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电动车自燃 你别上来就怪电池
2022-06-14 06:34:31  出处:虎嗅网  作者:王笑渔 编辑:万南     评论(0)点击可以复制本篇文章的标题和链接

刘师傅是一名北京电动出租车司机。他的车冬季得一天三充,夏天得充两回电。为此,他的后备箱里常备着一套折叠桌椅,以便在每次去充电的时候,去一个远离充电桩的地方待一会儿。

“看新闻说,我们这款车老出事儿,还都是在充电的时候炸的。怕了,躲远点。”刘师傅说道。

这并不是刘师傅多虑。据国家应急管理部消防救援局的最新数据显示,2022年第一季度,国内接报的新能源汽车火灾共计有640起,同比上升32%。平均下来,中国每天发生超过7例的新能源汽车火灾。

与燃油车经常在行驶中起火不同,纯电动车与充电相关的自燃情况较为常见。我们在新闻里也总能看到,在充电站烧得火花四溅的电动车。究其本质,目前大部分充电桩,都在通过提高电流来实现大功率充电。

但电流越大,电缆发热量也越大。这对工作温度极为敏感的电池来说,是一个极为危险的因素。

一个有意思的现象是,大家并不在乎是什么原因导致的车辆自燃,只会怪罪车企的电池技术不成熟和不安全。事实上,解决自燃问题,并非只靠改进动力电池就万事大吉。高压平台和大功率快充技术的同步发展,才能尽快根治电动车自燃的“老毛病”。

电动车自燃 你别上来就怪电池

有一个误区是,造电动车只要做好电池就行了。

对消费者来说,续航当然是越多越好。于是,车企们就开启了续航里程“内卷”,导致新推出的电动车续航参数越堆越高。在进入工信部名录的新车中,2019年有6款续航里程超过600公里,而到2021年就有了58款。

截止虎嗅发稿,2022年的前四批名单里,就已经有37款新车续航里程超过600公里。

当续航里程变长了之后,消费者又发现充电太慢了。以2020年热销的部分纯电动车型为例,其直流快充的理论平均充电倍率约为1C(即1小时可充满100%SOC),完成30%-80%SOC需30min,NEDC续航里程约为227km。如果出现低温、电量过低、分流等情况时,充电时间甚至要到2个小时。

这也就是为什么,高速充电站逢年过节就会出现“排长队”乃至“打架抢位”的情况。这并不是因为电动车续航不够,而是因为充电太慢,致使每辆车占用充电枪的时间过长,“翻台率低”。

因此,一部分车企开始琢磨加大充电功率以实现快速充电。根据初中物理学过的功率、电压、电流关系公式P=U·I,其他条件保持不变,充电的电压或电流其中任一提高,即可提高充电效率。

第一种流派,是“大电流”快充。

特斯拉就是“代表选手”,其中特斯拉V3超充桩能在400V电压的条件下达到250kW的峰值充电功率,15分钟可补充Model 3约250公里续航所需电量。但充电电流的加大,意味着更多的发热量、更粗更重的线束等等,这对车辆和充电桩都是挑战。

就拿散发的热量来说,根据焦耳定律Q=I?·R·t,当通电时间与电阻不变时,热量与电流的二次方成正比。所以,大电流快充势必会在充电过程中产生巨大的热量。这既考验车辆的热管理系统,也对充电桩的运营商和制造商也是不小的难题。

因此,目前也只有在横向和垂直两个方向高度整合的特斯拉,才把这条路走通。

再说线束,也是极大的问题。对于电动车来说,要承受大电流就必须靠高压线束。然而,高压线束的横截面会很大,这就会导致线束刚度强且难以弯曲。这不仅在车内难以布局,而且可能在碰撞后刺入驾驶舱,增加安全风险。

更要命的是,大功率充电桩的充电枪和线缆通常又重又粗,对力气比较小的女车主非常不友好。值得关注的是,特斯拉V3超充桩峰值工作电流超过600A,但它采用了采用液冷散热设计,减轻了充电线的横截面积和重量。

然而,并不是每家号称能实现“快充”的车企,都能像特斯拉一样做好热管理,因此自燃的隐患也就因此埋下。

要知道,当充电桩输出锂电池难以承受的大电流时,在电池内部过快流动的锂离子会在负极表面形成像树枝一样的枝晶。这些枝晶像针尖一样又细又硬,一旦生长到一定长度,就会戳破隔膜诱发内短路,从而发热引发自燃。

电动车自燃 你别上来就怪电池
枝晶穿透现象

第二种流派,是相对来说更安全的高压快充。

以保时捷为例,该公司将电压平台从400V提高至800V后,实现300kW充电功率,可以在22.5分钟内把Taycan Turbo S容量93.4kWh的动力电池从5%充至80%,提供300公里的续航能力。同时,保时捷高压线束的截面积仅为400V架构下的二分之一,线束减重4kg。

根据焦耳定律可知,热量只跟电流、通电时间、电阻有关。而当电压翻倍之后,理论上电流即便是减半,仍可以达到同样的功率。这也就意味着,快充时所产生的热量大大减小,从而不会对娇贵的

动力电池带来过热、不稳定等安全隐患。

在保证安全的基础上,高压快充的效率提升空间也会更大一些。作为对比,400V平台的充电功率到了200kW时就接近系统设计的极限,而800V高压系统可以将极限突破到400kW。

理论上来说,一台电池容量为100kWh的纯电动汽车,从20%充电到80%,仅需9分钟,基本等于传统燃油车加油的时间,完全消除充电时间焦虑。

虽然优点颇多,但目前能把高压平台大规模量产的还只有保时捷Taycan一款车。最接近大规模量产的,可能就是搭配华为高压三电平台、支持800V高压快充的极狐阿尔法S 华为Hi版,在今年5月刚宣布上市。

此外,现代Ioniq5也支持800V高压平台,或于今年引入国内投产。还有,今年8月即将发布的小鹏G9,基于800V高压平台,可以实现充电5分钟、续航200公里。

电动车自燃 你别上来就怪电池

与激光雷达、固态电池等前沿技术类似,高压平台也面临着“雷声大雨点小”的尴尬处境。大家就连被“卡脖子”的原因也几近相同——材料。

要知道,从400V平台切换为800V平台架构,需要对电气系统零部件重新验证,尤其是功率器件的要求更高。目前市面上几乎所有的车型上,车规级的功率半导体都是硅基IGBT。但如果要推800V以上高压平台,那就必须切换为碳化硅材料,原因有以下几个。

第一,碳化硅的耐高压能力更强。

在450V直流母线电压下,IGBT模块承受的最大电压为650V左右。在800V以上直流母线电压下,功率器件耐压需要提高到1200V以上。虽然英飞凌、富士等厂家都推出了1200V耐压的车规级IGBT,但因为成本较高并未实现规模化应用。相比之下,碳化硅器件天然就耐压高。目前,碳化硅MOSFET目前量产产品的耐压可达3300V。

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第二,碳化硅的能量损耗更低。

碳化硅在导通损耗、开关损耗表现方面优于 IGBT。在400V母线电压下,应用1200V碳化硅模块的整车损耗较750V的IGBT降低6.9%;若电压升至800V,整车损耗将进一步降低7.6%。最终,碳化硅上车以后的效果不仅是充电快,而且能耗也会相应降低,反过来提升续航里程。

第三,是抗高温。

在高电压快充方案下,尽管在相同充电功率情况下电流增加幅度较大电流方案要小,但大功率快充需要电压、电流同增。这导致系统发热量增加,对功率器件抗高温能力也提出了更高要求。碳化硅理论上能够在远超175℃高温的正常工作,降低了对热管理系统的要求,提升了可靠性和安全性。

相比传统的硅基材料,碳化硅材料的高压性能极为突出,但初期成本较高。

因为大三电(电池、电机、电控)、小三电(OBC、PDU、DCDC)等部件都要能在800V甚至 1000V的电压下正常工作。所以,别看只是电压的提升,整个产业链也要随之调整。

从400V平台升至800V平台,其中部件成本是原来的2-3倍,系统总成本增加10%-20%。但考虑到当下动力电池的原材料价格上涨迅猛,堆电池容量的方法难以维系。那么在这种情况下,同样是增加成本,把钱花在高压平台上的收益显然是更大的。

碳化硅虽好,但产业链的话语权仍不在我们手里。

目前,全球碳化硅产业格局呈现了美国、欧洲、日本三足鼎立的态势。美国仍然独大,占据全球碳化硅产量的70%-80%,代表公司是科锐;欧洲拥有完整的碳化硅衬底、外延、器件以及应用产业链,代表公司是英飞凌、意法半导体等;日本则在设备和模块开发方面处于领先,以罗姆半导体、三菱电机、富士电机为代表。

这些巨头们,都在不断通过扩大产能、合作结盟或兼收并购等方式在碳化硅市场跑马圈地、加速布局。相比之下,中国的碳化硅产业稍显贫弱,在技术领先度、市场份额占比等方面都较为落后。

即便是材料的难关攻克了,高压快充仍需要面临基建的现实问题。

因为,目前市面上几乎所有的充电桩,都不能适配800V高压平台。这也就意味着,你买了一台800V架构的电动车,但实际充电速度达不到宣传预期。

电动车自燃 你别上来就怪电池
保时捷Taycan的各个电压系统部分

以保时捷为例,Taycan上额外搭载一台直流车载充电机,首先将400V充电桩输出的充电电压升压至800V后,再对电池进行充电。类似的方式,还比亚迪在e平台 3.0上,引入了首创的“利用电机电控的电路拓扑泵升充电桩电压”的思路。通过这种方式,来实现充电5分钟,最大续航150公里。

当然,这种利用车载部件支持800V,即电驱升压兼容400V直流桩的方案,在当下公共充电资源紧张的阶段,未尝不是一种解决续航里程焦虑的好办法。但未来,想要真正发挥800V平台的全部实力,自建超级高压充电桩就是必然的选择。

但是,车企绝对不能寄希望于国家电网去帮你建桩。因为以现阶段的目标来看,国家的目标是普及充电网络,而不是向上探索。连最基本的覆盖率和车桩比数据都没达标,谈何充电速度呢?所以,高压快充这事,只有车企自己来干——自主研发高压平台,自主建高压充电桩,才是唯一的出路。

以后,如果你要买纯电动车,一定要多考虑这个问题——“该品牌是否有自建充电网络?”

责任编辑:万南

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