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从Tesla到Gogoro 电动车充电技术的瓶颈与突破

来源:网络 发布时间:2019-02-20

摘要: 电动车数量,以及续航距离都在成长的情况下,电动车充电技术的问题也越来越明显。本文将介绍目前电动车充电技术的瓶颈,以及可能的解决方案。

电动车数量,以及续航距离都在成长的情况下,电动车充电技术的问题也越来越明显。本文将介绍目前电动车充电技术的瓶颈,以及可能的解决方案。电动车的普及,以及寻求充电技术突破的过程中,既有的厂商、新创企业与研究机构,正在创造一条新的电动车供应链。


充电速度到底能多快?


台湾Gogoro电动机车的使用者,正从GoStation电池交换站取出电池。法新社

各国政府为了环保与产业发展而推广电动车(EV)的趋势下,乐观的预估如彭博新能源财经(BNEF)认为,2030年电动车将占所有新车的28%,电动公交车甚至将占到84%。不过也有保守的观点认为,由于发电总量的限制、电池原料来源限制,以及电动车充电时间比汽柴油车更长等因素,使电动车普及率,到2030年仍可能不到每年新车的10%。

另外,电动车的续航距离也越来越远,如日产(Nissan Motor)最新的电动车Leaf e+续航力,以日本的JC08模式测试可达570公里,若以美国国家环保局(EPA)标准测试,则达226英里(约364公里),已不亚于一般的柴油车。然而,这代表电池容量更大,充电时间更久。充电站如果采用与加油站相同的设计,很容易造成塞车。


因此,电动车的充电速度必须更快,否则已经够久的充电时间将更加延长。


如果使用输出功率为50kW的充电系统,要充饱容量25kWh的电池,需30分钟。电动巴士之类的150kWh大容量电池,充满电就要3个小时。如果不使用专门的充电系统,而是使用一般家庭的输出功率3kW交流电源来充150kWh大容量电池,或者充Tesla电动车Model X的最大100kWh电池,一个晚上也无法充饱。


所有的电动车厂,都希望能加快充电速度,但技术上仍有困难。

无线充电车辆在行驶中充电的示意图。Daihen Corporation

目前的快速充电系统,最大输出功率多为50kW。2018年4月,以日本为主的充电规格CHAdeMO发表2.0版本,最大输出功率可达400kW。源自德国的充电规格CCS,输出功率也提高到350kW。预估到2020年,输出功率达900kW的新充电规格,将会开始推展。


即使如此,根据日经Electronics报导,输出功率大为提升的充电规格,短期之内仍无法缩短充电时间。因为现行电动车的锂离子车用电池,无法承受超快速充电。此外,充电线本身,也无法承受庞大电流的高温。


充电速度限制的两大因素:电池与充电线


CHAdeMO规格协议会的资料显示,输出功率较高的150kW与350kW的充电系统,无法对电容量较小的25kWh电池充电。350kW的充电系统,也无法对电容量50kWh的电池充电。350kW的充电系统,只能对容量较大的150kWh的电池充电,需时也将近30分钟。


多数的车用电池,从零开始完全充饱,通常设定的充电比率(C Rate)为2C,即30分钟。过快的充电,会大幅缩短电池的使用时限。


若使用新技术,理论上可使用输出功率150kW的充电系统,对容量50kWh的电池充电,只需20分钟,但目前可承受如此高速充电的电池,尚未量产上市。如果要将充电时间更缩短到12分钟以内,技术上更有待突破。


现在电动车的电池容量越来越大。以前述日产的Leaf e+电动车为例,电池容量为62kWh,用常见的50kW充电器,需近75分钟。不过Leaf e+的电池技术已较之前提升,可以使用更快的100kW充电器,充满电的时间可缩短至35分钟左右。


Tesla电动车的电池容量,原本为53kWh,到Model S与Model X则提高到最大100kWh,续行距离可延伸到500公里以上。


未来的电动车电池容量,应会以100kWh为标准逐渐跟进,甚至更高。若用一般家庭输出功率3kW的交流电充到饱,需要的时间将超过33小时,200kW充电系统也要30分钟。因此,制造商一定会设法提高电池的效能,以承受超快速充电。


无线充电车辆示意图。Daihen Corporation

另外,还必须设法解决充电线过热的问题。


超快速充电时充电线过热的问题,目前发展出水冷系统来因应。水冷系统针对的是一般的车用电池,也就是充电30分钟的电池。
但如果发展出超快速充电,对容量100kWh的电池,以6分钟充到饱的速度,需要的输出功率为1,000kW,即1MW,目前的水冷技术恐怕无法应付。或许会出现水冷管线变得更粗大,导致充电线变得更大、更重而难以使用的情况。


此外,还有供电系统的问题。即使电池与充电线的问题都解决了,整个充电站可能需要更大的空间来配置整个系统。


因为需要更大的电源装置,充电桩、充电线与连接器组成的柜员机,必须和直流-交流逆变器等电源装置分离,如此一来,土地与设备的成本都会增加。若要达到输出功率1MW的超快速充电,或许要一座小型变电所在旁,才有办法供应。


充电线与充电站的问题,先放在一般。如果采用另一种解决方案,例如直接更换电池,是否较为可行?


但由于车用电池的重量,并非一般人可以轻易替换,未来的电池因效能与容量提升,势必更重。因此,使用机器更换,成为新的解决方案。


最早以更换电池的方式来解决充电问题的,是美国新创Better Place,曾研发出更换车用电池的自动化设备。更换时间缩短至1分钟,与汽车加油时间差不多。原本预定2012年商业化,但后来事业失败,于2013年结束。


Tesla于2013起开始研发电动车Model S更换电池的流程,以自动化设备可在1分半内完成。之后虽在美国数个据点尝试推动,但是却很难普及。


失败的原因,有人认为是因为电动车还不够普及,也有人认为交换系统成本过高,且需要研发新技术来追踪每一个电池的劣化状态,让消费者安心使用,而这样的系统研发必须追加经费。另外,提供更换电池的服务厂商,也需要管理维护大量电池。
不过,在电动机车方面,交换电池的模式显然较为成功。


台湾Gogoro从2015年开始营运,后来开始在便利商店等一般店面前设置GoStation电池交换站,使用的电池为Panasonic制。体积小且重量较轻的机车电池,显然更容易采用电池交换的模式,也更快普及。台湾光阳后来也推出Ionex车能网电动机车解决方案,混合了电池交换站、快速充电站与在家自行充电等模式。


车用电池从零充满所需的时间

Gogoro的成功引起海外厂商仿效,例如本田(Honda Motor)本田与Panasonic合作,推出Honda Mobile Power Packs,可自行充电或在充电站更换电池,2018年起开始在世界第3大机车市场印尼(仅次于中国与印度),推出电动机车电池交换的服务。


无线充电(WPT)能解决缆线充电与电池太重的问题吗?


电动车的无线充电(Wireless Power Transfer;WPT)方式,是在地面埋设送电线圈,且在车辆内装配受电线圈。两个线圈之间,透过电磁感应(Electromagnetic Induction)的应用技术、磁性谐振耦合(Magnetic Resonant Coupling)的方式来传输电力。线圈接收的电力经过整流器,再进入车用电池。


一旦WPT充电技术成熟,装上受电线圈的电动车,停在配备送电线圈的停车场、道路,或者在开车状态下,都可充电。电动车上的电池不需要很大的容量,只要在道路上行驶就可以充电,可降低电池的体积与重量,不但让电动车更容易操控,也解决了续航力问题。


大规模装置的成本,依据日本精工与东京大学大学院新领域创成科学研究所的估算,在红绿灯前30公尺路段,以及东京至大阪高速公路上设置线圈,即可应付电动车无线充电大部分需求,费用合计约7,290亿日圆。比起日本每年新车500万辆若全部为电动车,且全部装置100kWh容量的电池,每年需2.5兆日圆相比,明显低廉许多。


2012~2018全球电动车年销售量

WRT的研发从2010年代初开始,分为美国新创WiTricity公司与高通(Qualcomm)两个阵营,各自与多国车厂与机构合作。而WRT的国际标准,正由美国的国际汽车工程师学会(Society of Automotive Engineers;SAE)制定中,SAE J2954标准,预计于2019年中完成。充电中的WRT系统电磁波外泄强度等安全性问题的指标J2954 Recommended Practice version 2(RP2),已于2018年10月大致确定。


不过,没等到国际标准制定完成,就有车厂推出了WRT车辆。电力机器大厂Daihen,已在2018年5月抢先推出超小型无线充电电动车。


WRT目前仍有待解决的问题。例如停车场停车时要对准线圈位置,对停车的技术要求较高,不过停车场加装固定车轮的停车诱导设备,以及自动驾驶技术,就可解决。还有车辆加装受电线圈等装置可能增加车体重量,电磁波对于人体及金属等物品的影响,也令人担心。此外,WRT的充电速度也比较慢。

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