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换电还是超充,谁才是“未来”?

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碳中和目标下,动力电池企业行动“方略”

换电模式虽好,但超级充电也不差;未来在不远处,一切皆有可能。

可以肯定是,补能焦虑正在进一步蔓延。

当车主们不再满足电车仅被用来上班代步,实现长距离持续补能则成为一件必须正视的事。不得不承认,换电是现阶段最好的补能模式,但“更换电池”的操作怎样都觉得有些似曾相识。

这不就是以前手机电池拆卸自由的样子嘛!引入共享概念之后,换电模式的大范围铺开变得更加畅通无阻。看着蔚来换电站一座座的建立,心中不免产生疑问:被称作“大号手机”的智能,会不会也走上手机的老路?

浅谈超充技术

相对于手机,智能电动汽车补能所涉及到的因素更多,场景更复杂。除了人为方面的阻碍,充电技术依旧存在欠缺,尤其是现在快节奏的生活方式下,超级快充的高效率低成本实现就变得尤为重要。

研究超级快充,最根本的目的就是为了让充电时间变得尽可能短。从物理角度,P=UI,可以很好地解答如何提高充电功率的问题,简单来说,提高电压和增加电流就能提高功率,进而实现缩短充电时长的目的。但需要注意的一点是,Q=PT,当时间越长,功率越大时,充电桩散出的热量也就越高,通俗来讲就是“容易烧掉”。

以特斯拉最新V3超级充电桩为例,支持最高达250kW的峰值充电功率,号称充电15分钟就能行驶120公里;充电前自动预热电池,更容易进入峰值功率充电状态;采用全新液冷线线缆,避免被“烧”的同时,更避免遭遇甩锅给用户、国家电网的尴尬情况。

讲到这里,除了干巴巴的几行字,似乎也没有说到V3超充的技术创新,其实我也想扒一些让人眼前一亮的技术干货,但超充的关键技术就是这般“平平无奇”:液冷和高功率。

实现高功率充电,充电桩内部散热和充电电缆散热都是必须要解决的事情。在风冷降温效果堪忧的情况下,液冷散热则是目前可见范围内最实际的解决方案。

正如下图所示,液冷的工作原理也说不上太难,除了导热材料和冷却液的选取,就是冷却液专门循环通道的密封设计,以及推动液体循环“动力泵”的研发。

充电桩内部散热的好坏直接就决定了设备的使用寿命和稳定性,而密封方面的设计则更需要注意,毕竟当管路冷却液发生泄露时,冷却系统失效,充电柱自燃的可能性就会被无限放大。

另外,充电电缆也需要布置冷却技术,这是一种解决“输电发热”的普遍方法。不得不说的一点是,做了液冷之后,充电线缆还能进一步缩小直径,使充电插头变得更加小巧轻盈,最新的特斯拉V3就是这样,借助液冷线缆,实现了单手充电自由。

讲完液冷,唠上几句提高功率的事也未尝不可。毕竟在功率元器件依旧依赖进口的情况下,再三强调“卡脖子”的问题也不为过。

现阶段,实现超级快充势必需要依靠直流充电的方式,而想要增加充电桩的输出功率,最直接的解决方法就是重新设计一款直流电源,并考虑到功率限制、成本等诸多方面的因素。充电桩的输出功率不可能无限制扩张,只能尽可能在一定体积内满足最大限度的“功率密度”。

实际上,能够实现超级充电,占总成本50%以上的“充电模块”功不可没。该模块的主要作用在于将电网中的交流电转换为充电的直流电,原理方面会涉及到三相交流电的整流滤波、交直流电压转变、高低频变压,以及IGBT模块的应用等。

很有意思的是,IGBT器件并不仅仅被用于充电桩,它还是本次“汽车芯片荒”中除了MCU之外的“主角”之一。整车内部的IGBT模块主要是在电池放电的时候,将直流电转变成交流电机使用的交流电,同时控制交流电机的变频,进而保证百公里加速赶超油车的关键器件。

目前,就国内而言,好像只有比亚迪有底气说自己不缺IGBT芯片,哪怕星星充电、特来电等第三方充电桩头部企业都曾表示过对IGBT等功率元器件实现了自主研发,但必须承认,多数企业的相关零部件还是依赖于进口。

也就是说,虽然“囤货”能够解决燃眉之急,但只有将相关产业链完善,并可以实现量产制造之后,才算是真正迈出了第一步,而且关于超级充电技术的发展,还需要考虑到另一项技术的适配:电池技术。

电池技术是产业桎梏

现在的超级快充技术已经实现了很大的进步,但如何在大功率充电下保证电池的安全和寿命依旧是难点所在。就比如快速充电所导致的电池负极“结晶化”。

以锂电池为例,在充电过程中,电池的负极会吸引锂离子从正极向负极运动,当充电速度过快,锂离子的移动速度就会随之变快,如果此时的负极材料不能满足锂离子的快速通过,就会引起负极锂离子堆积过盛,进而形成一层“结晶”,从而影响到整个电池的可循环利用。

换句话说,当充电桩能够提供足够的大功率充电时,汽车电池方面反而后继无力了。虽然,利用石墨烯做正负极材料应该可以解决此类问题,但现阶段的石墨烯电池还停留在实验室和卫星上,因成本问题并不能商用。而且,这也只不过是电池技术中一个比较明显的技术难点而已。

从结构上划分,电动汽车电池可分为蓄电池和燃料电池两大类别。相对于蓄电池来说,燃料电池的技术并不成熟,所以更稳妥的方案是利用蓄电池。蓄电池的主流是锂离子电池,主要以磷酸铁锂电池和三元锂电池为主。

相对比而言,三元锂电池的前途似乎更好,尤其是固态三元锂电池一出,其安全性问题也得到了很好的解决。所以,哪怕磷酸铁锂电池的成本更低,三元锂电池反而会更受各方的青睐。就比如蔚来ET7选择搭载的固态电池,再比如特斯拉一直以来使用的松下三元锂等。

电网能否承受?

随着充电桩越来越多,电网的用电负荷必然越来越大,各地推行错峰充电也是出于这个原因。尽管国家电网每年也会对线路进行扩容改造,但扩容的速度一般很难能够跟上充电站对能源的需求,更何况是去铺设对电网影响力更大的大功率充电桩。

当某个地区需要大功率供电时,往往会提前做好电网规划和布局,比如在附近建设变电站、改造供电高压线路等。然而矛盾的是,现有充电需求旺盛的区域,往往配套的电网基础已经铺设完毕,相应的电网扩容难度也就随之增大,再加上审批、新建电缆沟等必要步骤,都需要花费更多的时间和成本。

所以,在现有的供电基础上建设大功率充电桩,更像是一项拼手速的操作,功率限制下,固定地区的大功率点位竞争将会变得更加激烈,毕竟谁建设的快,就意味着谁能够通过更小的代价,占到一份超级充电市场份额。

而且,从发展的观念来看,超级快充服务很有可能会成为未来电动汽车竞争的重要战场之一,毕竟“人无我有,人有我优”的竞争力才会更加强劲。

目前,特斯拉在中国大陆的超级充电桩数量已经突破了6,000根,而且上海超级充电桩工厂也在今年2月份正式建成并投产,初期规划年预计10,000根,如果全部布置下去,那将会是一个十分可观的规模。

小鹏汽车“玩的更野”,全国100个城市建立了超过670个的超充站点,并且“鹏”友们还能享受终身免费充电的服务,优越性油然而生。

蔚来则是更热衷于布置换电站,不过超充方面也没有放弃,或者称其为充换电一体站。数量上,蔚来已经在全国范围内布局约232座换电站,以及169座超充站,而且数字也还在不断上升中。

另外,值得注意的一点是,除了“新势力”之外,传统车企也在加紧布置超级充电站等服务站点。奥迪就是其中很有代表性的一家,其最近提出的大功率充电中心解决方案引起了很多思考。

奥迪的大功率充电中心是两层设计,一层充电,二层是休息区和食堂。除了能提供300kw的充电输出外,奥迪的大功率充电中心还在屋顶配备了太阳能电池板进行补能。更有意思的是,该充电中心的电能,竟然是由一些被用过的锂电池提供,此时的锂电池既作为电能缓冲存储器存在,还能解决高压线缆、变压器等昂贵基础设施的扩展问题,成本得到了很有效地控制。

当某处节约了成本,是否就意味着可以在培养用户习惯上,下更深的功夫?总的来说,为了解决充电焦虑,各大车企都有自己的一套解决方法,换电也好、超级充电也好、储能再转换也好,都不过是为了占据更多的电动汽车市场份额。但如果说,什么样的补能方式才是未来,那可能还需要去看各大车企对市场的“教育”程度。

或许人们更容易接受换电,3分钟就解决,很飒;或许人们更喜欢充电之余放空自己,30分钟也不是不能等;亦或是无线充电也给安排上,汽车行驶过程中就实现了补能,未来的一切谁又说的准呢!

逆行者丰田 或将为“氢”向押注承担市场风险

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