王莉 何向明
清华大学核能与新能源技术研究院,北京100084;
摘要:“里程焦虑”一直困扰着电动车产业的发展,在电池能量有限的情况下,消费者期望电动车能够在10分钟内完成充电,即充电能够像燃油车加油一样的方便快捷。电动车的快速充电一般指充电时间为0.5-2小时,长于2小时为常用的慢速充电,而低于10分钟则为极快速充电。本文仅从科学与工程问题出发,从基础设备/设施、电池电源系统、热管理、单体电池设计、电池材料等层面分析了锂离子电池在极快速充电模式面临的一系列挑战,比较了目前技术水平与极快速充电要求之间的差距,对极快速充电需要解决的技术难题进行了凝练,虽然极快速充电目前还没有实现,本文提出了研发方向建议。
关键词:锂离子电池;纯电动车;极快速充电;科学与工程问题;发展方向
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的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》[1]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公里以上”。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50-120千瓦的公共快速充电站,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%[2]。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分钟内完成充电”。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小时。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小时范围内的快速充电,少数车型具有20分钟“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小时,大于2小时为普通慢速充电,低于10分钟称为极快速充电(extreme fast charging,XFC)[2]。美国能源部对XFC的描述为充电功率400千瓦,相当于每分钟充电可以行驶30公里以上。提出这样的极快速充电模式,是为了满足电动车消费者拥有与燃油车加油相同的体验。
极快速充电模式下,电池的衰变机制会发生变化,这需要进一步研究大电流对电池及电池材料的影响;快充还对车辆电源的热管理系统提出新的挑战;为了降低电流,充电系统需要大幅度提高电压,这电源设计、基础设备/设施都提出了新的要求,以确保大电流/高压条件下相关设备的可靠性和安全性,并兼顾经济性。上述一系列的问题需要进一步地清晰化,并提出应对策略,才能实现极快速充电模式的市场应用。
本文从电动车极快速充电(XFC)相关的科学与工程问题出发,从基础设备/设施、电池电源系统、热管理、单体电池设计、电池材料等方面分析了极快速充电模式引发的一系列挑战,希望能够起到抛砖引玉的作用,令业界能理性思考,并挖掘到关键技术及其发展方向的信息。
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120千瓦的最快的充电桩(最高可以支持高达145千瓦的充电)。保时捷已经展示了电动车概念车,可以支持高达400千瓦的充电(800伏直流电压,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50千瓦的直流快速充电(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增加到400千瓦。美国能源部提出Extreme Fast Charging(XFC)的目标,即400千瓦充电功率,希望在10分钟或更短的时间内使车辆充电至可行驶320公里[2]。
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-1),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 Wh[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 Wh km-1,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-1,而特斯拉最先进的120 kW超级充电模式达到9 km min-1,但即便如此,距离XFC的高于35 km min-1的指标还是相距甚远。
表1. 行程里程与充电模式的关系
分别基于100 km能耗为18 kWh和10 kWh,计算得到各种充电模式下电动车的行驶里程,如表1所示。从表中可以看出,在电动车百公里能耗18kWh的情况下,行驶300公里需要用7.2 kW的功率充电500分钟;如果用特斯拉的超级快速充电(140 kW)只需要25.7分钟;而XFC-400kW的极快速充电模式只需要15分钟即可行驶500 km。如果电动车的能耗降低为百公里10kWh,则XFC用8.3分钟充电就可以行驶500 km。因此,通过轻量化降低电动车百公里能耗,对解决快速充电问题也有贡献。
目前,大多数电动车及电池企业都在追求动力电池的比能量,将其作为缓解电动车客户“里程焦虑”的主要手段。但快速充电可能是缓解“里程焦虑”的另外的有效途径,并且可以通过改善电动车用户的充电(“加油”)体验,提高客户对电动车的购买欲望。
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重量和成本。充电桩设备也必须适应更高的电流,也带来成本和重量的增加。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1000V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)[2]。
基于上述分析,可以预测将来的电动车系统的发展趋势,如表2所示。快速充电功率将从目前的50-120 kW发展到高于400 kW(XFC)。而电池系统电压将从400 V提高至800-1000 V。电池系统容量从目前的20-90 kWh发展到大于60 kWh。一次充电行驶里程也将从目前的120-500 km增加到300 km以上。
表2. 电动车电池系统的发展趋势
当然,上述发展过程可能是渐进式的。一方面,通过电池系统设计的优化,实现电流和电压交替发展,分为四个阶段;另一方面,极快速充电对单体电池的倍率提出了越来越高的要求。预计整体发展步骤如下[3]:
1)目前已有电动车的电池系统指标为400 V/125 A/50 kW和400 V/350 A/140 kW,单体电池的额定倍率为1.5-2C;
2)第二步,电池系统发展至600 V/400 A/240 kW,单体电池倍率达到2.0-3.3C;
3)第三步,电池系统发展为800 V/400 A/320 kW和1000 V/210-280 A/210-280 kW,单体电池倍率为3.3-4.6C;
4)最终,电池系统发展为1000V/400A/400kW,单体电池倍率4.6-6C。
随着人们对电池组能量和充电功率的要求越来越高,为了避免电流不断加大,系统电压不断提高是必然趋势。根据现有的技术估计,系统电压增加到1000 V是可以期待的。因此,从车辆角度,实现XFC模式的关键技术之一是电堆的重新设计与优化,平衡各方面的要求,同时配合创新科技,研发出适应XFC模式的电动车。
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[4]。如图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[4]。
我们知道,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2C,因此其数据有限。图中功率型电芯的容量为6 Ah,能量型电芯的容量为20 Ah,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。
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。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[4]。
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]。
在XFC模式下,电池系统的冷却功率需要大幅度增加、甚至可能高于15千瓦,以限制电池包系统内的电芯温度上升。电池包的热管理系统需要能确保电池组能够在各种操作条件下,保持电池包内部的温度均匀以及确保电池包的温度不高于设定值,以满足电池包性能和寿命要求。电池模块内的温度分布通常是严格控制的,通常低至2℃温差范围[4]。基于工作流体媒介(空气冷却与液体冷却)或功能(具有加热或冷却源的主动系统以及被动系统),电池组的热管理技术有不同的类别,但是用于XFC模式的热管理系统应该仔细考虑目前的热管理设计是否可以承担XFC模式的大量放热,因为适用于XFC的电池系统与传统电池系统相比,其热管理系统具有更大的热负荷。
但也不是将单体电芯的表面温度降低就万事大吉,这也是热管理系统研究中尚待解决的问题。因为从另一方面考虑,电芯在高倍率下充放电将产生大量的热,如果冷却系统强制冷却,将导致电芯内、外部温度差加大,这会导致电芯性能大幅度下降[5]。
由于电芯及电堆在XFC模式下会产生大量的热,因此,XFC模式对电芯和模组系统的热管理均提出了新的挑战。
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公里的纯电动车,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所需的基础设施较为复杂,以下三个方面需要着重进行分析:(1)电网和公用设施需求,(2)充电站需求,以及(3)配套设备/设施需求。为满足上述需求,相关的工业机构和标准机构(包括消防在内的多个组织)需要制定针对性的、科学而完善的法规和标准。特别是XFC的安全问题,需要工业部门、地方政府、有管辖权的各职能机构和公共事业委员会之间的协调,并尽早对利益相关者进行教育、并推动其参与,这些活动经常平行于规划设计。
XFC对电动车辆的配套设备/设施提出了一系列技术挑战(例如电缆、高压电器和连接器等),其中最重要的挑战是充电桩的类型(例如交流、直流,抑或高压、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公斤/米[2],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,也会伴随产生其他问题,例如电池组的绝缘安全涉、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还需攻克下列难题:
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。
图6. 充电枪重量与充电功率及电压间的关系[2,6]。
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,即以特定的重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,高能量密集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地衰减。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微米的电极可以进行高倍率充放电,大于100微米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7. 电极厚度与充放电速率间的关系[7]。
受电化学反应动力学限制,为了让锂离子能够到达电极活性材料上的所有存储位点,往往需要较低的充电速率。一般来说,材料每单位面积的存储空间越多,这些位点接受锂离子所需的时间就越多。以过高的速率进行充电,可能会使这些材料来不及接受锂离子进入位点,这在负极会导致表面上析出锂金属,从而引发有害的化学副反应,增加电池温度、生成副产物堆积在电极表面,继而降低电池性能、寿命和安全性。
目前锂离子电池中普遍使用石墨碳材料为负极,该类材料对锂金属的电势很低,平均为120 mV(如图8中的V1),因此以石墨为负极的锂离子电池具有很高的电压,比能量较高。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。可以清楚地看出,负极嵌锂的驱动力比较小,平均只有120mV(图8的V1)。由于驱动力小,锂离子到达碳材料表面时嵌入内部的速度有限,当外加电流很大时,锂离子来不及嵌入内部即在材料表面与电子结合,即金属锂在碳负极表面沉积。这就是石墨负极在快速充电时的一个缺点。但以石墨为负极的电池进行快速放电是没有问题的,原因是对石墨负极而言,放电(石墨负极脱锂)的驱动力较大,如图8的V2,其值一般大于2V。因此提升负极嵌锂的驱动力是研发快速充电电池的重要方向。钛酸锂的嵌锂驱动力是1.5 V (vs Li/Li+),远高于石墨负极的120 mV,因此碳酸锂电池是一款非常出色的快速充电电动车电池。然而由于钛酸锂材料的比容量不高,仅150 mAh左右,且脱锂的电位高达1.5V,因此钛酸锂电池的比能量低(100 Wh/kg左右),一般只有石墨负极电池的一半。这也导致其成本是石墨负电池的2倍以上,严重制约了钛酸锂电池的应用、尤其是作为纯电动车电池,因为车用动力电池要求比能量高。
图8. NCM|石墨锂离子电池正负极对锂的电极电势示意图
为了同时克服钛酸锂电池比能量低、石墨锂电池嵌锂驱动力小的缺点,作者团队在国际上率先研发了嵌锂电位高于石墨碳材料的高容量复合红磷负极材料[8],并在全球范围内最早申报了红磷负极的核心发明专利[9-13],该材料是少有的中国科研人员原创的锂离子电池材料。
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1400mAh/g)、循环性能好等优点[14-17],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9.复合磷电极对锂的电极电势
6. 结束语
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。
致谢
感谢美国马里兰大学的王春生教授关于高倍率充电的有益的学术讨论。感谢“清华大学-张家港氢能与先进锂电技术联合研究中心”支持。
参考文献
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