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從科學(xué)角度,淺談提高汽車充電效率的幾個(gè)途徑

2022-02-10 22:19 作者:敢動(dòng)派  | 我要投稿

近一個(gè)時(shí)間段以來,無論是中國還是海外其他國家的汽車產(chǎn)業(yè),無一例外地都在向電動(dòng)化、電氣化時(shí)代大幅度前進(jìn)。但是隨著EV的逐步推進(jìn),同時(shí)也出現(xiàn)了很多問題,最為顯著的就是續(xù)航焦慮問題、補(bǔ)能焦慮問題——無論是去年十一的排隊(duì)數(shù)個(gè)小時(shí)等一個(gè)充電位的亂象、還是電動(dòng)汽車們春節(jié)出行在路上不敢開空調(diào)、不敢開快車只能在路上“爬”的窘態(tài),無不在向大家說明,續(xù)航焦慮和補(bǔ)能焦慮不僅焦慮在心里,對(duì)某些人來說,甚至這種焦慮都會(huì)表現(xiàn)在肢體語言上。

汽油車之所以沒有那么強(qiáng)烈的補(bǔ)能焦慮問題,是因?yàn)檠a(bǔ)能(即加油)已經(jīng)足夠方便,當(dāng)油燈亮起,一般情況下在中國大陸境內(nèi),不出20分鐘(特別偏遠(yuǎn)地區(qū)可能不是這樣)就能找到一個(gè)加油站,只用幾分鐘的時(shí)間就能加滿汽油,又能再行駛數(shù)百公里,這就“沒得可焦慮”了。

(這是拉薩市范圍內(nèi)的加油站數(shù)量)

不過,電動(dòng)汽車可就沒有這么幸運(yùn),當(dāng)電池?zé)袅疗鸬臅r(shí)候,只剩下50km續(xù)航的你,不僅要擔(dān)心哪里能夠找到充電站,而且還要擔(dān)心由于部分BMS系統(tǒng)的不當(dāng)設(shè)定導(dǎo)致表顯50km的時(shí)候直接高壓斷電導(dǎo)致路邊趴窩的問題。另外,從SOC 0充到100%也不是一瞬間或者幾分鐘的事情,等待也會(huì)進(jìn)一步導(dǎo)致焦慮情緒惡化。由此看來,加大充電站密度或者提高充電效率,讓充電也能像加油那樣,幾分鐘補(bǔ)充幾百公里的續(xù)航能力,才是緩解充電、補(bǔ)能焦慮的有效方案。如何提高充電站密度的事情我們先放到一邊,這一期我們來聊聊如何讓充電這個(gè)過程更加快速高效。

給電動(dòng)汽車充電,其實(shí)就是把電網(wǎng)當(dāng)中的電能,通過中間的變電途徑,移動(dòng)到電動(dòng)汽車的電池組當(dāng)中儲(chǔ)存起來。這中間一共要經(jīng)歷電網(wǎng)、電纜、變電所、車充線纜這幾個(gè)環(huán)節(jié)——前幾個(gè)環(huán)節(jié)不需要我們操心,我們只關(guān)心車充線纜和車輛這個(gè)環(huán)節(jié)。

1 提高充電電壓,降低電流以降低損耗

現(xiàn)在大家使用的電力,其實(shí)都是利用超高壓輸電(110kV)原理輸送過來的,這本身就是一種用提高電壓降低電流來提高輸送效率的手段,在汽車充電上也是如此。

我們先看一個(gè)公式:(P代表功率,U代表電壓,I代表電流)

P=U·I

把U這一項(xiàng)除到左邊,就變成了

I=P/U

這也就是說,在功率一定的情況下,電壓和電流呈反比例關(guān)系,也就是說,電壓越高,電流就會(huì)越??;另一個(gè)方面來說,電流維持不變的時(shí)候,電壓越高,功率也就越大。那這對(duì)電動(dòng)車充電有什么意義呢?首先,在額定的充電功率不變的情況下,提高充電電壓,可以減小充電電流,這將在線纜損耗的層面上做出很重要的貢獻(xiàn)。電動(dòng)汽車電池在充電的時(shí)候,其在電路中的作用實(shí)際上是用電器,就和燈泡、電機(jī)等一樣都是在吸收能量,而為之輸送電能的線纜自身具有一定的阻值,其等效電路原理類似如下所示:

(去往負(fù)極)—正極——用電器(汽車)——線纜內(nèi)阻——負(fù)極—(正極回流)

所以,用電器本身的阻值和線纜的內(nèi)阻,都會(huì)損耗電源所輸出的能量,并且以熱量的形式散發(fā)出去,形成能量損耗,且這種損耗還沒有辦法避免。電路的發(fā)熱量又和電流有這樣的關(guān)系:

Q=I2·R·t∝I2∝I(∝為正比于)

由此可以看到,在電阻值一定的情況下,電流越小,由于線纜內(nèi)耗產(chǎn)生的熱量也就越少,電網(wǎng)輸送給電動(dòng)汽車電池的能力損耗也就越小,一定程度上提高了線網(wǎng)能量的利用率,為電動(dòng)汽車充電提高了一定的效率。

請(qǐng)注意,上下兩節(jié)的內(nèi)容并不互相矛盾,它是充電這件事的兩個(gè)側(cè)面

2 在容量允許范圍內(nèi),電流不變的情況下提高電壓來提升充電功率

有了上面的P=U·I作為基礎(chǔ),還可以通過保持電流不變的情況下,提升充電總功率,來提高充電速度。目前如比亞迪漢、保時(shí)捷Taycan等“高壓平臺(tái)車型”都是基于這個(gè)原理。以保時(shí)捷為例,通過設(shè)置變電所容量允許范圍內(nèi)的高充電電壓來完成在統(tǒng)一線纜規(guī)格下盡可能高的充電功率,以達(dá)到快速補(bǔ)能的目的。目前國內(nèi)包括沙龍汽車、極氪(雖然最后放棄800V平臺(tái))等車企,很多都在這個(gè)層面上發(fā)力。

3 瘋狂的想法:超導(dǎo)車充線纜,很有可能實(shí)現(xiàn)

結(jié)合我們剛才所說線纜發(fā)熱的內(nèi)容:Q=I2·R·t,可以發(fā)現(xiàn),發(fā)熱不僅與電流有關(guān)系,還與電阻值有關(guān)系。熱量Q與I的平方成正比,與電阻值R的一次方就已經(jīng)構(gòu)成正比關(guān)系,I這個(gè)變量比R要高出一階,也就是說,R對(duì)Q的影響比I對(duì)Q的影響要更為直接。

所以,通過降低輸電線纜的電阻,也是一個(gè)降低熱量損耗的好辦法。在接近絕對(duì)零度的時(shí)候,部分金屬的電阻率會(huì)下降至0,這就意味著,輸電線纜的內(nèi)耗就消失了。根據(jù)剛才的Q=I2·R·t,R→0的時(shí)候,Q→0,因?yàn)橐粋€(gè)乘數(shù)為0,積為0。那么一旦線纜材料實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)輸電,效率將達(dá)到100%。這就是所謂的瘋狂的想法,參考核磁共振設(shè)備的超導(dǎo)原理,我想給線纜制作一個(gè)超導(dǎo)環(huán)境應(yīng)該不是什么大問題吧。

(以下是超導(dǎo)電纜的百度簡(jiǎn)介)

總結(jié):綜上所述,提高充電電壓和降低線纜內(nèi)耗都是提高充電效率的良好措施。我們希望國內(nèi)某些車企在大力鼓吹“充電比加油更方便”、“油車能去的地方X都能去”的同時(shí),認(rèn)真的從最基礎(chǔ)的原理上發(fā)力研究,而不是天天靠著傳銷式洗腦來度日。

我們預(yù)測(cè),如果超導(dǎo)線纜能夠落地到車用充電上,電動(dòng)汽車充電等待時(shí)間將會(huì)進(jìn)一步縮短,充電樁的占用時(shí)間也會(huì)大幅縮水,“翻臺(tái)”速度也能大幅度加快,再加上充電樁的加速布局,電動(dòng)汽車主導(dǎo)的時(shí)代可能真的很快到來。


從科學(xué)角度,淺談提高汽車充電效率的幾個(gè)途徑的評(píng)論 (共 條)

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