产氢远比发电复杂,基于这样一个情况,可能还是一个长期过程。

此外,氢电混合也需要解决,燃料电池还是离不开电的。燃料电池没有任何能量回收能力,直接回收就是把氢加到氧里面,或者把氧加到氢里面。氢的泄露更是一个问题,不仅仅是安全,因为氢的泄露对臭氧层的破坏是致命的。这些问题没有解决之前,未来五到十年都是一个过渡过程,到十年以后再看氢燃料电池的发展。

提问三:现在所有的动力型企业都在看能量密度,现在讨论的方案,比如硅的负极,或者全钛的电池,我就想知道这些新增能量密度的技术解决方案,它能同时提高充电速度吗?

王升威:

后面新的技术方案,包括硅,包括锂金属的负极能量密度比现有的要高一些,它们目前主要方向还是提高能量密度,但是在快充领域,本身单说硅,硅本身是适合快充的,因为硅的电位比较高,它能满足充电的要求,但是不能满足循环的要求,硅的循环能力是比较长的,会形成一个电化层,会持续往里面扩散,现在做不了。

对于锂金属的负极,因为锂金属的负极要采用隔离膜,这个就会影响快充,因会严重影响充电性。所以目前这两种高能量密度方案,从目前来看,首要的方向还是能量密度。

黄学杰:锂离子电池1991年开始进入商业化,今天做的工作还是在这个基础之上一点点改进,电池材料这些都在逼近极限。这个稳步的延长线到后面就涨不上去了,所以就得换一条轨道,第二条轨道就叫做金属锂电池, 2020年前后,金属锂电池能够走出去,有可能走向500瓦时每公斤,这个过程中能量会越来越集中,就会涉及到安全等等问题,再往上走可能就是固态化。这一条线根据社会发展基本规律,不会在近几年之内就商业化,必须要等到再下一代,希望后面这一代不需要30年,但十年的一个跨代时间还是需要的。

提问四:如果下一代的高能量电池或者更高能量密度的电池都能商业化了,是不是快充也就不是问题了,或者就不用快充了,如何考虑这个问题?

袁庆民:有人认为500公里是一个坎儿,只要超过了500公里,人心理上对快充的需求量就越来越少。500km续航里程在市内肯定不用担心,如果到市外去长途,推荐的安全距离就是1000公里,超过1000公里是很少的,在1000公里之内休息四五次,每次加百分之二三十的电足够了,都达不到快充的需要。而且以后的快充,充电跟加油完全是两个概念。过去加油,可能刚才看到加油的时刻效率比较高,但是加油的时候,停车排队的时间特别长。以后加电跟你的车位是相关的,你到停车厂或者高速公路休息区的时候,把车停在那儿把车插上就可以去休息了,休息15分钟,充个20%的电能够行驶1000公里,大家根本没有里程忧郁了。

那个时候我认为快充可能是一个竞争力,比如刚才说的超跑可能会有这种需求。但是普通大众来讲,就类似于现在的手机用户,应该对快充的需求没有像现在这种迫切,有很多概念可以拿出来炒,我估计那个时候也炒不动了。

黄学杰:跟车的智能化技术发展也有关系。至少我发现大家排队的时候不像以前那么焦躁了,感谢微信,在手上发一个微信。以前排队的时候大家比较焦躁,现在好像很少了。将来车智能化以后,AR技术梳理工作、生活、空间,我就开着车,我到哪该干什么干什么,甚至还可以享受一下,半个小时给你的感觉就相当于3分钟,可能还没够呢。

张蒙阳:补充几句,关于里程的问题,实际上一个市场不会有一个单一产品覆盖,对于一个地区的消费者对500公里的感觉也许非常关注,对另外的消费者来讲,为什么因为500公里多花这么多钱,我一天可能只有几十公里,可能就会有新的产品出来。细分到一定程度,是不是单一的市场还能支撑这个产业,那是未知的。

另外一个,技术路线的发展永远是很快的,就像前几年液晶和等离子电视的发展就是一瞬间的事儿,所以技术的更新换代不管对消费者还是厂家,风险都会存在,很遗憾没有单一的答案,这个肯定是全社会都要承担的风险。

提问五:关于电池快充技术的新闻炒作特别多,实际情况有没有值得期待的前沿技术?

王升威:一些新的技术在不断涌现,到目前来看,除了现有的石墨体系还有硬碳、钛酸锂这些,目前来看还没有发现有突破性的快充技术,基本上现在做的研究都还在现有的化学体系之内,相当于不是一个科学研究,就是现有技术的一个工程优化。

袁庆民:对于充电运营商来讲,充电的功率越来越大。从最初的时候主要是15到30千瓦直流快充,目前提升到45到60千瓦,预计以后会成为主流的是60到90千瓦,半个小时能充35度电跑300公里,无论是45度的电池用2C充,还是90度的电池用3C充来讲,这个就是对充电发展的要求,功率越来越高。在充电领域关注另外一个技术,跟石墨烯相仿的就是无线充电,无线充电在充电这个行业里面比较热门的,但是目前这个技术还不足以支撑它的商业化。

提问六:我是来自大众的一个研发工程师,想问袁总,以后家用充电器和快速充电桩的匹配问题。现在家里的220伏的单向电源从家里面,以后家用的充电设备是不是替代掉现有的充电设备?

袁庆民:国家政策是有明确答案的,2020年实现500万辆新能源汽车的保有量,480万个充电窗口,主要还是以小区家庭充电为主,另外就是以城市快充站为辅,这一点是从国家政策包括技术发展,我们可以确信的。以后电动汽车充电一定不像加油车那样,我们还要专门去加油站加电去的,多数是以家庭3千瓦、7千瓦的单向充电为主。

提问七:我想问王博士充电安全问题,刚刚说高温不充满电,怎么确定高温状态下到底充多少合适。还有刚才提到的不可逆反应的速率之类的,怎么在充电当中应用?

王升威:第一个问题,高温下不满充,这个不是快充的问题,这个在传统电池已经研究好多年的问题,本身跟快充不相关,这个实际上在多少伏以下,传统充电电池也需要做这种研究,你要不满充到什么程度,满充的电压是4.2伏,我们充到4.1伏还是4点零几伏,都要研究一下。为什么我们快充提出来了,快充大电流有一个加热的问题,这是快充对高温有一个额外的问题,我们主要做的动作就是通过热管理系统,把它发的热量带走。本身快充会发热,所以高温下本来温度就很高了,我们在高温下基本上不允许快充了。只有在热管理系统把热量带走之后,把温度降到快充范围之内才进行快充,这个就是关于高温反应对于快充的影响,主要是温度的影响。

第二个问题是关于不可逆反应的问题。不可逆反应跟快充相关的,除了高温问题,快充和非快充都会做很多表型之外,快充主要是对负极这一块的负反应的问题,其实我们做了很多研究,这个就是识别负极在什么情况下会出现副反应,实际上国外有很多公司包括做芯片了,像高通等等他们做过很多研究,他们在全电磁来识别在什么情况下会有副反应,但是从我们来看,他们的那种做法是不科学的,他们也申请了一些专利,在我们看来那些专利毫无用处。我们做电池的人肯定更懂电池,通过我们的研究,真正全电池的阻抗跟负极的副反应并没有相关性,只有负极的阻抗还有新生的电位,那个才是表征电池副反应真正的核心,所以针对这个问题,咱们CATL已经做了大量的专业布局,日本、韩国、美国我们都申请了很多专利。目前如果真正想事实地动态监控电池在什么情况下出现副反应,最大化地利用它的快充能力,只有通过负极的极化、阻抗还有电位一个组合的计算就可以确保它的副反应在可控范围之内,这个我们已经做了很多的研究和专利布局。

作者:杜俊仪

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