车东西(公众号:chedongxi
| 晓寒

国内车市在2018年迎来20多年来首次下滑,但新能源车产销量却双双突破百万成为增长的关键力量。就在新能源车快速普及的当下,续航里程一直是电动车产业和消费者最关注的问题。

毫无疑问,更远的续航里程,将为新能源车的大规模普及起到重要推动作用。但由于动力电池技术还未取得革命性突破,通过增加电池容量来解决里程焦虑的进展较慢。

不过不用担心,目前特斯拉、保时捷、北汽新能源等一众国内外车企和供应商都在积极研发超级快充技术,像是保时捷首款纯电跑车Taycan800V超级快充,4分钟即可充入100公里的行使里程。

充电4分钟行驶100公里!揭秘电动汽车超级快充

▲保时捷的大功率充电站

如果这种充电技术得以普及,即使电池容量不增加,里程焦虑也将不复存在。

日前,车东西采访了北汽新能源、新特、国家电网等多家车企与充电企业的技术高管,就超级快充的技术原理、研发难点、行业现状等关键问题有了更明确的认识与了解。

一、20分钟充满一辆纯电SUV

111日的北京已是严冬,但在首都北部的昌平未来科学城一隅却热闹非凡。

就在这一天,国家电网在未来科学城内设立了北京地区首个乘用车超级快充桩,并且联合北汽新能源一道,进行了乘用车超级快充测试。

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▲国家电网设立的大功率充电站

在活动现场,一辆改装过的白色的北汽新能源EX3纯电SUV(该车还未上市)缓缓驶近充电桩,工作人员向车头的充电口插入充电枪后开始充电。

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▲北汽新能源进行大功率充电测试的EX3

过了没多大一会儿,国家电网超级快充桩的显示器上显示出了相关信息(如下图),充电电流达到263.3A、电压611.1V,算下来充电功率达到了160kW

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160kW的充电功率是什么概念?即1小时可以充电160kWh30分钟可充电80kWh

作为对比,目前常说的电动汽车快充技术指使用60kW的直流充电桩进行充电,而号称超级快充的特斯拉,最大充电功率为145kW

目前,大部分纯电动汽车的电池容量都在50-80kWh,按照这个功率计算,理论上30分钟即可充满80kWh的电池。即使是目前电池容量最大的特斯拉P100D车型,也仅仅需要37分钟左右即可充满。

当然,实际充电式不可能全程最大电流/电压,实际所需时间要略长一些,但仍是巨大的提升。

据了解,北汽新能源这套车载快充技术由北汽新能源工程院自主研发,可在700V的高压下实现最大400A的直流快充,即最大充电功率可达到280kW

据报道,EX3未来或将搭载61kWh的锂电池组,按照160kW充电功率计算,理论上22分钟充满,而280kW下则仅需13分钟(实际会略长)。

很明显,这种超级快充技术较目前1小时+的快充技术有了质的提升,将大幅提升用户体验,消除里程焦虑,同时也将成为车企之间的一个热点竞争方向。

二、豪华品牌激战大功率快充

正如上文所言,目前一般电动汽车支持的直流快充技术充电功率多在60kW左右。而对于售价更高的豪华品牌来说,搭载更大功率的快充技术,则是提升产品竞争力的一个关键动作。

在这方面,特斯拉可谓是量产电动车中的急先锋

这家致力于研发制造豪华电动汽车的公司自诞生之日起就盯上了超级快充技术,其Model SX车型使用自家的SuperCharger超级装电站的最大充电功率为145kW(此前为120kW),属于量产电动汽车中的充电速度最快的选手,也是充电标杆。

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▲特斯拉的超级充电站

正如500公里续航和自动驾驶系统一样,特斯拉所探索的设计都成了豪华电动汽车的标配

2018年,奔驰EQC奥迪e-tron相继发布,在续航向500公里看齐的同时,也均提供了大于100kW的快充技术,EQC的快充功率为110kW,而奥迪e-tron则达到了150kW(如下图)

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▲奥迪e-tron支持150kW快充

201869日,保时捷宣布旗下首款电动跑车Mission E的量产车定名Taycan,正式加入战局。

Mission E除了拥有高达440kW(约合600马力)的动力和3.5秒的百公里加速实力外,保时捷也一直在强调其800V超高压电气系统带来的极速快充体验。

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▲Mission E的800V充电系统

按照保时捷官方的说法,Taycan15分钟内即可充电80%,或者充电4分钟即可行驶100公里。据外媒报道,Taycan的超级快充系统最大功率或可达到350kW

很明显,待Taycan在今年年底量产后,其也将成为充电速度最快的量产电动汽车。

除了给自家的新款电动车配备超级快充技术,宝马戴姆勒2016年还联合大众福特等欧美一线车企成立了一家名为IONITY的充电设施运营商在欧洲推进充电基础设施的建设。

成立合资公司并不新奇,新奇的是IONITY计划在欧洲主要路线周围铺设400350kW的超级充电桩。

这一动作背后的意义很明显,即宝马、戴姆勒、福特、大众等车企巨头都准备在自家车型上落地350kW快充技术(保时捷与奥迪都属于大众集团)。

当然,传统车企巨头们的动作也都被特斯拉和马斯克看在眼里。

马斯克在2016年就在Twitter上透露了特斯拉正在研发第三代充电技术——SuperCharger V3。而当有网友询问其输出功率是否为350kW时,马斯克竟然回复称只有350kW?你以为这是儿童玩具?”(如下图)

言下之意即SuperCharger V3的充电功率将远大于350kW

不过经过两年多的研发后,SuperCharger V3的部署时间从2018年夏天推迟到了2018年底,又推迟到了2019年。

2018年第一季度财报会议上,特斯拉CTO Straubel表示,其并不看到350kW左右的大功率快充,因为这会牺牲车辆电池的续航里程和耐用性,而马斯克随后也表示更看好200—250kW的充电技术。

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▲马斯克介绍第三代超充部署时间

去年11月,马斯克在Twitter上透露,特斯拉的超级充电桩在2019年将翻倍(即达到2.3万个),同时也会部署SuperCharger V3

至于特斯拉的超级快充技术能达到多少kW,到今年部署时才能知道结果。

三、超级快充:车和桩都需要升级

电动汽车充电速度快不快,关键要看充电功率。

目前,国内电动汽车使用交流电的家用充电桩充电功率多在10kW以内,叫做慢充。使用直流电以50-60kW左右的功率进行充电的系统叫做快充。

而特斯拉的145kW快充系统则远高于普通快充,因此特斯拉将其命名为SuperCharger超级充电站(桩)。

而随着保时捷Mission E350kW快充系统和IONITY的成立,350kW大功率快充技术成为充电技术的前沿热点,各国车企和供应商都在积极研究,这一技术被称为大功率快充HPCHigh Power Charging)。

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IONITY在欧洲设立的大功率充电站

目前,全球的研发范围在200-500kW,其中又以350kW500kW为研究重点。

从物理学来说,功率=电压 X 电流,所以大功率充电系统需要在充电桩和车辆两个层面,同时关注电压和电流问题。

1、车和桩都需要升级

目前国内常见电动汽车的电压平台多在400V左右,即其电机、电池、电控等相关系统的工作电压均在这个范围。因此想要在400V电压平台下实现350kW的大功率快充,其车内电流就要达到350kW/400V=875A,而目前电动汽车内部线路能够承受的电流则多在250A左右。

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▲大功率快充下车辆电压与电流的关系

大电流需要极粗的线缆才能承受,而线缆粗了之后又会产生极大的热量,即影响车内空间布置,同时又需要液冷系统进行热管理,效率较低。

因此保时捷的做法与城市输电网络一样——采用超高压,所以能看到Taycan的整车电压平台提升到800V,这样其内部线缆只需要承受437A的电流。

小鹏汽车负责的充电相关的技术总监王敏告诉车东西,目前乘用车零部件供应商几乎都没有800V相关的功率部件,因此只有保时捷这种豪车巨头才有能力调动其自己的供应商一起,研究一款800V电压机构的电动汽车,进而使用350kW快充系统。

北汽新能源技术总监李玉军向车东西确认,北汽新能源进行大功率快充测试的EX3也没有使用量产部件,其通过更换电容、IGBT,提升绝缘等级等办法进行了整车平台的升压处理。

热管理层面,王敏和李玉军都表示目前主流的做法就是液冷,除了提升电池的液冷能力,还需要给直流充电线路、充电口提供液冷系统,具体做法相当于是电线外包上一层管道,让其循环冷却液。

2、电池技术还有待提升

落地大功率充电技术,除了车辆平台需要升压,车外的充电桩也需要配套升级。

相比车辆,充电桩需要更换更大功率的功率模块、带有液冷系统的充电枪和线路即可提升功率,技术难度要比车辆部分容易。

这也是为什么保时捷、IONITY、国家电网、现代汽车等企业都已经部署了350kW的大功率充电桩,但是却仍然没有看到支持350kW快充的量产车的原因。

小鹏汽车研究院的技术总监王强军认为,对车辆和充电桩进行升压并部署热管理系统并非核心难点,真正的难题在于动力电池。

据其介绍,目前车用动力电池的充放电倍率多在1-1.2C之间,而如果要达到350kW的快充功率,100kWh的电池就需要达到3.5C的充电倍率,远高于目前的技术水平。

不过北汽新能源技术总监李玉军则认为,动力电池本身就分为功率型和能量型等类别,目前乘用车使用的多为能量型(三元锂电池),因此充电倍率较低,其实商用车领域已经拥有支持大功率快充的动力电池。

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例如宁德时代,其就拥有5C、甚至6C的磷酸铁锂电池,但是能量密度要低于三元锂电池。

所以正如特斯拉CTO Straubel所言,目前的电池技术下,如果要实现350kW的大功率快充,就会牺牲一定的续航和耐久性。

所以电池技术的矛盾点在于,充电快的车单次跑不远,而单次跑的远的车,充电慢。

四、落地超级快充还要迈过三道坎

1、行业标准未确定

在小鹏汽车充电系统技术总监王敏和北汽新能源技术总监李玉军看来,目前大功率快充还没量产的核心原因并非是车辆和充电桩方面的技术问题,而是因为行业标准未确定和产业成熟度不足。

目前全球大功率快充有两大标准,一是日本的CHAdeMO标准和欧洲的CSS标准,两者均为当地的车企、电力企业和政府共同制定。

在国内,中国电力企业联合会(简称中电联)也在推动中国大功率快充标准的建立与推广,国家电网、北汽新能源等企业都是标准制定小组的成员单位。

值得一提的是,2018年8月份,中电联还与CHAdeMO签署了合作协议,双方将共同推进快充技术的落地,以方便车企在中日两地部署大功率快充技术。

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▲中电联与日本CHAdeMO签约

小鹏汽车充电技术总监王敏告诉车东西,中电联刚刚启动大功率快充国家标准的制定工作,2019年最多也就是出台一个征求意见稿。在标准未定的前提下,车企、供应商、充电服务商其实都无法推出相关产品。

如果推出的产品跟标准不一致,后续就会被淘汰。王敏说道,这也是迟迟没有量产的零部件和车型面世的关键原因。

2、市场需求不明确

除了标准问题,北汽新能源技术总监李玉军则认为,大功率快充会较大程度增加车辆成本和售价,对于普通消费者来说,其并不愿意花费几十万元购买一台具备大功率快充的电动汽车。

与此同时,随着续航里程的日益增加,电动汽车已经能够满足城市通勤使用,对大功率快充的需求并不强烈。

对于北汽新能源这种车企来说,我们会根据市场的需求和成本来提供产品,而非是什么前沿搞什么。李玉军说道。

不过需要注意的是,保时捷为了配合Taycan的量产交付,已经开始在全球布局大功率快充站。

今年1月份的电动汽车百人会论坛上,万帮新能源/星星充电董事长邵丹薇告诉车东西,星星充电就是保时捷在中国的独家合作伙伴,未来将利用保时捷的技术在国内布置大功率快充站,同时还将帮其进行技术迭代升级。

3、电网负荷的矛盾有待解决

事实上,就车辆与充电桩技术本身之外,普及大功率快充的另外一个难点在于电网的负载问题。

目前,大功率家用电器多在1-4kW之间,而一个大功率充电桩就高达320kW,相当于数百个家庭的家用电器同时工作。

相关数据显示,全北京每日电网负荷在2300kW左右,换算一下只能支持7.18万个350kW充电桩同时工作,电网负荷的压力有多大可想而知。

不过一位国家电网的工作人员却告诉车东西,虽然现实中确实存在这样的矛盾,但国家电网和相关机构也在研究新的策略。例如目前比较前沿的V2G(车辆电网)技术,就是要将未来数千万台电动汽车变成一个个储能单元,从而平衡电网供需。

目前相关标准仍在制定中,后续会通过电网扩容、V2G反向充电、错峰充电等多种策略来解决电网负荷问题。国家电网的工作人员这样向车东西说道,推广大功率充电桩是一个逐步完成的工作。

结语:超级快充即将到来

总结来看,超级快充技术目前确实还在研发之中,涉及车辆和充电桩的电压/功率平台升级、系统和线束热管理,以及标准的建立和配套零部件产业的成熟,眼下还没有一台可供使用的量产车型。

但也不必失望,以大功率为核心指标的超级快充技术毕竟与L4/L5级自动驾驶技术不同,已经到了临门一脚到的时候,保时捷、IONITY、国家电网、现代汽车等公司已经设置了第一批350kW快充桩,中国的行业标准在未来1-2年内也即将出台。

2019年,我们至少能看到保时捷Taycan在欧洲用上350kW的超级快充。而随着特斯拉SuperCharger V3的陆续部署、奥迪e-tron等车型的量产,国内电动汽车充电系统也将步入150-200kW时代,并将引领更快汽车厂商搭载大功率快充技术。

而到2020年,国内或许就将迎来第一款支持350kW快充的量产车型,进而真正解决电动汽车的充电问题。