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“电池技术竞赛”,纯电动车时代的狂潮前奏

2017年11月23日 14:10    来源: 雷锋网    

“电池技术竞赛”,纯电动车时代的狂潮前奏

    电池,是电动车的“生命”,它将直接决定整辆电动车的许多最终表现。

  在特斯拉的推动下,纯电动车的时代已经“越来越近”——未来两三年,几乎所有的汽车品牌都将有插电汽车或是纯电动车上市。而在这一轮即将到来的大趋势背后,电池毫无疑问地扮演着一个极其重要的角色。一场规模宏大,围绕着电动汽车电池及其充电技术的竞赛正在展开。

  这场竞赛或许没有绝对的胜利者,但跑在前面的人无疑将在电动车浪潮中获得重新洗牌汽车行业的机会,这对于传统的汽车业玩家来说既是机遇也是挑战。

  不过,目前电动车的实际使用还存在一些不便利性,例如,充满电需要较长的时间,单次充电无法支持太远距离的驾驶。这些不便利性与电动车的电池直接相关。除电池之外,充电站等基础建设的支持和配合也非常关键。

  CB-insights上月发布了一篇关于电动车电池的文章,盘点了一些当前创业公司和汽车制造商的在电池技术方面的进展,其中也反映出了这场技术竞赛的几大核心点。

  未来,5分钟完成一次电动车充电?

  现在,特斯拉、大众、雪佛兰和其他汽车制造商正在以每台3.5万美元(约23.3万元)或更低的标价出售电动汽车,电动汽车终于能够成为普通消费者承受得起的商品。虽然价格降低了,但仍有一些人犹豫是否要购买这些电动车,因为电动车存在行驶里程的限制。

  在考虑购买电动车时,消费者们基本上都会问同样的问题:

  1. 电池能支持多远的行程?

  2. 充电要充多久?

  由于快速充电站并未普及,许多电动车都依靠在家过夜充电,这样充电的缺点是:普通的电动车(如大众eGolf),在家充电26小时之后,只能持续125英里(约201千米)的旅程。

  但是,充电速度快、续航里程高的电池现在已经呼之欲出了,并有希望提高电动车的销量。

  保时捷、东芝和其他公司都在研发可以在几分钟内完成充电,并且可以持续200多英里的电池技术。

  保时捷表示,Mission E的锂离子电池集成在车辆底部,不仅可以“降低重心”同时还可以实现“无线(感应)充电”。充电端口位于左前挡泥板附近。

  保时捷宣布,自己已经拥有超越现在所有电动车的电池技术。

  过长的充电时间,是电动车车主不得不应对的问题,保时捷即将推出的电动车Mission E,就将电动车的充电时间降低到了可接受的范围内。

  “十五分钟的充电时间是可以接受的。电压800伏特,这也是可行的。“保时捷的电池电动车副总裁Stefan Weckbach博士说。

  保时捷以Mission E(将于2019年亮相)的电池效能做出的承诺,体现了这家汽车制造商想要在高端电动车领域取代特斯拉的意图:

  保时捷表示,Mission E可以在单次充满电的情况下行驶超过300英里(约483千米),相当于售价94万美元(约62.5万人民币)的Tesla Model S P100D(335英里,约539千米)

  只要在800伏的电路上进行15分钟的“高速充电(Turbo Charge)”,保时捷表示,Mission E就可以再延长250英里的航程(401.5千米)。

  这听起来不错,但保时捷的15分钟“高速充电(Turbo Charge)”有一个非常大的缺陷:目前的电动汽车充电桩还不能支持这种充电形式。

  目前,世上仅有的几个800伏充电桩(350千瓦充电桩)在保时捷柏林的新办事处,这些充电桩是在今年七月安装的。

  保时捷面临的缺陷,也揭露了电压范围和充电桩分布将会影响电池研究和电动车普及率的问题。

  为了让汽车制造商整合创业公司和成熟的科技公司的新兴电池技术,他们必须首先应对目前电动汽车充电面临的这些问题。

  为什么说现有的充电技术不“完美”?

  事实上,目前电动车和其电池总共有三种“级别”的充电方式:

  第一级别(L1),在110V~120V的家庭插座上进行,而不管车辆或电池类型是什么,这种等级的充电都是最慢的。L1的电路每小时只能为电动汽车提供大约2千瓦的电能。

  第二级别(L2),在220V~240V的电源插座上进行,一些国家的家庭用电电压符合这一范围,其余国家可以将这种电路安装在家里,美国有大约16000个电动汽车充电站使用这种电路。第二级充电通常每小时为电动汽车提供约6.6千瓦的电能。

  第三级别充电(L3),即“快速充电”,需要在直流快速充电(DCFC,DC Fast Charging)站进行,大部分这种充电站都配有400V~480V的电路。目前的快速充电技术能够以每小时50kW或更高的功率为电动汽车充电。

  鉴于美国道路上充电站的数量限制,电池驱动的电动车辆的车主们不得不在长途旅行中进行大量的计算(和规划路线):不仅要考虑他们的目的地有多远,还要考虑要花多少时间进行充电。

  举个例子,如果从纽约开大众eGolf到华盛顿特区(363.9km):

  ?如果在家庭车库里用26小时将车充满电,eGolf的车主可以行驶大约一半的路程(201km)。

  ?如果eGolf车主在途中停在L2充电器上,则需要近5个小时的充电时间才能进行下一段行程;如果使用第三级充电器,充电过程则只要大约半小时。

  ?虽然专家建议在给电动车充电时,电池不应完全充满,充80%的电更有利于电池寿命,但这就会导致车主需要充两次电,才能完成这趟旅程。

  所以,降低充电时间的关键是不是将DCFC站的快速充电电压提高一倍,并在公路上安装更多的充电泵呢?

  不完全是。

  市场上几乎所有的电动车都可以在第一级和第三级电路上充电,但并不是所有的电动车都能支持400V /50kW甚至更快的“快速充电”。

  如果没有适当的控制,快速充电器产生的更多热量,以及通过充电接口传导的热量会损坏汽车的发动机。支持快速充电的装置制造起来非常昂贵,所以低成本的电动汽车一般都没有兼容快速充电方案。

  但技术的进展有望让更多的人买得起可以快速充电的电动车。

  例如,根据Innovative Vehicle Institute的报告,最新的雪佛兰Bolt EV车型的电池可以支持最高每小时55kW的充电功率。

  而其他的低成本电动车,现在也可以购买快速充电功能进行升级,因此,到2019年,Mission E可能就不是唯一能够支持800V/350kW充电的高端电动车型了。

  电压高一点,再高一点

  未来,电动汽车充电效率将会越来越高。

  特斯拉的超级充电桩每小时可以提供120~150千瓦的电能,是当今最强大的充电器(Elon Musk还曾推文暗示,未来充电桩的充电效率可能会大于150千瓦每小时)。特斯拉计划在2018年计划增加18000个充电桩。但是这些充电桩只有特斯拉车主能用,其他的电动车主无法使用。

  在欧洲,到2020年,许多汽车巨头(包括宝马,戴姆勒,大众,保时捷和福特)将联手在全欧洲范围内建设每小时800伏/350千瓦的充电器。保时捷表示,计划在欧洲的主要高速公路边上建设约1000个充电站。

  Chargepoint是一家在美国运营超过33000个第二级充电桩的创业公司。最近,Chargepoint开始向加油站业主提供Express Plus充电桩。ChargePoint表示,Express Plus每小时可以为电动汽车提供高达“400kW”的电能。

  有多少加油站拥有者接受Chargepoint的Express Plus产品,还需等待时间的考察。但目前,美国只有16000个二级电动汽车充电站,想要使用800V/350kW的快速充电技术,或许还要等上几年。

  与此同时,许多其他电动汽车电池的创业公司正在崛起。

  创业公司与传统车企在电池上的“角力”

  汽车制造商并不是唯一的一股致力于提高电池能力的势力。

  技术公司也在这方面进行创新,他们想把自己的系统卖给汽车公司,以便为消费者提供更多的充电选择和更快的充电技术。

  随着科技公司的创新,锂离子电池的弱点正在被克服。(这些电池一直以来都是电动汽车的首选,但其充电容量和续航能力还有很大的提升空间。)

  StoreDot是一家以色列纳米技术创业公司,2017年5月,它首次展示“闪充电池(FlashBattery)”技术,该技术有望在短短五分钟内为电动汽车充电,让车最高可达到300英里(483km)的行程(具体取决于电动车耗能水平)。

  作为一家纳米技术公司,StoreDot专注于使用新型有机化合物代替锂离子电池中的化学物质。StoreDot除了提供超快速充电之外,还表示其电动车闪充电池有以下特点:

  比标准的锂离子电池更环保、具有环保的制造工艺;

  含有比在锂离子中的材料“在高温下更不易燃且更稳定”的材料;

  比现有电动车电池的预期价格更有竞争力。

  该公司预计将在未来三年内让这款电池上市。

  与此同时,东芝、三星等成熟的科技巨头也在各自的创新中研究对抗锂电池弱点的方法。

  东芝在2008年首次推出其可充电电池技术,被称为SCiB;原来的SCiB型号采用锂钛氧化物做原电池阳极材料,与传统的锂离子电池相比,东芝称,SCiB比起传统电池,“安全性高,发热少,充电快、输出和输出功率大、容量也大”。

  最初的SCiB在电动汽车以及在有轨电车、电梯、发电厂等工业和基础设施应用中得到了广泛的应用。SCiB的优点之一是内部短路引起的燃烧风险非常低,例如过度充电导致的短路。

  现在,东芝已经发布了新一代SCiB,阳极材料是钛铌氧化物。

  东芝表示,使用新型氧化物材料保留了现有SCiB模型的优点,“不论是在寒冷条件下充电还是快速充电,锂金属沉积的可能性都要小得多”,这种沉积会导致电池性能的退化。

  东芝还表示,在新的SCiB电池中,也开发了一种“更有效地储存锂离子”的方法,提高了电力和电池的使用寿命:即使经过5000次充电后,新的SCiB还能储蓄90%的电池容量。

  东芝还表示,新款SCiB经过第三级充电6分钟后,可供电动汽车行驶近200英里(322km)。东芝公司企业研发中心主任Osamu Hori博士表示,该公司对下一代SCiB的潜力感到“非常兴奋”,并补充道:

  “这不是一个渐进式的改进,这是一个改变游戏规则的进步,这将会对电动车的续航里程和性能产生重大影响。我们将继续提高电池的性能,并力争在2019财年实现下一代SCiB的实际应用。”

  而三星电子于2017年9月在法兰克福车展上推出的新电池,支持的续航里程甚至超过200英里。三星表示,其新型“多功能电池组”可以支持电动汽车高达430英里的续航里程。

  迄今为止,三星对“21700”电池组的细节仍闭口不言,该公司没有讨论电池的化学组成,也没有说出具体的充电时间。

  但是,尽管缺乏细节,专家们已经注意到,三星的多功能电池组与Tesla的3.5万美元的Model 3使用的小型圆柱形电池存在相似之处(特斯拉称为2170)。

  特斯拉的2170电池根据21毫米×70毫米的尺寸命名,它们比几十年来一直使用的“18650”结构锂离子有更大的体积。

  伊隆·马斯克(Elon Musk)说,特斯拉的2170电池是“世界上能量密度最高的电池,也是最便宜的。”2170电池的成本降低对于价格相对低廉,市场需求又比较高的Model 3来说至关重要点。

  如果我们拿三星的数字来看,特斯拉Model 3的电池与三星的21700电池的续航里程还有一定距离。配备2170的Model 3预计在充满电后只能维持约215英里续航里程,相当于三星21700多功能电池组承诺里程的一半。

  但就像在特斯拉在电动汽车的其他领域一样,特斯拉仍然在2170电池创新上占据上风。

  当三星确定了要在2021年量产其新型多功能产品之时,特斯拉和松下已经在内华达州的“超级工厂”(Gigafactory)制造2170电池了,特斯拉也在这里制造其太阳能电池板。

  点燃电动汽车革命

  以电池驱动的电动汽车是交通运输的未来,消费者也有了越来越高的兴趣:尽管受充电时间长和充电桩数量少的限制,2016年美国电动车的销量同比还是增长了37%。

  随着大功率电池的生产难度降低(且在低成本电动车中部署成本更低),除了特斯拉,我们将会看到更多的公司将高压充电器带到大众市场。

  点评:

  在传统的汽车行业中,动力亦是关键,但不论是燃料还是内燃发动机,都早已进化成熟,消费者和厂商关注的无非是发动机的配置、定位,以及少数经济性表现。

  相比起汽车,电动车则是一片新天地。而纯电动车目前表现与消费者期望之间的差距,是技术所需要填补的空白,更是电动车价值体现的空间。究竟该如何让电池成为真正驱动庞大公路交通的动力源?如何让电气化真正走进汽车业?进而让人类的公路交通方式再次升级?这些疑问都有待解开。

  未来谁最先掌握快速充电技术,谁能保证革命性的行驶里程,谁能提供最完美的行驶体验,谁就是电动车的龙头。

(责任编辑: 郭涛 )

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