影响电动汽车充电速度的三大因素

2019-02-03 14:12:58 来源:网络
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众所周知,如今阻碍纯电动汽车发展的最大瓶颈有两个,一个是电池的功率密度,另外一个就是充电速度了。前者影响一款电动车的制造成本和续航里程,而后者更是直接限制了纯电动汽车场景使用的便利性。但是为什么如今的电动车要充满电动辄就要一两个小时呢?一台电动车的充电速度到底受什么限制呢?今天我们就简单给大家讲讲这个问题。

 

电池的充电速度受什么限制?
在讨论充电速度的时候,电池本身的承受能力绝对是最无法绕过的一个因素。无论外围的充电设备有多牛、功率有多大、充电能力有多强,如果电池本身在能够接受的充电能力方面有短板,那么充电速度肯定就快不起来。加上电池容量又比较大的话,自然充电时间就长了。


如果你高中学过电化学方面的知识的话,就会了解电池充放电的过程,本质就是电池内部通过一系列的氧化还原反应,来实现电子在正极和负极之间定向转移。以当下主流的锂电池为例,虽然种类五花八门,但是大体的构造无外乎包括正极材料、负极材料、隔膜、电解液等,充电的过程,基本上就是锂离子从负极脱出,穿过隔膜和电解质,扩散到达正极的过程——扩散速度自然就成了充电速度的关键。

 

理论上,的确可以通过加大电流来提升充电速度。但是电流太大的话,电池内部锂离子的扩散速度跟不上电子扩散速度,就会导致电子-离子运脱节,影响电池性能,能够达到的充电容量也相应减少,电池的寿命就更是惨不忍睹了,甚至会有起火爆炸的危险。

 

所以一般来说,在不赶时间的情况下我们建议尽量用慢充,有利于延长电池的寿命。

 

 

而锂离子的扩散速度,和温度、正极的材料和结构密切相关。

 

首先是温度,一般来说温度越高自然是扩散速度越快,但是温度过高的话也会导致电池寿命降低、充电安全性下降等问题。温度过低的话同样不行,气温过低的情况下,电池中的金属锂会发生沉积,从而造成电池内部短路,尤其是磷酸铁锂电池。一般0℃时磷酸铁锂电池的容量大概只剩下60~70%左右,到了-20℃时就只剩下可怜的20~40%了。所以在气候寒冷的北方冬季,电动车必须要有给电池模组加热的功能,由此耗电自然也更快。

 

其次是材料,不同的材料扩散能力差距非常大,像钴酸锂、锰酸锂、磷酸铁锂、NCM、NCA等都是性能很不错的正极材料,而后两者也是当下性能最好、应用普及度比较高的两种材料了。这也是如今的锂电池以正极材料命名的一个重要原因。

 

在电池行业的领域,通常会用充放电倍率来描述充电速度和电流大小的关系,譬如1小时充满电池时的速率称为1C,只需30分钟的速率则称之为2C,如此类推,超过1C就可以称为快充。如今锂离子电池的充电速率普遍可以做到1C-3C,最高大概可以去到5C,但是相比起动辄10C的放电速率自然还是要差很远。

典型的锂离子电池充电特性曲线

 

除了最大充电速率有瓶颈之外,不同SOC(State of Charge,即荷电状态,也就是剩余电量)下电池能够承受的充电速率也是有差别的。一般来说,电池在充电过程的特性大致和上面这张图类似,充电的速率会遵循慢——快——慢这样的节奏。一般当SOC达到90%以上的时候,电池的内阻就会明显上升,使得充电速率放慢。如果你有留意当下在售的大部分电动车,都会发现它们会宣传自己在特定的快充状态下,能够在一个相对比较短的时间——例如1小时乃至30分钟的时间里,充满一个大比例的电量,一般在80%-90%左右,就是这个意思。

 

所以如果你是一个电动车用户,想要尽可能节约充电耗时的话,尽量不要动辄把电量用到10%以下,充电的时候也不一定非要充满,达到90%以上,或者能够满足你下一次出行需要的里程数就足够了。

 

充电设备的充电速度受什么限制?

除了电池本身的瓶颈之外,外围的充电设备也有自身的限制。简单来讲,充电桩输出功率越大,充电时间越短。但是充电桩也不是可以无限提高充电功率的。先来说下电动汽车的充电大体是一个什么样的过程。

一说到汽车充电,大家首先想到的自然就是充电桩。简单来讲,充电桩输出功率越大、电池容量越小,充电时间自然越短。这就和要把一个水池放满水,放水管越大、水池越小自然耗时越短是一个道理。不过作为电动车用户,当然希望自己的电池容量也足够大,所以提升充电桩功率自然是更应该做的。车用的充电桩一般分为交流充电桩、直流充电桩两种。我们分开两种情况来讲。

 

先讲普适性比较强的交流充电桩。它多采用和家用电压大小一样的220V交流充电,一般电流只有16A或者32A,充电速度相对比较慢,在电池容量20kwh左右的情况下,要大概6-8个小时才能够充满电。

 

而特斯拉是个例外,它们的高功率壁挂适配器同样也是220V的交流电压,采用专用的接口,输出电流可达50A,充电速度自然更快,不过对于其它品牌的车来说就没有普适性了。

 

其次,由于汽车电机用的是直流电,所以充电的电流需要通过充电机转换。充电机大体分为车载充电机和非车载充电机两种,两者基本都是输入交流电、输出直流电储存到电池组里。前者重量轻、功率损耗更低,而且搭配车载充电机的车型充电便利性会更好,但是很难承受比较大的充电功率,而后者的优缺点正好相反。车载充电机的设计,是要适配一定的交流输出功率的,如果适配的功率比较低,哪怕接上了更大功率的充电桩,充电速度也快不起来。

 

再说说直流充电桩。相比起只有220V的交流充电桩,它的接入电压高达380V,相同的电池容量下2-3小时就可以充满了。但是这种快充的方式也不是可以滥用的——首先频繁快充会折损电池寿命,其次大量电动车一起快充的话,电流会非常大,对于现有电网的压力也是很大的,甚至有可能会造成局部瘫痪。

 

另外,由于现行的电动车充电网络并不是独立的,所以用电高峰的时候,如果在使用区域公用变压器的电网里充电的话,充电速度也会变慢。这也是很多电动车用户需要错峰充电的原因之一。

 

总结
综合来说,当下影响电动车充电速度提升的因素,重点还是在于电池本身的承受能力:一方面不能过于频繁地使用快充,另一方面充电进程中的速率不均匀,使得日常实际能用的续航里程也打了折扣。另外,充电机、充电桩等配套设施的能力、标准不一,对于日常充电的场景也有很多限制,需要不断地升级——所以从目前来看,在续航里程和充电条件的限制之下,电动车目前要做到传统燃油车的使用便捷性,还有很长的路要走。

 
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