鉅大LARGE | 點擊量：804次 | 2022年07月15日
鋰電池電動汽車極快速充電的科學(xué)和工程問題
隨著能源及環(huán)境問題的日益嚴(yán)重，電動汽車成為我國的戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)。在過去的10年，純電動汽車動力系統(tǒng)的各項性能有了顯著的提高，成本下降了3/4，但純電動汽車每年仍只占乘用車銷量的1%左右。除了純電動汽車動力總成本仍需提高對燃油車的競爭力外，快速充電能力也是一個影響純電動汽車市場認(rèn)可度的關(guān)鍵指標(biāo)。2018年六月十五日《經(jīng)濟(jì)日報》公布的《傾聽電動汽車背后的民眾心聲——我國電動汽車發(fā)展民意調(diào)查報告》表明，"我國基礎(chǔ)充電設(shè)施仍不完善、中途補電不便"及"里程焦慮"仍然是困擾電動汽車發(fā)展的最大難題。調(diào)查報告顯示，消費者普遍期望電動汽車具有較長的續(xù)駛里程，48.3%的受訪者期望"續(xù)駛里程達(dá)到400km以上"。擺脫"里程焦慮"的途徑有兩個：①提高電池比能量，新增裝車電池容量，這可能帶來電動汽車成本新增的問題；②建設(shè)并完善充電設(shè)施網(wǎng)絡(luò)。例如假如電動汽車行駛期間能夠進(jìn)入50～120kW的公共快速充電站，即使這種情況發(fā)生的概率只有1%～5%，電動汽車每年的行駛里程即可新增超過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"。但這要充電能夠像給燃油車加油相同方便快捷。同時，報告還顯示消費者希望"能夠在10min內(nèi)完成充電"。因此，快速充電似乎是電動汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展繞不開的難題。
目前電動汽車一般是家中或者停車場充電，充電時間要4～10h。有關(guān)大多數(shù)上班族而言，晚上把電動汽車開回家在停車場充電，是一個很好的選擇。但依然存在一些特殊情況，要對電動汽車進(jìn)行快速充電。當(dāng)前技術(shù)水平的電動汽車一般可以承受0.5～2h范圍內(nèi)的快速充電，少數(shù)車型具有20min"超級快速充電"的能力。行業(yè)對電動汽車的一般快速充電指0.5～2h，大于2h為普通慢速充電，低于10min稱為極快速充電（extremefastcharging，XFC）。美國能源部對XFC的描述為充電功率400kW，相當(dāng)于每分鐘充電可以行駛30km以上。提出這樣的極快速充電模式，是為了滿足電動汽車消費者獲得和燃油車加油相同的體驗。
重點內(nèi)容導(dǎo)讀
1電動汽車充電模式的現(xiàn)狀
目前商業(yè)上可用的電動乘用車（BEV）還不能以燃油車的加油時間充電。TSLA供應(yīng)了120kW的最快的充電樁（最高可以支持高達(dá)145kW的充電）。保時捷已經(jīng)展示了電動汽車概念車，可以支持高達(dá)400kW的充電（800V直流電壓，并計劃在2020年投產(chǎn)）。而市場上的其它電動汽車，如雪佛蘭Bolt、日產(chǎn)Leaf和寶馬I3，都是圍繞50kW的直流快速充電（DCFC）設(shè)施而設(shè)計。為了供應(yīng)和燃油車加油相當(dāng)?shù)某潆姇r間，充電功率要從120kW新增到400kW。美國能源部提出extremefastcharging（XFC）的目標(biāo)，即400kW充電功率，希望在10min或更短的時間內(nèi)使車輛充電至可行駛320km[2]。
符合Exic IIB T4 Gc防爆標(biāo)準(zhǔn)
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
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)來含義。假設(shè)電動汽車的能耗為177W·h/km，圖1比較了各種電動汽車以標(biāo)稱直流快充功率充電時每分鐘可以實現(xiàn)的續(xù)駛里程，并和XFC模式的數(shù)據(jù)進(jìn)行了比較。由圖可知，大多數(shù)電動汽車的充電能力低于5km/min，而TSLA最先進(jìn)的120kW超級充電模式達(dá)到9km/min，但即便如此，距離XFC的高于35km/min的指標(biāo)還是相距甚遠(yuǎn)。
圖1各種電動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。計算基于1kW充電行駛5.6km，或者1km消耗177W·h
2極快速充電對電源系統(tǒng)的要求
鑒于電壓和電流較高，優(yōu)化的電池組設(shè)計有關(guān)實現(xiàn)XFC至關(guān)重要。現(xiàn)有大多數(shù)電動汽車電池組的額定電壓等于或低于400V，這意味著極快速充電過程中的最大額定電流高達(dá)300A。圖2顯示了不同電池組電壓時充電電流和充電功率間的關(guān)系。較高的電流會出現(xiàn)更多的熱量，這將新增電池組冷卻系統(tǒng)的熱負(fù)荷。還要更堅固的母線、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，從而新增了電池組的質(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)量的新增。從圖2中可以明顯地看出，假如統(tǒng)一采用300A電流，400V系統(tǒng)只能支撐120kW的充電功率，而1000V系統(tǒng)可以實現(xiàn)300kW的充電功率。因此，不斷提高系統(tǒng)電壓是動力鋰電池組設(shè)計的發(fā)展趨勢，以期實現(xiàn)1000V的電池組系統(tǒng)。
圖2不同電池組電壓條件下，充電電流和充電功率間的關(guān)系，其中，400V是當(dāng)前典型的電動汽車電池組電壓（紅色線）
3極快速充電對熱管理的要求
溫度對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影響壽命。圖3顯示了電芯溫度和電芯壽命的關(guān)系，研究表明電池平均溫度每新增13℃壽命就會減半。系統(tǒng)中單體電池的溫度差異會導(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)有電動汽車電池系統(tǒng)普遍采用被動電池均衡，因為和主動電池均衡相比，被動均衡的電控成本更低；但被動均衡系統(tǒng)中，整個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電芯溫度和電芯壽命的關(guān)系
眾所周知，大功率充放電會出現(xiàn)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"。"電效率"指電池充放電過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2C，因此其數(shù)據(jù)有限。圖中功率型電芯的容量為6A·h，能量型電芯的容量為20A·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。作為相關(guān)相關(guān)經(jīng)驗法則，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，以不同倍率放電時的電效率
極快速充電的大電流不僅對電芯的電效率是一大挑戰(zhàn)，對模組也是巨大的挑戰(zhàn)。為理解模塊中由于電池互連而出現(xiàn)的熱量，人們分別測量了磷酸鐵鋰|石墨單體電池及10個單體電芯串聯(lián)模塊的發(fā)熱。該模塊的設(shè)計用途是混合動力汽車（HEV，hybridelectricvehicle），其功率/能量比大于10（功率/能量比的含義是，已知時間段內(nèi)的最大電池功率除以電池中存儲的總能量）。圖5顯示了在不同放電電流情況下，單個磷酸鐵鋰|石墨電芯和模塊中每個單體電芯的發(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出現(xiàn)的。HEV的常用電流約為35A，在該電流下，模塊中每個單體電芯的發(fā)熱功率比獨立的單體電芯高出約22%。因此，即使有關(guān)高功率優(yōu)化設(shè)計的電池系統(tǒng)，其連接也仍然貢獻(xiàn)大量的熱量。有關(guān)XFC應(yīng)用，更加要考慮電池連接所出現(xiàn)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極快速充電對基礎(chǔ)設(shè)施的要求
電動汽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400kW充電功率對電網(wǎng)的影響、電動汽車輔助設(shè)備設(shè)施設(shè)計、充電樁選材及設(shè)計帶來的影響以及和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所沒有充電設(shè)施的消費者，并因此新增電動汽車的市場滲透率。快速充電的便利性還有助于推動純電動汽車在商業(yè)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用（如出租車、汽車共享服務(wù)）。早期評估發(fā)現(xiàn)，高達(dá)50kW直流快速充電給純電動汽車用戶供應(yīng)了額外的靈活性方便[2,6]。目前，大多數(shù)純電動汽車用戶重要在家充電，其次是工作場所。統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，隨著直流快速充電（高達(dá)50kW）的日產(chǎn)Leaf的出現(xiàn)，美國西北部的純電動汽車的行程顯著上升。假如汽車制造商生產(chǎn)更多的行駛里程超過200kW的純電動汽車，并可以使用快速充電，則有關(guān)長距離旅行的純電動汽車用戶來說，存在于燃油汽車和純電動汽車之間的"里程焦慮"的差距將逐步消失。
XFC對電動汽車輛的配套設(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）以及和現(xiàn)有設(shè)備/設(shè)施的兼容性，這個問題不僅是個技術(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超過15kg/m，圖6顯示隨著功率水平的新增，布線重量明顯新增，會超過職業(yè)健康安全規(guī)定的個人舉重標(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，也會伴隨出現(xiàn)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模式會改變很多電動汽車相關(guān)的配套設(shè)備/設(shè)施，這里不一一例舉。就目前電動汽車產(chǎn)業(yè)的工業(yè)技術(shù)水平，要實現(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的自動化充電樁；③研究適用于輕型乘用車的400kW功率無線傳輸技術(shù)。
5極快速充電對電池及材料的要求
基于目前的電池技術(shù)，功率型和能量型電池之間的重要差別是正極和負(fù)極的厚度。較厚的電極活性材料涂層通常會導(dǎo)致更高的能量密度，即以特定的質(zhì)量或體積存儲更高的能量。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汽車電池。因此，在過去十年或更長時間內(nèi)的電池研發(fā)重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)計無法適應(yīng)XFC模式：和較薄的涂覆電極相比，在充電過快的情況下，較厚的電極會發(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下降。如圖7所示，小于100μm的電極可以進(jìn)行高倍率充放電，大于100μm的電極只能小倍率充放電。當(dāng)然影響電池倍率的設(shè)計因素有很多，這里只是用電極厚度來舉例說明。
圖6充電槍質(zhì)量和充電功率及電壓間的關(guān)系
圖7電極厚度和充放電速率間的關(guān)系
圖8以NCM|石墨電池體系為例，顯示了鋰電池充放電過程中正、負(fù)極分別對鋰的電勢。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1400mA·h/g）、循環(huán)性能好等優(yōu)點，以三元材料為正極時，其全電池的比能量和石墨負(fù)極電池的比能量相當(dāng)。同時，紅磷復(fù)合負(fù)極的嵌鋰驅(qū)動力較大（0.8V），如圖9所示，遠(yuǎn)高于石墨負(fù)極的0.12V。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8NCM|石墨鋰電池正負(fù)極對鋰的電極電勢示意圖
圖9復(fù)合磷電極對鋰的電極電勢
結(jié)語
為了滿足純電動汽車用戶的充電體驗，讓越來越多的客戶認(rèn)可純電動汽車，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汽車技術(shù)發(fā)展的重要方向，但這也同時對電動汽車、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)。
極快速充電要達(dá)到400kW的充電功率，大電流將出現(xiàn)大量的熱，這對系統(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)、減少大電流對配套設(shè)備/設(shè)施的沖擊，把系統(tǒng)電源提升至800～1000V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，快速充電模式和電芯比能量是一對很難調(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。既可以滿足純電動汽車對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，胡堅耀，等.鋰電池電動汽車極快速充電的科學(xué)和工程問題[J].儲能科學(xué)和技術(shù)，2018，7（6）：987-993.
WANGLi,FENGXuning,HUJianyao,etal.Scienceandengineeringissuesinextremefastchargingofelectricvehiclespoweredbylithium-ionbattery[J].EnergyStorageScienceandTechnology,2018，7（6）：987-993.
