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盖世微课堂快充动力电池的应用现场实录

发布时间:2019-09-14 08:02:31

  盖世微课堂:快充动力电池的应用(现场实录)

  6月23日晚8点30分,汽车特组建微课堂,以快充动力电池的应用为主题(以为主体的专业群交流模式),就如何实现十分钟快充电池材料体系与系统设计、快充需要解决的技术问题以及电动公交和电动出租车的快充方案等话题进行了探讨,邀请微宏动力系统(湖州)有限公司技术副总裁仝志明博士开堂授课,来自上汽、一汽大众、奇瑞捷豹路虎、吉利等整车厂以及博世、马瑞利、舍弗勒等零部件企业共464位人士在群内展开热烈讨论。以下是课堂焦点内容速记汇总,与业内共飨!

  锂电池分为正极和负极两个材料。我们经常说的磷酸铁锂、三元材料这些其实指的是锂电池的正极。现在在全世界有成千上万的实验室都在试图开发性能更好的锂电池,其实大家无非是想在金属氧化物中寻找一种性能更好的、容量更高、寿命更长,或者是充放电的功率更好的一些正极材料,或者是在负极上下功夫。我们通常用的比较多的锂电池的负极材料是石墨,但是最近这些年也出现了一个新的负极材料,就是钛酸锂。

  这张图只是一个引子。那么快充的核心是什么?

  在锂离子电池放电的时候,这个锂离子是从负极材料里跑出来,然后跑到正极去,这个过程其实相对来说比较容易实现,也就是说锂电池的放电功率可以做得很大。

  但是传统来说,充电就不这么容易了,充电的时候锂离子要从正极材料里跑出来,跑到负极材料里面去,这个过程相对来说比较考验负极材料,因为锂离子要快速进入负极材料,那这时候对负极材料的结构等问题都会造成破坏,所以通常来说,锂离子电池在快速充电方面表现的性能是不行的。

  但是快充却是一个很多人梦寐以求的特征,以往只有超级电容才能表现出来快充,所以要克服锂电池不能快充的特点,我们要从材料的角度去入手,想办法去提升材料特别是负极材料在充电时的性能,这就是在材料或化学基础上要做的工作。

  一、电动公交车的商业困境

  那为什么要特别强调快充这个特征,我想先从电动车的应用端来说起。第一个在我们国家推广这个新能源车的时候,政府最容易推动的市场是电动公交车,纯公交车从奥运会开始到世博会到现在大概有六七年时间了吧,在很多城市都有应用。看一组简单的数据,这个PPT就讲到了电动公交车在商业应用中遇到的困境。

  以12米的纯电动大巴为例,公交车每天典型要跑250公里,它当然是在A点和B点之间来回地跑,典型的电耗每公里0.8度电,这辆车如果白天跑一整天的话大概要消耗200千瓦时的电量,这个电量看起来不多,但是在配置电池的时候,要考虑两个系数,第一个是电池充放电区间,电池寿命的衰减,这样的话要配置312个千瓦时的电量,再加上夏天开空调的耗能,这样一来,这个电池就要装到500千瓦时的电量才能够满足12米的大巴全天的运营。

  实际上在现在锂电池能量密度水平上,如果装配磷酸铁锂,大概500千瓦时的电池可能要6吨重, 目前的成本至少要100万以上,这样一个电池在12米在体积和重量上都装不了, 所以这个方案大家都用不了。

  通常的做法是装差不多一半的电即三百千瓦时的电量,这就导致了这个车不能实现全天的运营,通常来说在下午的时候,大巴车会回到充电站进行一次被称为快速补电的工作,这个时间通常会消耗一个小时到一个半小时,补充一部分电量,然后再完成下半段的运营。然而这个结果对公交公司而言降低了它的运营效果,因为在白天的时候有两个小时不能运行。

  那么紧接着一个问题就是,我们有没有可能采用能量密度更高的电池来完成这项工作?目前已经商业化的电池中间能量密度最高的是特斯拉用的松下18650的电芯,其电芯的能量密度达到了230瓦时每公斤,如果真的要装五百度电的话,重量大概是3.5吨,它能够满足全天的运营,而且大巴车上也基本上能装下,但是这个电池使用在公交大巴上面的一个问题就是它的寿命,它重组之后的循环寿命可能只有五百次,所以我们预计它在公交上这样使用的话每天充一次电大概只能用两到三年。

  所以我们看到在公交大巴上面使用能量型的电池试图来解决全天运营的需求,实际面临着很多工程上以及成本上的问题,要么太重,要么太贵,要么寿命不够好。

  但我们还有另外一个思路,如果能反过来考虑这个问题,我们不装那么多的电池,而是把电池装得更少,但是使用快速充电的方法。假如我们不需要跑250公里,只需要跑一圈,比如一辆公交车从A点到B点是二十公里,那我只需要装跑二十公里的电池,然后每次到终点的时候都能够在五分钟或者十分钟之内把电充满,然后跑下一趟,那么这个方案是否也是可行的呢?我们简单测算一下,如果我们用80千瓦时的电池或者用120千瓦时的电池,那么每天快充四次或者五次、六次,每次充电时间也控制得足够短,利用司机到总站休息的时间。也就是说如果我们通过少装电池的方式,多次充电的方式也能满足公交的运营,但是它对电池提出了一个挑战,就是说电池要能够快速充电,那十分钟左右就要把电充满。另外,因为每天的充电次数会变多,比如说每天从一次变成了三四次甚至五次,那么在快充条件下,要求电池的循环寿命也会比原来更长。

  二、电动出租车的运营难题

  上面是我们对于公交运营所设想的一种方式,就是通过每一趟或者两趟快速充电来解决全天运营里程的问题。

  接下来我们将讲到出租车,PPT中说明了电动出租车的需求,出租车的运营负荷要比公交车还要高。两个司机24小时运营,那么全天的运营里程典型的是500多公里,在寿命期内通常是六年,它需要运行大概一百万公里,这是我们讲到出租车的特点。这个特点其实对于电池提出了更高的挑战。相比一下电动私家车的需求,电动私家车通常我们只是上下班时间开,每天可能开50公里,偶尔在周末的时候有可能有一次长距离的旅行比如说三百公里,那通常来说,我们在十年的时间里头可能这辆车能跑20万公里,所以我们看到私家车和出租车,这两种车辆的运营特点的差别非常大,进一步说,这两种车辆对于电池的需求也是完全不同的。

  在我们国家863科技计划中间包括现行的补贴政策中,它的总的倾向性是鼓励大家把电池的能量密度做高,把车辆的行驶里程做长,这样做的终极目的是为了最终能够启动私家车市场,通过电池能量密度的提高,来降低电池的成本,这个方向我认为非常正确。

  但是实际上,大家都能看到,私家车这个市场大面积的启动可能还需要若干年的时间,在这个之前,作为从业的公司,要想在新能源汽车领域分一杯羹的话,我们要看一看眼下,以及未来三年我们能够在哪个市场上能够有生意。

  目前其实国内在电动出租车方面卖得最好的是比亚迪E6,它的典型配置是65千瓦时的电池,大概充满电之后的实际运营里程可以达到两百公里左右,每天两班司机,大概能够运营四百公里。它唯一的缺点是什么呢?就是白天的时候每一班司机大概要花2个小时充两次电,夜班司机大概也要花这么长时间,所以24小时里面,自己大概要花四到五个小时来充电,特别是白天的充电时间,比较多地影响了司机的运营,这是司机目前不太满意的地方。

  其它的电动出租车方案,因为装的电量少,然后又不能快速充电,所以它们的运营其实是很成问题的,可以说它的运营效率跟真正的燃油出租车完全是两个概念,所以也谈不上经济性。

  那么我们设想一种可以快速充电的方案,比如这个车上可以配载四十到五十千瓦时的电池,充满电需要十五分钟,我们设想两班司机那么每班司机各充两次,全天总共4次充电,累计的时间控制在一个小时之内,这样的话,这个车作为出租车运营距离燃油车的使用已经是非常接近的了。另外,就是我们来看如果要满足六年九十万公里或者一百万公里的需求,那么电池需要全充放的次数大概在4300或者5000次左右。

  三、快充电池特性

  从现在新能源汽车政府推广的力度来看,公交车的力度是最大的,紧随其后,政府的手能够伸到地方就是出租车。所以我们总结一下运营车辆的特征,不管是出租车还是公交车,第一个它是一个生产工具,它有别于我们个人消费者的车辆,每天的运行要十五小时甚至到二十四小时,车辆每天的运营里程很长,公交要二百五十公里,出租车要五百公里以上,第三个是车辆的寿命,或者说对电池的寿命要求都希望达到六十万甚至一百万公里,所以简单来说,针对这样的需求,快速充电和长寿命是这个电池最基本的一个特征。

  那么针对这两种需求,有没有电池能够满足这种商业上的要求?我们刚才谈到了十分钟或者十五分钟充电,那么它的寿命希望达到五千次,甚至是一万多次。从2007年开始微宏一直在这方面在做努力,在过去的几年中,我们先后开发了两代的产品,第一代是钛酸锂,这个电池在25℃下6C充放循环下,循环两万五千次容量可剩余78%,第二张图是第二代我们称为多元复合锂电池,这个电池有一万次的循环寿命。

  四、电动公交与电动出租的快充方案

  这两个电池他们的出现就是针对前面提到的两个市场,一个是公交,另一个是出租车,2011年3月,最早的第一批的六辆装钛酸锂的公交大巴在重庆上线了,它的充电用了两把枪,充电电流达到了500安培,标准电压560伏,充电机的功率大概400千瓦。这批车到现在运行了4年,每天充电5次左右,每充一次电线路的里程大概是30多公里,这个项目非常好的诠释了钛酸锂电池在快速充电的条件下它的长寿命和稳定性。

  三年之后,重庆这个模式走出国门,得以进入到了德国Munster,VDL采购了一批纯电动快充的大巴电池,这也是我们引以为豪的事情。

  同样是在去年,伦敦这个红色双层巴士,1000台的订单下给了微宏动力,这个系统是一个增程式的串联系统,配了18个千瓦时的钛酸锂。目前已经有400多台上线运行了,在今年年底之前会把剩余的500多台投入运行。

  从去年下半年开始,国内的公交市场非常火爆

  ,从去年开始我们陆陆续续在国内很多城市都投入了快充的电动公交车,特别是在北京,北京公交去年总计采购了390台配备快充电池的大巴及中巴,全部都采用了快速充电的模式,所以快充在公交行业获得了相当广泛的认可。

  在公交之后,谈到出租的应用目前其实还没有开始。我们所设想的方式是纯电动的出租车能够在10~15分钟之内充满电,且每次充满电续航里程能够达到250公里。电池能够使用60万公里,尽量做到与公交等寿命,这是我们所设想的电动出租车的一个商业模式。

  五、快充需解决的技术问题

  在快充体系之间,电池温度是影响它寿命最大的杀手,50℃下容量衰减几乎加快一倍,所以温度控制是非常重要的。

  在成本可以接受的情况下,我们会建议采用液冷的方式,我们把电池直接浸没在高绝缘性的阻燃液体中,然后把这个液体循环出去,循环出去之后跟空调的氟利昂直接换热,换完热之后再回到电池中。这个是伦敦双层巴士运行了这样一个系统,运行得非常好,我们希望在乘用车上也能够采用这样的系统来解决快充的时候电池的热管理问题。

  对于电池安全,客观上来讲,锂电池的绝对安全是不存在的,它是易燃的、本身带有能量的物体,所以我们能够做到的是在材料体系上,电芯的单体制造和成组技术上进行充分的设计来确保当有意外发生的时候整个系统不会出现燃烧、爆炸。

  微宏在大巴车上开发了一套比较独特的系统,就是把电池直接浸没在高绝缘性的阻燃液体中,那把电池浸在油里的好处是什么呢?油隔绝了空气,当出现意外的时候,热失控高温的点和可燃物泄露出来的时候,它不会第一时间接触到空气,可以很有效地避免起火或者爆炸的发生。

  我们做了一个具有象征意义的测试,在空气中尖穿刺一个铝壳电池或者在油中间穿刺一个电池,测试发现,在空气中穿刺的时候,我们观察到电池表面的温度是六百多度的高温,并且很容易起火,而在油中针刺的时候我们能观察到的温度大概只有一百多度。所以隔绝空气能够很有效地缓解电池在出现失控的时候的危险。

  六、快充电池的其他工业应用

  最后一张PPT是讲快充在其他工业上的应用,除了讲到的两个目标市场:公交车和出租车之外,在所有24小时运营的移动工具上,包括码头拖车、叉车、RTG,无一例外对快充都有着需求。另外,在高功率使用的启停电池上也可以发挥它长寿命和大功率的特性。第三个是在增程式或者插电式车辆上,在高功率使用的情况下这种电池也会有很好的运用。

  提问环节:

  1. 快充功率是多少?就现在的电池容量,快充理论上最快多长时间?

  这取决于电池容量,如果电池是30千瓦时,大概快充的功率是120千瓦,在纯电动大巴上,电池电量有时候会配到110千瓦时,实际上充电的功率最大是千瓦,电池能够接受4C快充,还有一个限定因素是充电枪,国标最大的充电枪最大的电流是250安培,所以在公交车上经常是两把枪,500安培充。

  2. 快充和慢充是以多少倍率为界定的呢?每快充一次,寿命会减少几次呢(慢充基准次数)?频繁快充对电池寿命的影响?

  充电的倍率最快能有多快,这取决于对系统设计的需求,不能指望速度太快,太快对充电机的要求太高了,实际上在工程上不具备可实施性。快充与慢充通常也不是一个严格的界定,一般意义上,五分钟到二十分钟是足够快的。

  3. 快充技术现在成熟吗,安全可靠性如何?国内外哪些厂家做得好一些,影响快充技术普及的主要困难是哪些?

  快充的技术在重庆有过四年的应用,有成百上千辆公交车在运用,应该来说它是比较成熟的。安全可靠性,大家可能感觉快充快了点,安全是上是否有问题,其实在大电流行业,比如在电解铜、电解铝、炼钢这些行业,电流要比这个大得多,所以说这个应该不是问题。

  4. 快充的电压电流都是非常高的,那是否对整体电形成较大的影响呢?是否需要配套的充电站呢?

  在使用大电流充电的时候,对局部电会有比较高的要求,比如在重庆的充电站,因为有6台充电机,所以大概充电站的装机功率用了两台1600千瓦的变压器,要求周边的电要有这样容量的负荷,后来重庆在充电站旁边增加了一个储能的电池的集装箱,把它建成了一个我们称之为充储放一体化的充电站,通过储能的集装箱来缓解对电的冲击。

  5. 动力电池中锂电池和氢燃料电池哪个会是未来?

  日本在燃料电池上取得了比较大的进展,在使用燃料电池的时候,燃料电池不能大功率的变化,所以它经常会配合一个锂电池来使用。另外,燃料电池对系统化的要求,动力电池充电站的建设碰到了很多问题,燃料电池同样需要建设一个加氢的络,这个其实是很有挑战的。

  6. 硅油冷却效果参数曲线?电芯温度与充电曲线?

  使用油这种方式最主要的目的是为了提升安全性,散热是附带作用,散热有两种方式,一种是利用模块的外壳来散热,也可以用自然散热或是风吹的方式,这是在国内用的比较多的。在欧洲通常是把硅油循环出去,跟换热器直接换热,这样可以主动控制温度,无论气温怎样,都可以把温度控制在理想范围之内。

  在快速充放电的时候电芯的温度会升高,但这个数据在系统中间不太具有参考性,因为多个电芯密集堆在一起,我们通常是在一个模块级别或者系统级别来考察充电或是放电时候的温升。

  7. 快充的优点大家都知道,但是快充电池续航里程小、国家补贴少、无法达到免购置税条件等对影响用户的购车成本,这个将成为用户选快充的考虑因素吧?

  快速充电在国家补贴政策上对公交的续驶里程和补贴有挂钩的关系,实际上,车厂都会自己研究补贴政策,合理配置电池的电量,使得它能够达到国家要求的标准。再少的话,低于续航里程,补贴受到影响,那么就会影响用户购买的决策。

  8. 快充需要电配容,这个成本。以及对于公用充电桩而言,不同的电流的技术要求如何配置不同的车辆,现在技术标准没有统一的情况下,后续该如何规范?还是技术解决呢?

  大功率的充电桩往下兼容是可以的,小功率充电是没问题的,但是大功率充电桩建设之后,如果不需要大功率的时候,那么这个投资就有点浪费了。

  9. 每台快充机一般占地面积多大?体积密度多少(每千瓦和每千元人民币)?需要如何和配电公司协商(如何解决对电冲击的影响比如负载每相不均或过大)?定价有管制吗?

  快充的充电机并没有特别的地方,举个例子,大巴的充电机,像深圳大概很多60千瓦,我们需要360千瓦,相当于6台充电机合并使用,只不过前面合并成了一根或者两根电缆。它的成本市面上的价格每千瓦的充电机大概是在1000多块钱。

  10. LTO应该在48V系统上比较合适。48v容量虽小,但为了4阶段,5阶段油耗标准中国市场可能比欧洲还大。仝总怎么看这个问题?

  对于启停电池,确实钛酸锂的稳定性非常好,技术上是可以的,唯一的问题是它的电压低,只有2.3V,同样要做到48V,需要串联的数量比较多,所以成本会高一些,将来客户希望48V的成本非常有压力,因此是否将来可以大规模的推广不敢说,因为毕竟它不是唯一的选择。

  11. 都说动力电池成本高,占比电动汽车价格比例很大,请问其成本究竟高在哪里?是原材料?工艺过程?还是行业垄断?

  动力电池的成本确实比较高,现在典型的乘用燃油车大概在10万块之内,配了30千瓦时的电池之后差不多要20万,将近贵了一倍,这还是电池厂卖给车厂的价格,如果将来电池要在4S店更换的话,4S店要收多少钱就很难说了,所以它的成本确实是非常贵的。因此,这也是我认为第一要在运营性车辆上通过长寿命来换取油电差来找回它的经济型,另一个做法是微型车,国内像知豆、云100这些也做得非常好,这也是一个潜在的市场。

  电池的成本其实不存在行业垄断,这是一个充分竞争的市场,原材料和工艺工艺过程都是造成它成本高的一个重要原因。成本要降低,就要把能量密度提高,能量密度翻一番,成本可能会降低近一半。

  12. 如果钛酸锂能量密度比传统锂电池小的话小多少?考虑到补贴的情况下同样容量贵多少?

  钛酸锂的能量密度目前是在80瓦时每公斤,磷酸铁锂通常是在130瓦时每公斤,三元电池可以做到180瓦市每公斤,特斯拉大概在230瓦时每公斤。

  13. 电动大巴和出租车为什么不采取更换电池的方法?

  电动大巴和出租车采用换电的方式过去这些年我们国家实践了很多地方,在世博会、奥运会,大巴都采用了换电的方式,在杭州电对出租车换电探索了好几年,实际最终的结果不好,有几个原因,换电站要备用大量的电池,因此换电站的投资非常大,最终使得国这样的公司都决定要放弃这种业务模式,这是非常有挑战的一个市场模式,本人不是很看好换电的方式,因为电池的安全性非常重要,好几吨的电池换来换去很难控制。

  14. 您是否认为目前私家车暂时没有快充的市场需求呢?目前的私家车采用什么充电方式呢?与快充有什么不同?

  私家车其实对快充需求不是那么强烈,如果有一天车能够快充是最好的,但是问题在快充就要牺牲一些东西,比如成本和能量密度,而私家车对于成本和续航里程的需求最终会战胜快充的需求,就是说鱼和熊掌只能取一个。

  私家车大部分时候会在家里和办公室楼下慢慢充电,可能偶尔会有快充需求,但这个快充需求却也是刚性的,如果没有快充能力和公用络,那么对于私家车来说,里程焦虑是不能消除的,所以我们希望有一天,技术能够发展到既能快充成本又足够低,使得它能真正撬动私家车的市场。

  15. 充电桩兼容这方面是否将有政策出台?

  充电桩的兼容性业内很多专家都在呼吁,很多公司出于利益的原因,独立建的充电桩其实是刻意地不愿意与别人兼容,很多公司自己做车,自己建充电站,它的运营系统是封闭的,就是说它的充电系统别人去那儿是充不了电的,这是商业利益的保护。如果要打破,也许是靠国家的政策和法规,也许是靠最终竞争的结果,胜者为王。

  16. 快充在未来三至五年内的市场规模有多大呢?

  快充的市场规模未来三到五年,一个是公交车的优点非常明显,公交车在新的补贴政策的刺激下,到2020年之前或将有百亿的规模,第二个是欧洲的城市对电动化的渴求更加强烈,而且欧洲的油电差非常大,相对来说,电力供应也比较充分,因此预计在欧洲市场快充的市场也会快速增长。

  (文章来源:汽车)

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