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純電動汽車直流快充對電池的影響

鉅大LARGE  |  點擊量:2519次  |  2020年07月24日  

影響BEV普及的因素,除了動力鋰電池的價格,另外一個因素之一是充電時間。直流快充是減少充電時間的重要手段,例如50kW或120kW的直流充電樁,可以在一定程度上緩減里程焦慮。下圖是采用ABB50kWDCFC給2015NissanLeafBEV充電的曲線圖,典型的CCCV充電模式,電池總能量是24kWh,最高DC電流在115A-120A之間,持續時間15min多一點,隨后切換到CV模式,繼續充電20+min,整個過程耗時不到40min,比Level1&2的幾個小時充電時間要快很多。


考慮到電池是2P96S,單個cell容量約33.1Ah,實際在2P的并聯回路中,每個cell的平均最高電流不超過60A,單個cell大概在2C左右的能力。早在2012年,DOE下屬AVTA在亞利桑那州的鳳凰城進行了道路測試,考察了50kW直流快充對2012MYLeaf在實際使用中對電池的影響,每天使用兩次快充。結果發現,在前3萬英里,50kW直流快充跟交流充電對電池衰減都幾乎沒有影響。3萬英里之后,電池衰減都在1kWh之內,不算明顯。30萬英里之后,可以看到比較明顯的電池容量衰減。相關于快充對電池容量的影響,快充對電池功率輸出能力的影響相對更大一點,并且50kW快充過程中,電池平均溫升要比交流充電高2-5攝氏度。


2016年的時候,寶馬、戴姆勒、福特、大眾、奧迪、保時捷簽署了諒解備忘錄,在歐洲合作建設BEV的350kW高功率直流充電網絡,大概在400個左右的超快充電站點,采用的是CCS標準。與此同時,為了能夠實現與燃油車真正進行競爭,DOE也開展了有關更快速充電的研究,功率高達400kW,或者成為ExtremeFastCharge(XFC)。下圖簡化比較了幾種充電方式(假設電能消耗為0.3kWh/mile,忽略充電效率)。XFC的提出目標是實現<10min的充電時間,同時整個電壓一下子提高到800V左右,遠高于現行的300-400V左右的高壓儲能系統,這關于電池設計又是一個挑戰。


一方面,為了實現長續駛里程(>300miles),要求cell能量密度要新增,通常極片涂敷量新增,或者厚度新增,這關于快充是不利的。厚度新增,充電時間也會相應新增,否則會出現析Li的可能。因此更薄的電極更加有利于實現更快的XFC充電,但是除了不利于實現高容量,這也會在一定程度上新增電池成本。DOE的一項研究顯示,專門為快充設計的cell成本比一般的cell成本高將近90%左右。另外,XFC快充要更好的熱管理來配合使用,溫度高于50攝氏度時,電池衰減有加快的趨勢,目前電池行業多采用45攝氏度的數據來考察高溫對電池壽命的影響。高溫還可能帶來電池安全隱患。另外更高電壓的電池系統關于電氣安全的設計也是一個要考慮的方面。充電過程中cell的均衡問題,等等。超快速XFC的充電需求出現時,關于車載儲能系統的設計要有一次重新的認識。


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