隨著能源及環(huán)境問題的日益嚴重，電動車成為我國的戰(zhàn)略性新興產業(yè)。在過去的10年，純電動車動力系統(tǒng)的各項性能有了顯著的提高，成本下降了3/4，但純電動車每年仍只占乘用車銷量的1%左右。除了純電動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車市場認可度的關鍵指標。2018年6月15日《經(jīng)濟日報》發(fā)布的《傾聽電動汽車背后的民眾心聲——中國電動汽車發(fā)展民意調查報告》表明，“我國基礎充電設施仍不完善、中途補電不便”及“里程焦慮”仍然是困擾電動車發(fā)展的最大難題。調查報告顯示，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)駛里程達到400 km以上”。擺脫“里程焦慮”的途徑有兩個：① 提高電池比能量，增加裝車電池容量，這可能帶來電動車成本增加的問題；② 建設并完善充電設施網(wǎng)絡。例如如果電動車行駛期間能夠進入50～120 kW的公共快速充電站，即使這種情況發(fā)生的概率只有1%～5%，電動車每年的行駛里程即可增加超過25%。因此，快速充電站有助于緩解人們普遍認為的“里程焦慮”。但這需要充電能夠像給燃油車加油一樣方便快捷。同時，報告還顯示消費者希望“能夠在10 min內完成充電”。因此，快速充電似乎是電動車產業(yè)發(fā)展繞不開的難題。

目前電動車一般是家中或者停車場充電，充電時間需要4～10 h。對于大多數(shù)上班族而言，晚上把電動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，需要對電動車進行快速充電。當前技術水平的電動車一般可以承受0.5～2 h范圍內的快速充電，少數(shù)車型具有20 min“超級快速充電”的能力。行業(yè)對電動車的一般快速充電指0.5～2 h，大于2 h為普通慢速充電，低于10 min稱為極快速充電（extreme fast charging，XFC）。美國能源部對XFC的描述為充電功率400 kW，相當于每分鐘充電可以行駛30 km以上。提出這樣的極快速充電模式，是為了滿足電動車消費者獲得與燃油車加油相同的體驗。

重點內容導讀

1 電動車充電模式的現(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。特斯拉提供了120 kW的最快的充電樁（最高可以支持高達145 kW的充電）。保時捷已經(jīng)展示了電動車概念車，可以支持高達400 kW的充電（800 V直流電壓，并計劃在2020年投產）。而市場上的其它電動車，如雪佛蘭Bolt、日產Leaf和寶馬I3，都是圍繞50 kW的直流快速充電（DCFC）設施而設計。為了提供與燃油車加油相當?shù)某潆姇r間，充電功率需要從120 kW增加到400 kW。美國能源部提出extreme fast charging（XFC）的目標，即400 kW充電功率，希望在10 min或更短的時間內使車輛充電至可行駛320 km[2]。

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)來定義。假設電動車的能耗為177 W·h/km，圖1比較了各種電動車以標稱直流快充功率充電時每分鐘可以實現(xiàn)的續(xù)駛里程，并與XFC模式的數(shù)據(jù)進行了比較。由圖可知，大多數(shù)電動汽車的充電能力低于5 km/min，而特斯拉最先進的120 kW超級充電模式達到9 km/min，但即便如此，距離XFC的高于35 km/min的指標還是相距甚遠。

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預期能力的比較。計算基于1 kW充電行駛5.6 km，或者1 km消耗177 W·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)化的電池組設計對于實現(xiàn)XFC至關重要。現(xiàn)有大多數(shù)電動汽車電池組的額定電壓等于或低于400 V，這意味著極快速充電過程中的最大額定電流高達300 A。圖2顯示了不同電池組電壓時充電電流與充電功率間的關系。較高的電流會產生更多的熱量，這將增加電池組冷卻系統(tǒng)的熱負荷。還需要更堅固的母線、極耳、集流體、熔斷器、斷開開關和絕緣，以適應更高的電流，從而增加了電池組的質量和成本。充電樁設備也必須適應更高的電流，也帶來成本和質量的增加。從圖2中可以明顯地看出，如果統(tǒng)一采用300 A電流，400 V系統(tǒng)只能支撐120 kW的充電功率，而1000 V系統(tǒng)可以實現(xiàn)300 kW的充電功率。因此，不斷提高系統(tǒng)電壓是動力電池組設計的發(fā)展趨勢，以期實現(xiàn)1000 V的電池組系統(tǒng)。

圖2 不同電池組電壓條件下，充電電流與充電功率間的關系，其中，400 V是當前典型的電動車電池組電壓（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顯示了電芯溫度與電芯壽命的關系，研究表明電池平均溫度每增加13 ℃壽命就會減半。系統(tǒng)中單體電池的溫度差異會導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，進一步加速系統(tǒng)容量的衰減。現(xiàn)有電動車電池系統(tǒng)普遍采用被動電池均衡，因為與主動電池均衡相比，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 電芯溫度與電芯壽命的關系

眾所周知，大功率充放電會產生大量的熱量，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2 C，因此其數(shù)據(jù)有限。圖中功率型電芯的容量為6 A·h，能量型電芯的容量為20 A·h，兩種電池均為NMC|石墨電池。由于電極極片（正極和負極）的厚度及集流體的厚度存在差異，能量型電芯的“電效率”遠低于功率型電芯。作為經(jīng)驗法則，石墨負極電池的充電“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產生的熱量，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。該模塊的設計用途是混合動力汽車（HEV，hybrid electric vehicle），其功率/能量比大于10（功率/能量比的定義是，已知時間段內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|石墨電芯與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產生的。HEV的常用電流約為35 A，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，即使對于高功率優(yōu)化設計的電池系統(tǒng)，其連接也仍然貢獻大量的熱量。對于XFC應用，更加需要考慮電池連接所產生的熱量，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 極快速充電對基礎設施的要求

電動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的研發(fā)挑戰(zhàn)，還有其它方面的巨大挑戰(zhàn)，即400 kW充電功率對電網(wǎng)的影響、電動車輔助設備設施設計、充電樁選材及設計帶來的影響以及與XFC模式相關的基礎設施的成本。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施的消費者，并因此增加電動車的市場滲透率?？焖俪潆姷谋憷赃€有助于推動純電動車在商業(yè)領域的廣泛應用（如出租車、汽車共享服務）。早期評估發(fā)現(xiàn)，高達50 kW直流快速充電給純電動車用戶提供了額外的靈活性方便[2,6]。目前，大多數(shù)純電動車用戶主要在家充電，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50 kW）的日產Leaf的出現(xiàn)，美國西北部的純電動車的行程顯著增長。如果汽車制造商生產更多的行駛里程超過200 kW的純電動車，并可以使用快速充電，則對于長距離旅行的純電動車用戶來說，存在于燃油汽車和純電動車之間的“里程焦慮”的差距將逐步消失。

XFC對電動車輛的配套設備/設施提出了一系列技術挑戰(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）以及與現(xiàn)有設備/設施的兼容性，這個問題不僅是個技術問題，還涉及法規(guī)和標準的統(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15 kg/m，圖6顯示隨著功率水平的增加，布線重量明顯增加，會超過職業(yè)健康安全規(guī)定的個人舉重標準。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，也會伴隨產生其它問題，例如電池組的絕緣安全性、操作防護等等。當然，XFC模式會改變很多電動車相關的配套設備/設施，這里不一一例舉。就目前電動車產業(yè)的工業(yè)技術水平，要實現(xiàn)XFC還需攻克下述難題：① 研發(fā)先進材料或進行技術改進，使電纜具有更好的熱性能和電性能，以減少設備/設施熱管理的熱負荷；② 研究XFC的自動化充電樁；③ 研究適用于輕型乘用車的400 kW功率無線傳輸技術。

5 極快速充電對電池及材料的要求

基于目前的電池技術，功率型和能量型電池之間的主要區(qū)別是正極和負極的厚度。較厚的電極活性材料涂層通常會導致更高的能量密度，即以特定的質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車電池。因此，在過去十年或更長時間內的電池研發(fā)主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，這樣的電池設計無法適應XFC模式：與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100 μm的電極可以進行高倍率充放電，大于100 μm的電極只能小倍率充放電。當然影響電池倍率的設計因素有很多，這里只是用電極厚度來舉例說明。

圖6 充電槍質量與充電功率及電壓間的關系

圖7 電極厚度與充放電速率間的關系

圖8以NCM|石墨電池體系為例，顯示了鋰離子電池充放電過程中正、負極分別對鋰的電勢。紅磷基負極材料的嵌鋰曲線如圖9所示。紅磷復合負極材料具有比容量高（約1400 mA·h/g）、循環(huán)性能好等優(yōu)點，以三元材料為正極時，其全電池的比能量與石墨負極電池的比能量相當。同時，紅磷復合負極的嵌鋰驅動力較大（0.8 V），如圖9所示，遠高于石墨負極的0.12 V。隨著XFC技術的發(fā)展，紅磷復合負極材料將被證明是一款非常有前途的負極材料。

圖8 NCM|石墨鋰離子電池正負極對鋰的電極電勢示意圖

圖9 復合磷電極對鋰的電極電勢

結語

為了滿足純電動車用戶的充電體驗，讓越來越多的客戶認可純電動車，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車技術發(fā)展的重要方向，但這也同時對電動車、電源系統(tǒng)及熱管理、配套設備設施、充電站、電池電芯及其關鍵材料等領域提出了巨大挑戰(zhàn)。

極快速充電需要達到400 kW的充電功率，大電流將產生大量的熱，這對系統(tǒng)熱管理以及電芯的壽命均構成威脅。為了降低電流、減少熱管理負擔、減少大電流對配套設備/設施的沖擊，把系統(tǒng)電源提升至800～1000 V是不二的選擇。此外，開發(fā)新材料、新工藝、新設備等以滿足極快速充電的要求，也是技術發(fā)展的重要方向。

在現(xiàn)有技術體系下，快速充電模式與電芯比能量是一對很難調和的矛盾。只有采用創(chuàng)新材料才有可能解決矛盾。紅磷復合負極是一款很好的適合于快速充電的電池負極材料。既可以滿足純電動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. 鋰電池電動車極快速充電的科學與工程問題[J]. 儲能科學與技術，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.