研究周报 | 从使用场景和不同角度谈电动汽车快充技术(上)

朱玉龙

编者按:为凝聚新能源汽车行业的研究力量,发挥协作效应,第一电动网建立特约研究员机制,邀请行业知名专家、大牛作者作为特约研究员,集中多方智慧,深入探索新能源汽车政策、资本、技术、市场等领域,并定期推出【研究周报】,解析行业热点问题。

【特约研究员 朱玉龙】前阵子,第一电动网举办了一期关于电动汽车快充的公开课,题目是“充电五分钟,行驶两小时的时代即将到来?”,邀请了各方专家做了细致的点评,笔者梳理整个快速充电的全貌发现,由于电动汽车的使用场景不同,从不同的角度出发,讨论同一个话题,也很难达成一致。

在大家谈的内容里面,可以分成以下三类:

第一类:公共运营车辆(公交车)

公共运营公司、公共车辆和直流充电设施。在这个领域里面,主导车辆特性的是公共运营公司,它根据公交车固定的运行线路和覆盖面,来决定它需要产品的续航里程和充电速度。

在这个领域里面,其实各个地方根据运营线路的实际情况,对车辆的诸多特性和采购都有很直接的决定权。所以我们看到部件级的基本特性是相同的,但是车辆和设施呈现高度离散化的倾向,不像私人用户是根据电量来快充,公交行业不存在固定客户,有很强的不确定性。因此很难把这类车辆归类成大规模批量采购的类型,倒是很像定制化的生产,这也使得大巴市场的各种细分规格特别多。地方公交公司会根据线路的特性来覆盖日常公交线路的需求,规定每个车的充电时间。至于充电时间的损失,会折算到公交公司需要购买的额外车辆所带来的成本里,这也是电动大巴需要快速充电的原因。

备注:按照嘉宾的说法,电动大巴目前的解决方案是用双枪接近400~450安(大巴700伏,整个功率估算有300KW以上)去充电,所以电动大巴电池的单体容量、母线线缆以及连接器等设计都需要一个很高的要求。

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图1 公共运营的车辆

第二类:专有运营及重度运营车辆(物流和出租车)

运营企业(包含企业和运营网约车的个人)、生产工具(车辆)和快速充电设施。出租车公司购买了电动汽车,购买了充电设施,然后通过电动出租车司机来实现运营。决定充电速度的是在于司机对于车辆补充电所耗费的时间与运营时间的比例。从严格意义上说,此类车辆由于司机的充电价格有补贴,司机完全是希望用最快的速度补电,然后去运营,所有损失的运营时间(充电),其实就是司机损失的潜在收入。

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图2 出租车的快充要求

由于以上两类是把电动汽车作为生产资料,对充电的速度有严格的需求,所以上不封顶。为了追求速度,不管是车辆成本(有限度的增加)、日产维护要求(替换电池模块组)还是集中站的功率需求,都不再是问题。这里的主要瓶颈还是集中在电池单体有使用寿命的折中上(快充多对容量有损失,需要平衡速度与损失)。

同时这两类的充电设施可以说是提前安排,专车专用的,在整个循环里面不用过多考虑可用性的问题,是一一匹配的。所以从某种情况来说,这是计划好的使用场景。

第三类:私家使用的电动汽车

车主、电动汽车和直流充电设施。这一类是我们要重点介绍的,因为正是私家车辆的存在才能让电动汽车站稳脚跟并且有长期持续的需求,才能支撑这一类继续发展。我们来看这类车辆有哪些特点:

1.电池和续航里程的不同,会让私家电动汽车车主形成两种不同充电和使用的模式。基于统计,大部分的车主每日的行驶里程在50公里以内,使用慢充的情况如下:


  • 长里程的电动汽车车主可以选择每周2~3次充电,对行驶里程有信心,能应对可能发生的突发状况。
  • 低里程的电动汽车车主,由于汽车本身的里程有限,在里程后期很多车辆出现快速跳水之后,往往会选择每日充电


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图3 不同里程的充电使用习惯

2.快充对私家车主来说,一般是以应急充电为主

一方面是现有充电速度有限,使得车主不会离开自己的有效控制范围,另一方面是由于直流充电站的固有投资相对较高,核算的充电服务费较高,电费+充电服务费,百公里耗电一算,直观的使用费用和油费可以相提并论了。

表1.电动汽车电费比较

国网北京市电力公司

10:00-15:00,18:00-21:00

1.0044

0.8

1.8044

/

平时

7:00-10:00,15:00-18:00
21:00-23:00

0.695

1.495

谷时

23:00-7:00

0.3946

1.1946

3.私人车辆使用周期长。我们按照保修8年的情况来看,一辆纯电动私家电动汽车,可能发生的充电情况变化:


  • 一辆车的充电情况可能很复杂,可能一开始车主附近没有直流快充网络,完全不用直流充电,也可能随着快充网络的更新,车主形成自己的习惯而频繁使用
  • 车与车之间的差异性非常大,不同车的充点情况也非常大


4.整个系统(充电系统和电池系统)成本要求高。

更快的充电速度,对电池系统和充电系统有着更高的要求,充电速度(功率)对电池等相关部件要求也较高。简单来说,直流快充系统对系统的外部配电盒有电气和安全性的要求,较高的直流快充系统,对电池系统的热管理能力也有新的要求标准

单体寿命上的考虑:这在公开课和刘冠伟老师的几篇文章里写的比较清楚。在选择电池的过程中,考虑使用直流快充的频度是有限的,可以选一组实验来验证电池对快充的适应性。

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图4 直流快充系统的概览

小结:

由于电动汽车的使用场景不同,从不同的角度出发,讨论同一个话题,也很难达成一致。

从目前商业的角度上来看电池,只有非常重度的使用才能达到预期的平衡点,所以快充在这个条件上是硬需求,特点是要求速度快、频次多,呈现快充多慢充少的情况。从推广范围到使用层面上来看,快充又变成偶发性需求,快充速度要求快、频次低的情况。

从充电网络的角度来看,快充的充电网络,围绕专用固定的使用频率,以运营长期收入抵充投资已经成为行业惯例。但是考虑到面向普通消费者的商业化的快充网络,快充更多还是赔钱的买卖,长期收益面临频次低的问题,车主往往是非计划性和迫不得已来充电的,运营上需要更多的破局。

参考文件:

1.磷酸铁锂快充方案超过三元锂?让CATL告诉你答案

2.这才是保证电池安全靠谱的快充技术正确打开方式(上)

3.这才是保证电池安全靠谱快充技术的正确打开方式(下)

4.中赢瑞银:2016中国新能源乘用车消费者调研报告

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