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换电已出局?快充才是车载动力电池发展的必然趋势

[2017-04-17 11:23:03]

换电已出局?快充才是车载动力电池发展的必然趋势

    车载动力电池发展技术路线,从电能补充上基本分为换电、充电两类,而充电充模式基本上分为慢充、快充两种。经过实践证明,在商业车(含大客车、城市配送车),其换电模式基本出局。但是不少机构坚持认为对出租车而言,换电模式有一定生命力,其实不然。认真研究后的结论是,快充才是车载动力电池发展的必然趋势。

一、什么是快充、慢充?
    快、慢是相对的。这里先解释一下充电速度单位。充(放)电速度单位是充电倍率(符号为C),充(放)电倍率的基本含义是指电池在规定的时间内充(放)其额定容量时所需要的电流值,它在数据值上等于电池额定容量的倍数。通俗地解释如下:

    用户须知:
    · 车电池的充满要用60分钟,则充电倍率为:1C,即1C=60分钟; 
    · 车电池的充满要用120分钟,则充电倍率为:0.5C,即0.5C=120分钟;
    · 车电池的充满要用300分钟,则充电倍率为:0.2C,即0.2C=120分钟。

    如果用户希望5分种能把自己车辆电池充满,则要求的电池充电倍率为12C。2017年工信部对快充电池补贴的规定是充电倍率3C起步,最高15C。对用户而言,3C=20分钟,15C=4分。
 
    从上面的表述中可以看出,对一辆车充满电池,如果超过20分钟,则这个电池就是慢充电池,少于20分钟就是快充电池了。实际上大众的心里需求是用4分能把电池充满。
 
二、目前电动汽车与燃油汽车比较
 
    汽车作为交通工具。大众最看中的最关键是指标是二个:一是电动汽车一次充电续驶里程;其次要求电能补充方便性(含充电时间要短)。电动汽车要追赶燃油汽车必须要在这两个指标上,要有一定先进性。否则电动汽车,在市场上与燃油汽车相比,没有竞争力。

    1)电动汽车一次充电续驶里程与传统燃油车差距?
   
    a)柴油大型公交客车加一车油,能跑500公里以上,天然气公交车加一次能跑180公里;

    b)电动大型公交客车加满电,能跑200公里,而公交公司较低的要求是,加满电能跑300公里。

    2)电动汽车能量补充时间上与传统燃油车差距?

    对电动汽车,电池厂家一般要求按0.33C充电,即大约180分钟(3个小时)。而传统汽车加满一箱油的作用时间,10分钟内是基本上能完成的。 
 
    3)电动汽车与传统燃油车在以上的两个关键指标上的比较
   
    锂离子电池是(0.46~0.72MJ("兆焦")/kg),汽油能量密度大约是12~17MJ("兆焦")/kg,按汽油机的效率通常在30%~70%,所以100kg的锂电池充满电的带电量大约只相当于3公斤汽油的发电量。
 
    即如果要求同样的持续里程,汽油车配一箱汽油,电动汽车要求配33.3倍重量锂电池。目前的材料体系动力电池,要追赶高于它33.3倍比能量的差距,其理论告诉大众,是没有可能的。
 
    目前动力电池比能量与汽油相比,太低了。通俗讲,目前锂电池太重,所以说,新能源汽车要替代汽(柴)油将一个漫长的过程。发展新能源汽车(或者纯电动汽车)必须要找到与传统汽车能量密度的平衡点。
 
三、提升比能量是一个持续而漫长的过程,提升比功率更有助找到能量平衡点

    比能量提升了,汽车一次持续里程就能提高。但是在目前的基础上再提高到33,3倍以上,其目标将过于遥远?
 
    目前动力电池的放电倍率已经基本上能满足新能源汽车的要求,在动力电池厂家和整车厂家共同努力下,一次充电的持续里程(200公里)在部分车型上,用户也开始在慢慢接受了,但是充电要3个小时,离用户太要求遥远了。
 
    如果在目前一次充电的持续里程(200公里)的基础上,能提高充电倍率,如10C以上,就是要找到动力电池与汽油能量密度的平衡点。

四、实际上能不能做到5分钟把一车电池充满?

    上面提到用15C充电倍率,就能实现4分钟把一车电池充满。这里提出一个新的课题,如果一次持续里程低于50公里,就只能在公交车(这样规定线路)。对其他类型的新能源车辆,要实现20分钟充满电,即用3C的充电倍率,但是持续一次里程高于180公里以上,与传统燃油车就有一定的市场竞争力了。
 
    根据国家973项目“微纳生物医学传感器及超敏感探测相关基础研究”首席科学家(信息微电子),国防973“磁电/半导体集成电子薄膜生长控制与调制机理研究项目”专家组专家、武汉中科动力能源研究院院长王太宏教授团队公开的科研成果及产品资料显示:其比能量已经有很大的提高,但是用这样的电池来装车,一次性持续里程还是与燃油车相比,依然是没有市场竞争力;如果将上面电池的比能量和充电倍率进行组合,在与燃油车相比,就有市场竞争力了。比如说,用这样的电池来装大型公交车,与天然气公交车相比,优势就十分明显了。
 
五、我国快充公交车的推进为中国新能源汽车的发展积累了成功经验

    电动公交车启用快充电池以后,对与配套的零部件提出更高的要求。我国快充大型公交车已经形成规模效应。经验表明,快充电动公交车的路线是一个比较正确的技术路线。正确在与找到了与传统汽车上比能量的平衡点。许多专家认可,混合动力电池的技术路线,也是基于要在寻找与燃油汽车的能量密度的平衡点。
 
    我国政府提出,要发展“纯电动驱动”新能源汽车,提出增程式电动汽车,也是在找到与传统汽车上比能量的平衡点。目前增程式新能源汽车,没有厂家响应的基本原因是,增程器不能是内燃机的。如果依然要烧汽油,这样的增程式的电动汽车就不伦不类了。接下来较为理想增程器是燃料电池做。
 
    笔者观点,纯电动汽车与燃油汽车的能量密度的平衡点是,快充电池的电动汽车。

六、中国的纯电动汽车,一定是快充类电动汽车

    我国快充公交客车为发展快充电池提出客户端的需求。但是快充技术路线,对供电公司而言,是一个不能接受的技术路线。理由是这样多的汽车,都要快充,给供电公司提出不可能答应的要求。如果供电公司不同意,所谓快充电池,就没有用武之地。下面予以分析:

    a)加油站,为什么20分钟的作业时间能给汽车加满油?主要原因是,加油站有一个比有油箱体积大N多倍储油罐;

    b)充电为什么要3个小时,主要原因是没有大电流来源;

    c)研发快充电池与研发高比能量的电池,也要找到一个平衡点。

    再进行细化分析:

    a)供给端是电公司,他的基本诉求是,是把晚上低峰电用起来,于是提出来换电模式; 

    b)需求端是新能源汽车的用户端,他的基本诉求是,弥补一次充电持续里程不够,于是提出快充模式;

    c)供给端的基本诉求与需求端基本诉求是矛盾的。

    如何解决?其具体思路是:

    a)像布局加油站一样布局储电站,用晚上低峰电用来给储电站充电,即储电站充电是晚上工作,是一个晚间的连续充电工厂,满足了供给端的要求;

    b)第2天,用储电站的电给汽车予以快充电,满足了新能源汽车用户的要求;

    c)目前慢充的电池产能快过剩了,用他来建加油站类储电站,市场容量又扩大了,动能电池发展在目前比能量的基础上,加大比功率再大的开发力度,满足动力电池厂家的基本要求.

结论

    把供给端与需求端的矛盾解决好了,同时又给中间电池企业带来可观的市场空间。于是中国的纯电动汽车,一定就能快速发展起来。
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