出行未来只取决于一件事——充电速度！

发表于： 2020年10月29日 2020年10月29日
分类：是说芯语

3月初，中央部署加快新型基础设施建设进度，新能源汽车充电桩迎来重大利好，成为新基建重点之一。建设充电基础设施不能以量取胜，更要有质的要求，必须保证一段时间内不落伍。看看不久前亮相的保时捷旗下首款纯电动跑车Taycan，它首次搭载了均胜电子旗下普瑞研发生产的高压快充技术。据称，该技术只需15分钟就能充入可供车辆行驶400km的电量，Taycan也是第一款系统电压达到800V的量产车型。那么，今天就聊聊和电动汽车充电速度有关的问题。

充电和行驶里程让早期电动汽车殒命

以这样或那样的形式出现的电动汽车已经有一个多世纪了。电动汽车的鼻祖当是托马斯·爱迪生。1900年代，汽车工业正处于萌芽阶段，23%的车辆都是靠电力驱动，在美国各大城市中穿梭的大量汽车也都是“电车”。早在1896年，美国著名企业家亨利福特就与大发明家爱迪生合作制造电动汽车，由亨利福特来生产，爱迪生负责电池的研发和供应。以快速、平稳、无声加速的清洁旅程承诺吸引公众，爱迪生在1912年开始销售一款铅酸蓄电池驱动的电动汽车。不幸的是，这辆车300美元的价格（大约是当时汽油动力车的两倍），加上铅酸蓄电池很沉重、充电和行驶里程的限制，导致爱迪生的电动汽车模仿了同年的头条新闻事件泰坦尼克号沉没的命运。之后，爱迪生对电池技术进行了十多年的研究，他生产的氢氧化钾电池仅比同类铅酸电池好一点。

充电速度仍然是电动汽车发展瓶颈

数字说明了一切。2019年5月，彭博新能源财经（BNEF）称，全球常规乘用车销量已经过了顶峰，在20年内，电动汽车将取代欧洲、美国和中国超过56%的轻型商用ICE车销量。

IHS Markit报告也说，在汽车制造商和全球政府的支持下，到2025年，全球汽车产量的45%将实现电气化。目前，每年约售出4600万辆电动汽车。它预计，到2030年，这一数字将上升至57%（约6200万辆）。IHS Markit还预测，到2023年，43个品牌将至少提供一种电动汽车选择，包括几乎所有现有品牌及进入市场的新品牌。

德勤也说，到2022年，电动汽车的价格将达到与内燃机（ICE）相同的临界点。这将推动电动汽车的快速增长，到2024年，电池电动汽车将占据整个汽车市场的10%。

虽然各车厂都将电动汽车视为是未来交通运输的主流，但是，电池技术尚未突破，再加上充电效率不如一般燃油车，消费者一直对电动汽车的续航力有所疑虑。哈里斯民意调查公司（Harris Polling）为沃尔沃进行的一项调查显示，对大多数人来说，购买电动汽车的最大障碍是动力不足（58%），其次是充电站的可用性有限（49%）。调查还发现，“更多充电站”是增加受访者购买电动汽车可能性的主要因素。

电动汽车离不开电，也绕不开时间。这个FastCharge标识你见过吗？我是没有，充电桩上见的最多的是“国家电网”。它代表了当前电动汽车发展亟待解决的一个最大问题——充电速度。

“能否超快充电是未来出行的关键”，这似乎有点小题大做，其实不然。充电是对电动汽车性能的一个考验。汽车制造商在适应电动汽车发展方面的最大障碍不是行驶里程而是充电时间，同时还要简单方便。这也是开发更快充电车辆和充电站的竞争越来越激烈的原因。

这是发生在北欧一个故事，天气预报说将有一场暴风雪来临，人们在一座有12台加油机的加油站排队加油，几乎每台机器前都排了三、四辆车。尽管如此，移动速度很快，每辆车不到五分钟的时间就加好油了。如果是电动汽车呢？要知道，电动汽车充满电所花的时间比起为汽油或其他碳氢化合物驱动的车辆加满燃料的时间更长。根据充电设置等级和电池容量的不同，所花时间不等，另外不像加油，还有许多其他因素需要考虑。

面对关系到电动汽车能否健康发展的挑战，让我们来看看业界是如何看待又是如何解决与出行相关的充电速度问题。

消除续航焦虑要靠充电器插头

未来移动出行技术及解决方案提供商安波福（Aptiv）全球高功率自动驾驶架构总监Randy Sumner认为，消费者的充电体验将有助于决定全球电动汽车采用的速度。他表示，当谈到加速采用电动汽车时，原始设备制造商（OEM）知道他们最大的障碍之一是续航焦虑。超过一半的潜在客户认为，担心电力耗尽是阻碍他们购买电动汽车的一个关键因素。

他说，最有用的解决办法是使用更大（当然也更重）、更强大的电池来延长电动汽车的续航里程。但这仅仅是战斗的一半，因为49%的消费者担心缺少充电站来帮助他们以最小的难度和时间安全地为这些更强大的电池充电。

“充电器插头在解决这一问题中所起的作用怎么强调都不为过”，他说：“充电顺序和相关硬件是其最薄弱的环节。即使DC快速充电器能够在短时间内提供大量电力，车辆上的配套充电插头也必须能够处理该级别的电流或温升。否则，车辆将无法快速充电。”

Randy Sumner介绍说，随着电池变得更加强大，充电器插头也必须发展。无论OEM生产什么样的电动汽车，或者在哪里生产电动汽车，将充电体验从焦虑的根源转变为购买的理由都需要做出重大改变。一是充电时间必须从几小时缩短到几分钟，二是让驾驶者能够在需要的时间和地点灵活充电。这就要求充电器能够处理多个电流级别，必须从200安培直到400安培以上。

安波福有两种方式进行快速充电过程中的冷却——专利液体冷却技术系统和智能插头。其高压电气化解决方案组合包括领先的下一代电源插头，可进行更快的充电。液冷技术正在改变OEM在快速充电过程中管理热量的位置和方式。经冷却的插头可直接对以冷却板形式连接到插头母线/端子的底部热源进行冷却，以大幅降低工作温度，加快高压充电速度。当车辆连接充电站时，使用安波福的车辆到电网（V2G）网关技术的智能插头与车辆电池管理系统通信，以根据需要调整充电周期。

通信是双向的，V2G网关管理从汽车流入充电站（包括电池电量、所需充电功率和充满时间等信息）和从充电站流入车辆（包括成本、可用功率和位置等详细信息）的数据。V2G网关可以在充电前要求安全认证，允许司机在手机上检查充电量，并自动从绑定的信用卡或帐户中支付，以改善充电体验。它甚至可以帮助电动汽车向电网提供电力。通过这种主动式通信和冷却，智能插头可谓OEM在其电动汽车上建立更快、更安全充电时间的另一种方式。这些努力最终将帮助消费者减少对电动汽车续航里程的担忧，用更多的时间享受拥有全电动汽车的所有好处。

用大功率应对快速充电挑战

拥有覆盖全价值链强大业务组合的西门子公司认为，在不久的将来，电动汽车将在改变人们和新的商业理念方面发挥更大的作用，这已是一个共识。人们对电动汽车的需求与日俱增，对高效充电基础设施的需求也在增加，而电动汽车充电将面临充电站数量和等待时间的重大问题。作为电动汽车领域的先驱，西门子在整个价值链上保持着强大的产品组合，并在推动全球充电解决方案的开发和标准化方面发挥着积极作用。

西门子的快速充电技术用的是大功率充电技术，包括大功率和高电压，以迎合满足当今和未来任何最重要应用中的快速充电挑战。作为已经实施的“FastCharge”研究项目的一部分，西门子与宝马集团、保时捷等合作，调查了车辆和基础设施必须满足的技术要求，以便能够提供极高的充电能力。

“FastCharge”研究项目是面向未来电动汽车的超快速充电技术，它采用容量高达450kW的超高速充电站。西门子在项目中使用的能源供应系统既包括用于充电连接的大功率电子设备，也包括电动汽车的通信接口。为了与公共电网连接，项目部署了搭配两个充电连接器的充电容器，以支持欧洲常用的所有兼容“联合充电系统”（CCS）的电动汽车型。一个充电连接器具有创纪录的的最大450kW的充电容量，而另一个充电连接器的充电容量最大为175kW。

2019年初，宝马和保时捷在德国巴伐利亚展示了这个DC FastCharge充电站原型，在不到3分钟时间内为行驶100公里（62英里）的汽车充电，或在15分钟内完全充电。其充电能力是目前DC快速充电站的3到9倍，在使电池驱动汽车更加方便的竞争中领先于特斯拉公司。

那冷却系统呢？据透露，为了让测试车辆能够承受全部电涌，保时捷使用了一个冷却系统，让电池保持稳定的温度，同时还采用了菲尼克斯的冷却式大功率充电电缆进行冷却，冷却液是一种环保的水-乙二醇混合物。西门子提供了更高电压的能源供应，以测试电力震动的极限。另一个挑战是，当连接到充电站时，不能像传统电缆那样挤压充电线上的冷却软管，因为这会影响冷却流量，从而影响冷却能力。菲尼克斯专门开发了一种壁管，具有电力传输、通信和冷却接口以及应变消除能力。

美国科技博客新闻网TechSpot评论说：“给电动汽车充电与给汽车加油所需的时间相同，是一个重大突破。”《宝马邮报》也说，“一个更高速度、更大网络的充电基础设施即将到来，这将是电动汽车发展的一个巨大飞跃。”

作为“FastCharge”联盟成员的保时捷动作很大。前不久，其首席执行官Oliver Blume表示，将于2020年底推出保时捷Taycan Cross Turismo，保时捷正在各地积极筹备“FastCharge”快速充电站建设，并表示2022年将会有更多基于PPE平台的车型与Taycan同时在市场上销售。

因疫情日内瓦车展取消，全新911 Turbo S却如期而至。Oliver Blume说：尽管2025年前将半数产品电动化，但“针对911车型，保时捷将始终提供内燃机。”为车迷留下引擎轰鸣是必须的！

此前，保时捷首款纯电动汽车Taycan采用90kWh电池组，能够通过350W的充电器在9分钟内实现300公里（186英里）续航里程，只需充电15分钟就能恢复80%的电量，充电速度居业内首位。保时捷目前正在北美部署一个由500个充电站组成的充电网络。新型充电站支持800V快充，以支持保时捷Taycan。保时捷称，也将会为保时捷以外的其他CCS Combo充电口的车辆提供快速充电服务，但目前没有任何一家车企搭载了充电电压可高达800V的充电系统。

虽然这一技术变革将会让更多车辆实现超级快充，有助于电动汽车市场的突破，但目前的纯电动汽车的电池均为液态电池，其电池特性决定了在超级快充状态下寿命快速降低的问题，800V的超快充对电池的衰减速度要比目前大多数车企所使用的快充高了不少，电池寿命自然而然会缩短。不过，目前国外已经有一些企业在开始研发固态电池，未来也许可以解决液态电池的瓶颈问题。

再看特斯拉，其升级的V3超级充电站（Supercharger）峰值充电功率仅为250kW，比保时捷低了不少，它充电5分钟可为车辆增加约121km的续航里程。特斯拉还采用了“在途电池预热”（On-Route Battery Warmup）车载技术，当车主通过导航系统开始寻找超级充电桩时，车辆可自动为电池预热，以保证在开始充电时电池将达到最理想的充电温度。

目前，特斯拉已经通过其不断增长的一系列超级充电站解决了快速充电的需求。特斯拉报告说，截至2020年1月，全球有1804个超级充电站运营良好，但远低于预计到2023年需要的800万至1000万个快速充电站的预计。

借力新材料，从器件级入手

碳化硅（SiC）作为功率半导体材料的价值自半导体革命开始就为人所知。生长高纯度、高性能、低缺陷和低成本的碳化硅晶体一直是商业可行性的挑战。与硅相比，碳化硅每个芯片可提供更多的功率、更高的开关速度、更高的能效和更好的热性能，从而形成更小、更轻、成本更低的功率转换系统，使电动汽车的性能更好，价格更具竞争力。此外，SiC电路实现更简单，使用更少的半导体器件、更小的无源元件和散热器。这意味着更快的充电、更低的每次充电成本、更小的电池和/或更长的行驶里程。

电动汽车制造商传统上依靠硅功率晶体管来运行传动系电机、给电池充电，并提供必要的系统管理和信息娱乐功能。碳化硅现在已成为高功率电动汽车传动系统和汽车上下电池充电的首选技术。

虽然同样走大功率路线，作为功率半导体领先厂商的英飞凌是利用新的半导体材料来实现快速充电。英飞凌认为，随着电池制造商优化其成本结构和规模经济，电动汽车电池成本正在下降。结果是：电动汽车从来没有像现在这样吸引人。配备强大DC充电器的快速电动汽车充电站是目前实现高效充电的理想解决方案。因为DC电动汽车充电器允许比许多电动汽车拥有者家里的标准AC EV充电快得多。如今，一个150kW的DC充电器可以在15分钟内为一辆电动汽车充电200公里。随着快速充电和电池技术在不久将来的不断发展和改进，预计充电时间将进一步缩短。

英飞凌拥有一站式高品质组件和解决方案及完整的应用和技术诀窍，有助于解决所有快速电动汽车充电设计挑战。其广泛的产品组合涵盖从千瓦到兆瓦功率范围，器件包括功率半导体、微控制器、门驱动器和认证解决方案，可实现领先的功率密度和一流的效率。

英飞凌的DC快速充电设计采用CoolMOS™和CoolSiC™ MOSFET，尤其是先进的碳化硅器件，具有高频工作、高功率密度和减少开关损耗的能力，可以为任何电池充电系统提供较高的效率。

DC快速充电器架构的三个主要问题是如何最大限度地减少冷却工作，提供高功率密度，并减少整个系统尺寸。高功率密度需要强制风冷，这是当今的标准。然而，下一代充电解决方案正在探索液体冷却解决方案的可能性。紧凑的设计必须考虑更高的开关速度（32-100 kHz），以减小磁性元件的尺寸。安全性也要考虑，当用户付钱给一辆电动汽车快速充电时，安全控制器可以实现后端和电动汽车之间的安全数据传输，同时还可实现充电站远程维护的固件更新。

碳化硅行业龙头企业科锐（Cree）旗下的Wolfspeed认为，加速电动汽车采用的关键是快速充电技术，而阻碍电动汽车进一步普及的最大障碍是缺乏广泛分布的充电基础设施，尤其是不能快速、高效、可靠地为汽车充电的基础设施。事实上，如果说有什么能抑制未来电动汽车的发展，那就是许多地区缺乏充电站，这加剧了“续航焦虑症”。当电动汽车司机想知道他们在需要充电前能行驶多远，以及在汽车电池耗尽前在哪里找到充电站时，这种恐惧就产生了。

Wolfspeed认为，仅仅增加充电站数量并不能治愈里程焦虑症，充电时间也需要缩短。大多数车主都在寻找一种更接近“加油泵加油”的充电体验，也就是说，不到15分钟。爱迪生时代以来，电动汽车已经有了长足的进步，改进的电池技术对电动汽车销售增长发挥了重要作用。如今，强大的碳化硅正引领电动汽车进入一个性能、便捷、价格实惠的新时代。

当应用于快速充电时，SiC-MOSFET和二极管可提供高达30%的低损耗、2至3倍的开关速度和65%的功率密度。Wolfspeed的SiC功率器件可用于从几千瓦的车载充电器（OBC）到数百千瓦的快速充电站。在快速非车载充电系统方面，目前广泛使用的车载充电器是直接连接到车辆，功率有限，因此充电时间取决于尺寸和重量要求。快速非车载充电器可旁路车载充电器，提供快速直接的电池充电。

近年来，SiC技术增强型非车载快速充电站正在迅速发展，可在大约30分钟内完全刷新电池，而使用车载充电器则需要几个小时。基于碳化硅的非车载充电器通常由多个15kW到25kW的功率转换块构成，可以进行充电器堆叠，以提供更高的启动时间。Wolfspeed正在开发一款新的SiC快速充电器（AC-DC和DC-DC），具有当今最新的800V和双向电池系统所需的更高输出功率和更高输出电压。

充电黑科技5分钟内充满电

正是各庄都有自己的高招。几年前，曾在特拉维夫展示30秒给手机充满电超级黑科技的StoreDot公司首席执行官Doron Myersdorf博士认为，汽车、能源和技术专家正在努力应对各种挑战，为打造一个电动、互联、共享和自动驾驶的运输业做好准备。现在出行最大的挑战就是充电速度。

他表示，预计在未来十年，世界将经历一场巨大的技术变革，比上个世纪发生的任何事情都要大。行业正在快速变化，机器学习、人工智能和先进技术为建立一个更加互联、共享和自动化的世界铺平了道路。这一趋势在运输业最为明显，从谷歌的无人驾驶汽车到Uber的迅速崛起，再到曾最受欢迎的交通方式内燃机对气候的有害影响，人们对替代性、环保交通方式的关注从未像现在这样狂热。

他也认为，要让完全自动驾驶汽车成为日常生活中的现实，可能还需要几十年时间。今天最有趣的趋势是汽车拥有量、驾驶态度和习惯的显著变化。从越来越多地使用混合动力和电动汽车（EV）到共享出行，世界各地的出行方式正在改变，因此电气化的迅速发展和驾驶行为的相互关联也就不足为奇了。人们的汽车驾驶拥有习惯也在发生转变，许多人选择汽车共享或搭车作为一种旅行方式。

目前，共享服务在全球客运里程中所占比例不到5%。随着城市居民对拥有自己汽车的想法越来越不关心或不感兴趣，Uber、Lyft、Grab和滴滴已出现在世界各地的城市中。例如，在莫斯科，汽车共享在2018年增长了两倍。在柏林和纽约市的一些地区，现在使用汽车共享服务比招手（或电子召车）出租车更容易。在北京这个人口稠密的城市，共享出行市场价值超过7亿美元。专家们相信，共享车队将是第一个走向电动化的车队，到2040年，80%的共享车队将成为电动汽车。

Doron Myersdorf博士说，当然，包含电动汽车的共享出行模型存在着许多挑战。如今，电动汽车无法提供与ICE相同的成本和用户体验。这是一个严峻的问题，对于共享车队来说更是如此。如果他们的汽车可以充分利用或停工时间相对较短，共享出行车队就会蓬勃发展。毫不奇怪，鉴于目前电动汽车电池的局限性（充电时间和里程），目前Uber、滴滴、Grab和Lyft车队只有一小部分是电动的。

Doron Myersdorf博士表示，当电动汽车能够匹配ICE的续航里程和充电/加油时间时，所有这些都会改变。StoreDot的研发工作只专注于制造一种电池，它可以在5分钟内为电动汽车充满电。

他介绍说：“2019年6月，我们与关键合作伙伴英国石油（BP）一起向世界展示了这项技术已经具备的能力。我们首次展示了两轮电动车在五分钟内充满电。对于更广泛的行业来说，这是展示StoreDot FlashBattery技术可行性的一个重要里程碑。”

他接着说：“像我们这样的公司不能凭一己之力。超快充电电池技术对电动汽车的使用至关重要，但如果没有必要的基础设施来支持，进展可能会停滞不前。我们每天都看到这种充电基础设施的进展。以英国为例，英国石油旗下Chargemaster已经开始在全国加油站或旅馆部署超快充电站。与此同时，在全球最大的电动汽车市场中国，英国石油与滴滴成立了一家新的合资企业，在全国范围内建设电动汽车充电基础设施，这是一个巨大的进步。在汽车制造商方面，我们已经与戴姆勒等公司密切合作，以确保未来的电动汽车车型具备‘超快充电能力’”。

StoreDot的方法是使用一种称为多功能电极（MFE）的电池，MFE是导电聚合物和金属氧化物的组合。聚合物部分允许电池极快地接受充电，而金属氧化物部分则用于将锂离子滴入电极。滴流充电很重要，因为它可以防止电极开裂和短路——试图给普通锂离子电池快速充电一个真正的危险。

在电池寿命方面，困扰当今快速充电锂电池技术的最大问题之一是热量，随着时间的推移，热量会破坏电极。事实上，用现有的快速充电器，新的锂离子电池寿命会从大约500-600次充电缩短到大约250-300次充电。StoreDot开发了一种用于闪充电池（flash battery）的新型有机化合物材料，其电阻非常低，几乎不会产生热量。用新材料制造的电动汽车闪充电池将改变人们的充电体验，充电周期是普通锂离子电池的三倍多（约为1500-2000次），同时，充电速度比现有最好的电池技术快一个数量级左右。

要做到这一点，StoreDot并没有简单地使用现有的锂离子电池和更换电极。超级快速充电要求将电池的每一个组件（包括阳极、阴极、电解液和电池隔膜）更换为优化的用于超级快充的新组件。

Doron Myersdorf表示，尽管StoreDot电池仍然是锂离子电池，但许多组件在级别上使电池与众不同。“我们没有在电池中使用石墨，”他说：“相反，我们结合使用了锡、锗和硅等材料与有机化合物。”他表示，与其他锂离子电池相比，其电池中锂含量更低，但锗和锡含量更高。这家以色列公司还在电池化学成分中加入了抗降解剂，以解决快速充电电池面临的最大问题之一：电池的快速损耗。

实验表明，由数百个闪充电池组成的电动汽车闪充电池组可以在5分钟内充满电，可提供最多300英里（480公里）的续航里程，这意味着一分钟的充电可以行驶60英里。StoreDot快速充电技术可缩短驾驶者排队充电的时间，从而也减少了给定充电站所需的充电桩数量。

关于电动汽车闪充电池的成本，Doron Myersdorf说，它不会增加电动汽车的价格。由于制造过程采用传统的资本设备，大多采用标准化加工，闪充电池成本与锂离子产业未来几年的成本降低曲线一致，有利于整个产业的预期规模经济。

安全环保方面，闪充电池结构采用高度稳定的电极结构，所含材料降低了传统锂离子技术的易燃性和高温不稳定性。其多层安全保护结构可保证消费者的安全。此外，闪充电池利用有机化合物和更环保的水性制造工艺，比锂离子电池更环保。

StoreDot正在与几家旨在缩短电动汽车充电时间的初创公司和大型企业展开竞争。然而，为了在电动汽车中实际应用，其技术需要更多的验证，新电池的化学耐久性和竞争力的价格尚待证明。

充电基建必须从长计议

面对前所未有的充电难题，大家都在寻找解决之道，发现在什么样情况下充电站数量和等待时间会成为EV的重大问题？再过个5年、10年和20年之后会发生什么？

值得探讨的问题在于，广义来看，EV充电就像生活中面对的医疗设施、因特网/网络服务器等许多问题，需要用多少“服务”来支持预期的使用需求，而不只是充电站的数量、用户需求和充电时间。正常想象是，家家户户都有一辆EV晚上在自家充电，但现实不是这样，因为许多车辆并不会安装自己的充电器，有些车还会停在街道上，那么究竟需要多少公共充电站？又如上面的例子，突发天气事件时，发生峰值负载怎么应对？互补的问题也不容忽视，如地区电网是否能提供足够的峰值功率，未来的EV充电站是否需拥有大型现场电池组，在繁忙时段释放能量。像上面提到的FastCharge对电网来说就是很大的功耗。因此，快速充电站的设计目标是由具有不同高优先级要求的不同客户类别驱动的。无论是商用还是家用充电站，最终都可能利用未来的智能电网或具有可再生能源的储能系统，从而允许双向将电动汽车的能量输送到电网、蓄电池或用户家中。