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锂电池电动车极快速充电的科学与工程问题

   日期:2018-10-29     来源:储能科学与技术    浏览:1267    评论:0    
随着能源及环境问题的日益严重,电动车成为我国的战略性新兴产业。在过去的10年,纯电动车动力系统的各项性能有了显著的提高,成本下降了3/4,但纯电动车每年仍只占乘用车销量的1%左右。除了纯电动车动力总成本仍需提高对燃油车的竞争力外,快速充电能力也是一个影响纯电动车市场认可度的关键指标。2018年6月15日《经济日报》发布的《倾听电动汽车背后的民众心声——中国电动汽车发展民意调查报告》表明,“我国基础充电设施仍不完善、中途补电不便”及“里程焦虑”仍然是困扰电动车发展的最大难题。调查报告显示,消费者普遍期望电动汽车具有较长的续驶里程,48.3%的受访者期望“续驶里程达到400 km以上”。摆脱“里程焦虑”的途径有两个:① 提高电池比能量,增加装车电池容量,这可能带来电动车成本增加的问题;② 建设并完善充电设施网络。例如如果电动车行驶期间能够进入50~120 kW的公共快速充电站,即使这种情况发生的概率只有1%~5%,电动车每年的行驶里程即可增加超过25%。因此,快速充电站有助于缓解人们普遍认为的“里程焦虑”。但这需要充电能够像给燃油车加油一样方便快捷。同时,报告还显示消费者希望“能够在10 min内完成充电”。因此,快速充电似乎是电动车产业发展绕不开的难题。

目前电动车一般是家中或者停车场充电,充电时间需要4~10 h。对于大多数上班族而言,晚上把电动车开回家在停车场充电,是一个很好的选择。但依然存在一些特殊情况,需要对电动车进行快速充电。当前技术水平的电动车一般可以承受0.5~2 h范围内的快速充电,少数车型具有20 min“超级快速充电”的能力。行业对电动车的一般快速充电指0.5~2 h,大于2 h为普通慢速充电,低于10 min称为极快速充电(extreme fast charging,XFC)。美国能源部对XFC的描述为充电功率400 kW,相当于每分钟充电可以行驶30 km以上。提出这样的极快速充电模式,是为了满足电动车消费者获得与燃油车加油相同的体验。

重点内容导读

1 电动车充电模式的现状

目前商业上可用的电动乘用车(BEV)还不能以燃油车的加油时间充电。特斯拉提供了120 kW的最快的充电桩(最高可以支持高达145 kW的充电)。保时捷已经展示了电动车概念车,可以支持高达400 kW的充电(800 V直流电压,并计划在2020年投产)。而市场上的其它电动车,如雪佛兰Bolt、日产Leaf和宝马I3,都是围绕50 kW的直流快速充电(DCFC)设施而设计。为了提供与燃油车加油相当的充电时间,充电功率需要从120 kW增加到400 kW。美国能源部提出extreme fast charging(XFC)的目标,即400 kW充电功率,希望在10 min或更短的时间内使车辆充电至可行驶320 km[2]。

快速充电能力不仅可以用功率作为参数,也可以用每分钟充电获得的行程里程数来定义。假设电动车的能耗为177 W·h/km,图1比较了各种电动车以标称直流快充功率充电时每分钟可以实现的续驶里程,并与XFC模式的数据进行了比较。由图可知,大多数电动汽车的充电能力低于5 km/min,而特斯拉最先进的120 kW超级充电模式达到9 km/min,但即便如此,距离XFC的高于35 km/min的指标还是相距甚远。


图1 各种电动汽车的直流快速充电(DCFC)功率及快速充电能力(km/min),以及XFC预期能力的比较。计算基于1 kW充电行驶5.6 km,或者1 km消耗177 W·h

2 极快速充电对电源系统的要求

鉴于电压和电流较高,优化的电池组设计对于实现XFC至关重要。现有大多数电动汽车电池组的额定电压等于或低于400 V,这意味着极快速充电过程中的最大额定电流高达300 A。图2显示了不同电池组电压时充电电流与充电功率间的关系。较高的电流会产生更多的热量,这将增加电池组冷却系统的热负荷。还需要更坚固的母线、极耳、集流体、熔断器、断开开关和绝缘,以适应更高的电流,从而增加了电池组的质量和成本。充电桩设备也必须适应更高的电流,也带来成本和质量的增加。从图2中可以明显地看出,如果统一采用300 A电流,400 V系统只能支撑120 kW的充电功率,而1000 V系统可以实现300 kW的充电功率。因此,不断提高系统电压是动力电池组设计的发展趋势,以期实现1000 V的电池组系统。


图2 不同电池组电压条件下,充电电流与充电功率间的关系,其中,400 V是当前典型的电动车电池组电压(红色线)

3 极快速充电对热管理的要求

温度对电芯性能和寿命的影响很大。不仅电池平均温度影响电池的日历寿命,电池最低和最高温度差也会影响寿命。图3显示了电芯温度与电芯寿命的关系,研究表明电池平均温度每增加13 ℃寿命就会减半。系统中单体电池的温度差异会导致单体电池的衰减不同步,出现单体电池间容量差异加大,进一步加速系统容量的衰减。现有电动车电池系统普遍采用被动电池均衡,因为与主动电池均衡相比,被动均衡的电控成本更低;但被动均衡系统中,整个电池组的容量受限于串联电池串中容量最低的电池,这使得电池的成组效率相对较低。通常,单体电池的老化速度是不同的,制造一致性差、以及多电芯系统运行过程中电芯之间温度存在差异,都是导致老化速度差异的重要原因。由大量单体电芯组成的大型电堆中,由于散热不均,单体电芯间的温度更容易出现较大差异。


图3 电芯温度与电芯寿命的关系

众所周知,大功率充放电会产生大量的热量,加剧单体电芯间的温度不均衡,温度最高的电芯其寿命衰减最快,加大了电堆中单体电池容量的不一致性,进一步加速电堆的容量衰减,因此大功率充放电会极大损害电堆的能量。图4显示了采用大容量等温量热仪测试的两种电芯(能量型和功率型)由荷电态100%完全放电的“电效率”。“电效率”指电池充放电过程中电能占总能量的比例,即“电效率”=电能/(电能+热)。由于能量型电池的额定最大放电倍率为2 C,因此其数据有限。图中功率型电芯的容量为6 A·h,能量型电芯的容量为20 A·h,两种电池均为NMC|石墨电池。由于电极极片(正极和负极)的厚度及集流体的厚度存在差异,能量型电芯的“电效率”远低于功率型电芯。作为经验法则,石墨负极电池的充电“电效率”通常比放电效率低2%~8%。即使是目前最先进的能量型电芯,考虑到电池的电效率及后续热累积对电池寿命的影响,也是不适合于快速充电模式的。


注:电池“电效率”不足100%部分,意味着电池放电时有一部分能量以热能的方式被消耗掉

图4 能量型电芯和功率型电芯在30 ℃的等温量热仪中,以不同倍率放电时的电效率

极快速充电的大电流不仅对电芯的电效率是一大挑战,对模组也是巨大的挑战。为理解模块中由于电池互连而产生的热量,人们分别测量了磷酸铁锂|石墨单体电池及10个单体电芯串联模块的发热。该模块的设计用途是混合动力汽车(HEV,hybrid electric vehicle),其功率/能量比大于10(功率/能量比的定义是,已知时间段内的最大电池功率除以电池中存储的总能量)。图5显示了在不同放电电流情况下,单个磷酸铁锂|石墨电芯与模块中每个单体电芯的发热功率的比较。模块中各单体电芯发热功率的差异是由电池间的连接产生的。HEV的常用电流约为35 A,在该电流下,模块中每个单体电芯的发热功率比独立的单体电芯高出约22%。因此,即使对于高功率优化设计的电池系统,其连接也仍然贡献大量的热量。对于XFC应用,更加需要考虑电池连接所产生的热量,以消除潜在的安全问题。


图5 单电芯和10电芯串联的锂铁磷酸盐电池模块的热生成

4 极快速充电对基础设施的要求

电动车的极快速充电引发了一系列相互交织的研发挑战。除了对车辆和电池技术的研发挑战,还有其它方面的巨大挑战,即400 kW充电功率对电网的影响、电动车辅助设备设施设计、充电桩选材及设计带来的影响以及与XFC模式相关的基础设施的成本。公共快速充电可以吸引并满足住宅或工作场所没有充电设施的消费者,并因此增加电动车的市场渗透率。快速充电的便利性还有助于推动纯电动车在商业领域的广泛应用(如出租车、汽车共享服务)。早期评估发现,高达50 kW直流快速充电给纯电动车用户提供了额外的灵活性方便[2,6]。目前,大多数纯电动车用户主要在家充电,其次是工作场所。统计数据表明,随着直流快速充电(高达50 kW)的日产Leaf的出现,美国西北部的纯电动车的行程显著增长。如果汽车制造商生产更多的行驶里程超过200 kW的纯电动车,并可以使用快速充电,则对于长距离旅行的纯电动车用户来说,存在于燃油汽车和纯电动车之间的“里程焦虑”的差距将逐步消失。

XFC对电动车辆的配套设备/设施提出了一系列技术挑战(如电缆、高压电器和连接器等),其中最重要的挑战是充电桩的类型(如交流、直流,或高压、低压)以及与现有设备/设施的兼容性,这个问题不仅是个技术问题,还涉及法规和标准的统一、以及满足职业安全和健康管理等部门的规定。例如,现有常用充电电压条件下快速充电的充电枪电缆线会超过15 kg/m,图6显示随着功率水平的增加,布线重量明显增加,会超过职业健康安全规定的个人举重标准。使用更高的电压可以显著降低电缆线规尺寸,但提高电压,也会伴随产生其它问题,例如电池组的绝缘安全性、操作防护等等。当然,XFC模式会改变很多电动车相关的配套设备/设施,这里不一一例举。就目前电动车产业的工业技术水平,要实现XFC还需攻克下述难题:① 研发先进材料或进行技术改进,使电缆具有更好的热性能和电性能,以减少设备/设施热管理的热负荷;② 研究XFC的自动化充电桩;③ 研究适用于轻型乘用车的400 kW功率无线传输技术。

5 极快速充电对电池及材料的要求

基于目前的电池技术,功率型和能量型电池之间的主要区别是正极和负极的厚度。较厚的电极活性材料涂层通常会导致更高的能量密度,即以特定的质量或体积存储更高的能量。无论从电池包系统成本还是从驾驶里程的角度看,高能量密度的电池是理想的纯电动车电池。因此,在过去十年或更长时间内的电池研发主要集中于提高电池的能量密度,即采用更高容量的材料和较厚的电极。然而,这样的电池设计无法适应XFC模式:与较薄的涂覆电极相比,在充电过快的情况下,较厚的电极会发生更迅速的衰减。较薄的电极虽然可以快速充放电,但电池的能量密度会下降。如图7所示,小于100 μm的电极可以进行高倍率充放电,大于100 μm的电极只能小倍率充放电。当然影响电池倍率的设计因素有很多,这里只是用电极厚度来举例说明。


图6 充电枪质量与充电功率及电压间的关系


图7 电极厚度与充放电速率间的关系

图8以NCM|石墨电池体系为例,显示了锂离子电池充放电过程中正、负极分别对锂的电势。红磷基负极材料的嵌锂曲线如图9所示。红磷复合负极材料具有比容量高(约1400 mA·h/g)、循环性能好等优点,以三元材料为正极时,其全电池的比能量与石墨负极电池的比能量相当。同时,红磷复合负极的嵌锂驱动力较大(0.8 V),如图9所示,远高于石墨负极的0.12 V。随着XFC技术的发展,红磷复合负极材料将被证明是一款非常有前途的负极材料。


图8 NCM|石墨锂离子电池正负极对锂的电极电势示意图


图9 复合磷电极对锂的电极电势

结语

为了满足纯电动车用户的充电体验,让越来越多的客户认可纯电动车,消除“里程焦虑”带来的消极影响、发展极快速充电模式是纯电动车技术发展的重要方向,但这也同时对电动车、电源系统及热管理、配套设备设施、充电站、电池电芯及其关键材料等领域提出了巨大挑战。

极快速充电需要达到400 kW的充电功率,大电流将产生大量的热,这对系统热管理以及电芯的寿命均构成威胁。为了降低电流、减少热管理负担、减少大电流对配套设备/设施的冲击,把系统电源提升至800~1000 V是不二的选择。此外,开发新材料、新工艺、新设备等以满足极快速充电的要求,也是技术发展的重要方向。

在现有技术体系下,快速充电模式与电芯比能量是一对很难调和的矛盾。只有采用创新材料才有可能解决矛盾。红磷复合负极是一款很好的适合于快速充电的电池负极材料。既可以满足纯电动车对电池比能量高的要求,还兼具快速充电特性。

引用本文

王 莉,冯旭宁,胡坚耀,等. 锂电池电动车极快速充电的科学与工程问题[J]. 储能科学与技术,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. 
 
标签: 锂电

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