电动汽车超充技术解析

电动汽车超充技术概念定义，主要类型，主流技术，技术发展趋势，电动汽车超充技术是指使用高功率充电设施为电动汽车进行快速充电的技术。这种技术能够大大缩短电动汽车的充电时间，提升用户体验，并有效解决电动汽车续航里程和充电便利性的问题。以下是对电动汽车超充技术的详细概述。

电动汽车超充技术

• 一、 概念定义
  • 顾名思义就是快速充电，衡量单位用充电倍率(C)来表示
    • 充电倍率(C)=充电电流(mA)/电池额定容量(mAh)
    • 举个栗子
      • 电池容量为3000mAh,充电电流达到了6000mA,则充电倍率为6000/3000=2C。
• 二、 充电模式
  • 阶段1:预充电状态
    • 预充电起到对电芯的保护作用
  • 阶段2:大电流恒流充电
    • 超充技术主要作用此阶段
    • 高倍率充电阶段，这个过程的电量区间往往在20%-80%;
  • 阶段3:恒压充电
    • 目的是限压，防止电芯的电压过高，破坏电池结构。
• 三、 技术路径
  • 1. 概述
    • 充电时间由电压和电流共同决定，对于充电桩而言
      • 充电时间(h)=电池能量(kWh)/充电功率(kW)
    • 因此，增大充电功率可以缩短充电时长，而充电功率由电压和电流共同决定：
      • 功率(kW)=电压(V)´电流(A)
    • ·所以想要缩短充电时间，有两种方法：
      • 大功率充电
        • 大电流
        • 高电压
  • 2. 大电流快充
    • ·目前使用大电流快充方式的主要是特斯拉，特斯拉V3超充最大充电功率为250kW,峰值电流大小达600A
    • 技术局限
      • 据热力学公式：Q=I²Rt,充电系统的电流的增大将导致产热量过高，带来两个后果：
        • 1||| 热管理系统造成较大负担
        • 2||| 能量损失严重，转化效率低，
    • 对不同模式的充电曲线进行比较，Model 3的大电流充电只能在5%-10%SOC的区间内实现大功率充电，在超过10%的区间内功率直线下滑
  • 3. 高电压快充
    • 目前高电压成为了快充主要趋势
    • 第一类：纯800V电压平台
      • 电池包、电机电控、OBC、DC/DC、PTC、空调压缩机均适配800V
      • 优势：电机电控迭代升级，能量转换效率高。
      • ·劣势：电驱的功率芯片需要用SiC全面替代IGBT,零部件成本高
    • 第二类：800V电池组+DC/DC转换器(400V)
      • 00V电压经DC/DC转换器后，可降压为400V,电机电控、OBC、PTC、空调压缩机适配400V
      • 优势：沿用现在架构，车端改造费用低。
      • 劣势：电压经DC/DC转换后，部分能量损失，能量转换效率低。
    • 第三类：双400V电池组
      • 两个400V低压电池组，充电时串联800V,放电时并联400V,电机电控、OBC、DC/DC、PTC、空调压缩机适配400V
      • 优势：成本低，改动较小，仅需升级BMS系统
      • 劣势：充电效率提升有限
• 四、 大功率充电的负面效应
  • 1. 热效应
    • 高电压只是针对充电桩而言减小了电流，但对于单体电芯而言，电芯仍要承受电流增大带来的发热问题。在快充条件下，电池内外部的温度差超过10摄氏度，不均匀的热分布以及过高的温度将引发一系列问题
      • （1） 电池循环寿命降低
      • （2） 热失控引发的安全问题。
    • 热效应对电池材料体系以及BMS管控系统提出了更高的要求。
  • 2. 锂析出效应
    • 锂离子电池运作的本质就是锂离子在正负极之间的脱嵌运动，然而在高充电倍率下，嵌锂的过程是不均匀的，锂离子会因无法及时嵌入负极石墨层而选择在负极表面沉积，形成锂金属。当锂金属不断沉积，就会形成我们经常听到的锂枝晶。
    • 危害
      • （1） 负极表面锂枝晶的持续生长，可能会刺破隔膜，造成电池内部短路从而导致热失控
      • （2） 锂枝晶在生长过程中会不断消耗活性锂离子，并不可逆转，导致电池容量降低，降低电池使用寿命
  • 3. 机械效应
    • 在快充条件下，锂离子快速的从正极脱出，并嵌入负极，这会造成电池内部极高的锂离子浓度，其结果是活性颗粒之间的应力错配。当应力累计到一定值时，会造成活性颗粒、导电剂、粘结剂以及集流体之间的缝隙增大，并造成活性颗粒的微裂纹增加。
    • 影响
      • （1） 活性颗粒之间缝隙的增加会显著增加电池的内阻；
      • （2） 颗粒微裂纹会降低了电池的循环寿命
• 五、 高压快充带来的技术革新
  • 1. 材料变革
    • （1） 负极：快充性能的决定性环节
      • 由于石墨负极是层状的二维结构，充电过程中，锂离子的运动轨迹是从正极脱出，扩散至电解液，最后插入石墨层之间。此时，负极发生的反应是：
        • 6C+xLi++xe-→LixC₆
          • 其中，x≤1,当x=1时，锂离子嵌入石墨层饱和，形成LiC₆,对应理论比容量372mAhg-1。
        • 所以锂离子在石墨层之间的脱嵌速度决定了电池的快充性能
      • 石墨负极应用于快充型锂离子仍存在部分瓶颈
        • 1||| 由于石墨层的各向异性，且层间距较窄，锂离子只能平行在石墨层之间运动，无法垂直运动，降低了锂离子的扩散系数；
        • 2||| ·锂离子嵌入石墨层时，是从层状的边缘进入，较长的扩散路径降低了锂离子电池的倍率性；
        • 3||| 石墨层之间由微弱的范德华力连接，结构不稳定，锂离子嵌入过程中会伴随着溶剂分子的嵌入，导致石墨层的剥落；
        • 4||| 在快充条件下，石墨层的嵌锂电位将接近锂沉积的电位(前面所提的析锂效应),从而降低电池的性能。
      • 负极材料提升倍率性三条路径
        • a. 二次造粒
          • 粒的工艺步骤是在一定温度和压强下，将物料置入球磨机中进行球磨，并筛分。一次造粒的目的是减小负极颗粒体积，二次造粒的目的是将小颗粒粘结形成大颗粒。
          • 对于倍率性而言
            • 负极颗粒越小，颗粒的比表面积就越大，锂离子迁移的通道就会增加，路径变短，更利于锂离子的运动；
          • 对于容量而言
            • 负极颗粒越大，压实密度越高，活性颗粒的空间利用率增大，更有利于储锂
        • b. 碳化(表面碳包覆)
          • 碳化就是将碳源(沥青)通过热分解等方法涂覆在石墨颗粒的表面，形成一种具有核-壳复合结构的碳材料。
          • 作用
            • 1||| 由于无定形碳的碳层之间是无序排列的，结构各向同性的，且碳层间距较石墨层间距更大，因此锂离子可以自由的在碳层间移动；
            • 2||| 无定形碳层表面孔隙较高，并有许多通道，可以为锂离子嵌入石墨层起到引导作用。
            • 3||| 无定形碳与电解液的相容性更好，可以有效防止大分子有机溶剂的共嵌入，抑制石墨层的剥落。
        • c. 硅碳负极
          • 优势
            • 在快充过程中，石墨负极的对锂电位约为0V,因此容易产生锂析出效应，然而硅的嵌锂平台更高，对锂电位约为0.5V,表面析锂的可能性较小，因此安全性要优于石墨负极
            • 硅材料的理论容量可达4200 mAh/g,远高于于碳材料的372 mAh/g,储锂性能更优
          • 在石墨材料中掺硅可有效提升电池的倍率性能，但是硅的体积膨胀系数较大，且导电性较差，因此目前硅基负极的改性路线有：
            • 1||| 对纳米硅颗粒进行多孔处理，多孔硅可以容纳自身在嵌锂过程中的体积膨胀
            • 2||| 与石墨负极组成具有中空结构的蛋黄-蛋壳结构，并在表面进行碳包覆，提升倍率性
            • 3||| 加碳纳米管导电剂增强导电性
    • （2） 电解液
      • 快充条件下，对电解液的离子电导率以及热稳定性有了更高的要求。
      • 新型锂盐更适配快充体系
        • LiFSI的氟离子具有很强的吸电子性，锂离子活性较强，相较传统锂盐六氟磷酸锂，拥有更高的分解温度(高于200度),更强的电导率，化学稳定性和热稳定性，因此更适配快充下锂离子的快速移动以及热效应问题
  • 2. 零部件革新
    • （1） 电机:扁线+油冷
      • 传统400V架构下，永磁电机在大电流以及高转速的情况下易发热退磁，整体电机功率难以提升，这为800V架构提供了切入契机，可实现相同电流强度的条件下提升电机功率。800V架构下，电机面临两大要求：轴承防腐蚀和增强绝缘性能。
        • 电机绕组工艺路线
          • 扁线化
            • 扁线电机指的是采用扁平铜包线绕组定子的电机(特指永磁同步电机),和圆线电机相比，扁线电机具有小尺寸、高槽满率、高功率密度、良好的NVH性能以及更好的热传导和散热性能等优势，可更好顺应在高电压平台下对轻量化、高功率密度等性能追求，同时可缓解当轴电压较高时击穿油膜形成轴电流导致的轴承腐蚀问题。
        • 机冷却技术趋势：
          • 油冷
            • 冷解决水冷技术的劣势，降低电机体积，提高功率。油冷的优势在于油品具有不导电、不导磁，具有更好的绝缘性能，可以直接接触电机内部组件。相同工况下，油冷电机的内部各温度比水冷电机的内部温度要低约15%,便于电机散热。
    • （2） 电控：SiC替代方案
      • 随着电池800V高电压工作平台的推进，对电驱电控相关零部件提出了更高要求。
      • SIC器件
        • 1||| 可提升电控系统中低负载的效率，使整车续航里程增长5-10%;
        • 2||| 升控制器功率密度，由Si控制器18kw/L提升至45kw/L,有助于小型化；
        • 3||| 比85%的高效区效率提高6%,中低负载区效率提高10%;4
        • 4||| 硅电控样机体积缩减40%,可切实提升空间利用率，助力小型化发展趋势。
    • （3） 车载电源：SiC器件应用
      • 1||| 相较于传统硅MOS管，碳化硅MOS管拥有导通电阻小、更高耐压、高频特性好、耐高温以及极小结电容等优良特性。与配备S基器件的车载电源产品(OBC)相比，可提升开关频率，减少体积，缩减重量，提升功率密度，增加效率等。
      • 2||| 可助力车载电源产品顺应高功率密度、高转换效率以及轻量化小型化等趋势，更能适配快充需求和800V平台发展
      • 3||| SiC功率器件应用在DC/DC也可带来器件的耐高压、低损耗和轻量化。
    • （4） 继电器：高电压趋势下的量价提升
      • 高压直流继电器是新能源汽车的核心部件，单车用量在5-8个
        • 1-2个主继电器
          • 用于在出现事故或者电路出现异常情况下紧急切换高压回路
        • 1个预充电器
          • 用于分担主继电器的冲击负载
        • 1-2个急速充电器
          • 用于突发电路异常等情况下隔离高压
        • 1-2个普通充电继电器
        • 1个高压系统辅助机器继电器
    • （5） 薄膜电容：新能源领域的首选
      • 新能源车电控系统的核心部件是逆变器。如果母线上的电压波动超过允许范围,会对IGBT造成破坏，因此需要用电容器对整流器的输出电压进行平滑、滤波并吸收高幅值脉冲电流。在逆变领域，通常需要采用抗涌浪电压能力强、安全性高、寿命长、耐高温的电容
        • 薄膜电容更能满足上述要求，因而成为新能源领域首选。
    • （6） 高压连接器
      • 高压系统对连接器的要求包括：1.具备高电压、大电流性能；2.在各种工况下实现等级较高的防护功能；3.具备良好的电磁屏蔽性能。因此为满足800V趋势下的性能需求，高压连接器的技术迭代是必然。
    • （7） 新型熔断器
      • 激励熔断器由电信号触发激励装置，使其释放储存的能量，通过机械力快速产生断口并完成大幅故障电流的灭弧，从而切断电流，实现保护动作，对比传统熔断器，激励熔断器具有体积小、功耗低、载流能力强、抗大电流冲击、动作快速、保护时机可控的特点，更加适配高电压体系
      • 在800V架构的趋势下，激励熔断器市场渗透率将快速提升