想开充电5分钟跑1000公里的电动车,首先你得有脸

你是否听过“电动汽车充电5分钟跑1000公里”的消息?醒一醒,别被车企广告骗了。针对这种说法,清华大学电动车专家欧阳明高教授评论道:“如果有人说他的车既能跑1000公里,又能几分钟充完电,还特别地安全,而且成本还非常低,那大家不用相信,因为这在目前是不可能同时达到的。”

  既然“充电5分钟跑1000公里”现在不行,那么未来行不行呢?

  

  里程焦虑 | commercialobserver.com, Brain taylor

  电池如人体,你能跑7天不吃饭吗?

  电动车能跑多远主要是由电池组储存的能量决定,电动车能多快完成充电是由外部充电功率和电池组能接受的输入功率共同决定。因此,电池的快充性能和储存的能量,决定了电动车的充电速度和续航里程

  电池虽然是电动车的唯一能量来源,但将其等同于普通汽车的汽油或者发动机都是不科学的。汽车完成一次加油的时间主要由加油枪和邮箱进口结构决定,而汽车的续航里程主要和携带汽油多少及燃油机的工作效率有关。为了解释电动车的充电速度和储存能量的限制,我们可以把电池比作人体的胃。电池是一个复杂化学化工体系,只要化学反应体系确定,其对外放电(做功)的能力基本确定。这就像人类只有那么大的胃,只能吸收转化有限的能量。

  如果有人说他认识谁5秒能跑100米,或者能连续跑7天不用吃饭,你的反应是什么?而对于电池来说,尽管通过材料与电极结构的改进在以每年5%左右的幅度逐渐提升性能,但有人说能直接作出10倍能量/功率输出的电池,你就知道这是伪科学了。

  

  示意图,电池与人体 | 作者供图

  不难实现,但没必要

  就目前电池组和电动汽车的技术水平来说,要想实现充电1次跑1000公里并不难,而没有这样做的原因,主要是出于对市场经济性安全性的考虑。

  以特斯拉的ModelS为原型,其跑1000公里不考虑车重增加的因素,需要200度电。但是要想增加这200度电,就需要给汽车目前的动力系统增加800公斤重的动力电池,后排空间和后备箱也许就被牺牲了。因此,即使现有的技术完全可是实现充一次电续航1000公里,但是车辆的成本会显著增加。

  

  电动巴士顶上的电池组 | Wikimedia Commons, ACBahn / CC BY-SA 3.0 (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0)

  当然,还有一种平民化的解决方案——升级电动三轮车。快递小哥每天为我们接发快递时使用的就是电动三轮车,这种三轮车续航1000公里只需30度电,大约需要200公斤电锂离子动力电池系统。换句话说,将目前的快递三轮车后箱加装一大块锂电动力系统,可以实现充一次电跑1000公里。但是想想那场面,也实在是不和谐。

  脸盆粗的电缆,你敢想,我不敢用

  造出充一次电能跑1000公里的电动汽车并非难事,但要5分钟内完成此等能量的充电,是几乎不可能的。

  首先,从外部充电装置来说,在5分钟内完成200度电的充电,这基本上是一个大型光伏或风力发电厂输出的功率;若充电电压为220V,充电电流需高达10000A以上。目前市面上最粗的电缆是用于特高压输电的电缆,直径16厘米,两只手正好能环握住,但其承载的电流也只有1000A左右。而要想承载10000A的线缆,至少要有脸盆的粗细,可想而知,用脸盆粗的电缆给电动车进行充电,该有多荒谬,可见其不合理性。

  

  充电状态下的电动车 | 图虫创意

  如果提高电压,理论上电流就不需要这么大了,但是这在现实中无法实现。由于生活中很难找到能对800V以上电压绝缘的材料,同时380V工业电或更高的电压出现在日常使用的电动车上是非常危险的,因此使用高压给电动车充电不具有实用价值。此外,若一辆电动汽车充电便需要2MW的高功率,10辆这种电动车的同时充电便能对电网产生极大冲击,危害市电安全,显然是不可取的。

  

  充电对电网冲击、危害 | 制作素材来自Pixabay和图虫创意

  另一方面,从电池侧来说,5分钟完成充电挑战极大。从电池材料层面来说,电池难以高速充电主要受制于负极石墨材料方面,其难以实现锂离子高速嵌入石墨层之间完成储能,类似于要求一个人吃馒头的速度从一分钟吃一个,提高到一分钟吃十个,这对嘴和胃都提出了极高的要求。因此,石墨的快充还需要进行深入研究。从电池器件层面来说,高速充电会造成剧烈放热,导致电池性能衰减、安全性下降,甚至出现失效、热失控、燃烧、爆炸的情况,这些问题同样需要研究解决。

  因此,电动汽车充一次电跑1000公里并不难,但是5分钟内完成充电是几乎不可能实现的。也许更换电池的方法能较好的迎合短时间重获续航能力的需求。而要想快速完成充电,可以从发展完善科学换电池及其电池评估回收体系和提倡夜晚慢速充电这两点上回应。

  

  未来城市能源结构 | www.dnv.com,在原图基础上去掉了文字

  事实上,现在比较普遍的续航300公里左右的电动汽车,已经能很好的满足普通人的日常需求,我们也许并不需要充一次电能跑1000公里的汽车。过度追求续航能力强的电动车,并不符合其技术特点,也与可持续发展的理念相悖。充电快、续航久不一定是性价比高的,而刚好满足我们需要的那辆车才是最好的。

  *致谢:感谢清华大学核研院王莉与车辆学院冯旭宁两位老师的有益讨论与指导

  作者:张浩

  编辑:酥鱼

  排版:洗碗