對于需要長途出行的電動汽車車主來說，補能問題一直是一個痛，和燃油車的快速補能不同，電動汽車的補能動輒需要一個小時左右。而今年以來，各個新能源車企都開始推出超級快充來解決這個問題。就在上個月，小鵬汽車推出了旗艦車型小鵬G9，官方表示配上專用的快充樁，車輛只需要5分鐘就能補充200公里續(xù)航。以小鵬G9 570公里的續(xù)航來看，15分鐘就可以充滿電。這個充電速度有多夸張呢，這里舉一個簡單的例子，iQOO 10 Pro可以在10分鐘內(nèi)充滿，是目前充電最快的手機，而在安兔兔給出的手機充電速度榜單中，前五名手機可以在15分鐘左右充滿。也就是說，小鵬G9的充電速度及時在手機榜單中也可以排到前五名。而小鵬G9的電池容量為98kWh，大部分手機的電池容量不足5000mAh，其充電速度可見一斑。與小鵬同處廣州的廣汽埃安也表示其AION V Plus可以在5分鐘內(nèi)補充112公里續(xù)航，未來將會在5分鐘內(nèi)補充207公里續(xù)航。事實上，除了小鵬、埃安，還有多個車企都在致力于超級充電。比亞迪曾表示，其e平臺3.0可以實現(xiàn)5分鐘補充150公里續(xù)航；極狐汽車也表示其最新推出的阿爾法S也可以在10分鐘補充200公里續(xù)航。
▲車企布局超級快充情況表
從各家車企官方的數(shù)據(jù)來看，新一代車型基本上可以在20分鐘左右充電至80%以上，而小鵬G9幾乎在15分鐘左右就可以充滿電。這一數(shù)據(jù)雖然仍比油車要慢一些，但與目前的充電速度相比已經(jīng)做了很大的提升，可以大大緩解用戶的續(xù)航焦慮，也能夠讓電動汽車在更多場景下使用。此前很多專家學者都認為，補能困難是影響一部分消費者選擇電動汽車的關(guān)鍵，而隨著這一問題逐步被解決，之后或許將會有更多的消費者選擇電動汽車。那么超級快充到底是怎么一回事兒？背后的技術(shù)關(guān)鍵點在哪里？又有哪些車企和電池企業(yè)在推進超級快充技術(shù)呢？
小鵬埃安打響超充之戰(zhàn) 多數(shù)車企已經(jīng)參戰(zhàn)
上個月小鵬汽車推出了最新的旗艦車型G9，補能速度快成為了該車重要的賣點之一。根據(jù)官方的數(shù)據(jù)顯示，小鵬G9可以在5分鐘內(nèi)補充200公里續(xù)航。以570公里續(xù)航版本車型為例，小鵬G9在15分鐘內(nèi)就可以充滿電，而此前小鵬P7在快充模式下則需要30分鐘才可以充電至80%，對比來看，G9的充電速度提升了一倍以上。而憑借這一性能，小鵬G9也喊出了全球充電最快量產(chǎn)車的口號。
不過，并非只有小鵬汽車開始在充電速度上發(fā)力了，海內(nèi)外多個車企都在積極地推進電動車充電速度的提升。特斯拉無疑是最早布局的車企之一，目前其峰值充電功率可以接近250kW。在特斯拉之外，保時捷也是在超級充電方面發(fā)力比較早的車企，保時捷首款純電動車型Taycan上第一個采用了800V架構(gòu)，充電功率可以達到250kW，當時其充電功率甚至壓過了特斯拉。據(jù)官方介紹，它的充電功率還可以提升至320kW。
國內(nèi)車企關(guān)于超級充電的競爭則更加激烈。廣汽埃安最新推出AION V Plus車型可以在5分鐘內(nèi)補能至112公里，后續(xù)將會進一步提升到207公里，從數(shù)據(jù)上來看已經(jīng)隱隱可以和小鵬G9掰手腕了。極狐也曾表示其阿爾法S可以在10分鐘補能200公里。此外，部分車企雖然還沒有拿出具體的產(chǎn)品，但也都曾展示了自己在充電方面的目標。比亞迪e平臺3.0上推出的一款概念車型ecean-X可以實現(xiàn)充電5分鐘續(xù)航150公里。這說明，比亞迪e平臺3.0上生產(chǎn)的后續(xù)車型可能也將會具備非常強的快充能力。極氪汽車采用了800V架構(gòu)，支持360kW超級充電；嵐圖汽車表示在800V架構(gòu)和360kW超充樁的加持下，可實現(xiàn)充電10分鐘續(xù)航400公里。
此外，長城汽車、極星、理想等車企也都在布局超級快充。雖然目前各家車企的進展并不相同，但無一例外地都將超級充電作為了下一階段的重點方面，并且還已經(jīng)找到了可行的技術(shù)方案。
提升車輛的充電速度其實是一件系統(tǒng)性的工程，對車輛的電池、電機、電控等各個方面都有一定的要求，甚至對于充電樁等也有特殊的要求。首先來看，想要提升車輛的充電速度無非就是提升充電功率，而這主要有兩個辦法：一是提升充電電壓，二是加大充電電流。目前大多數(shù)電動汽車的牽引逆變器都使用了600V的IGBT模塊，電池組的電壓則限制在400V左右。在這一基礎(chǔ)上，如果加大電流就會使車輛的電纜直徑增加，導致電纜笨重，同時電流的提升導致系統(tǒng)功率的損耗也會增加，甚至發(fā)熱也會更加嚴重。而如果加入電壓，可以使得同一根電纜的充電功率提升一倍以上，因此增加電壓成為了目前超級快充最為便捷的方法，800V架構(gòu)也因此應運而生。車輛升級到800V架構(gòu)的關(guān)鍵則在于高壓元器件的改變，具體來說就是在主驅(qū)逆變器、車載充電系統(tǒng)（OBC）、電源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)（車載DC/DC)和非車載充電樁等方面用上碳化硅元器件。
▲400V架構(gòu)和800V架構(gòu)對比（圖源網(wǎng)絡(luò)）
現(xiàn)階段大部分車型上在主驅(qū)逆變器、車載充電系統(tǒng)（OBC）、電源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)（車載DC/DC)等元器件上采用的都是基于硅基IGBT功率模塊。在目前的400V架構(gòu)下，硅基IGBT功率模塊的最大承壓為650V，如果車輛的電氣架構(gòu)提升到800V，考慮到開關(guān)電壓過載的情況，需要功率半導體最大能夠承受到1200V的電壓，但在高電壓下，硅基IGBT功率模塊的損耗急劇上升，會導致車輛成本提升但能效下降的尷尬問題。而碳化硅SiC由于自身高耐壓性、低損耗、高功率密度、高熱導率等優(yōu)勢，非常符合800V架構(gòu)的需求。因此，在800V架構(gòu)中，需要采用碳化硅SiC元器件來進行替代。
▲碳化硅晶圓
碳化硅SiC元器件除了可以在車輛中應用，在車載充電器、充電樁等方面都適用，可以實現(xiàn)高功率且優(yōu)化成本的優(yōu)點。但這方面的技術(shù)一直掌握在海外企業(yè)的手中，IGBT方面，第七代IGBT之后的技術(shù)主要被英飛凌 、ABB、三菱、富士電機等企業(yè)掌握，而英飛凌更是其中的佼佼者，幾乎壟斷了電動汽車領(lǐng)域的中高端IGBT市場。而國內(nèi)在這方面的發(fā)展距離國際領(lǐng)先水平還有很大差距。IGBT產(chǎn)品早在上世紀就出現(xiàn)了，第一代工藝復雜且成本高，很快就被第二代產(chǎn)品所替代了，但這一代產(chǎn)品如果需要更高的電壓阻斷能力時，其損耗與溫度也將會明顯提升。到了第三代產(chǎn)品則優(yōu)化了這些缺點，目前在高壓領(lǐng)域依然占據(jù)主導地位。現(xiàn)階段，最廣泛使用的IGBT芯片是第四代產(chǎn)品，進一步降低了開關(guān)損耗，同時開關(guān)軟度更高，提升工作結(jié)溫，第六代產(chǎn)品是第四代產(chǎn)品的優(yōu)化，進一步降低了損耗；第五代產(chǎn)品則采用了銅替代了鋁金屬，可以允許更高的工作結(jié)溫和電流，同時厚度也有減小。2018年，IGBT芯片進入到了第七代，工作結(jié)溫更高，使用也更加廣泛。國內(nèi)的IGBT生產(chǎn)技術(shù)目前才達到了第四代和第五代，和國際頂尖技術(shù)仍然存在一定的差距。而技術(shù)要求度更高的碳化硅SiC元器件也是優(yōu)先從美國、歐洲、日本等國家開始普及，國內(nèi)的碳化硅SiC產(chǎn)品無論在技術(shù)成熟度上還是市場規(guī)模上，都還比較少。國內(nèi)車用SiC功率器件供應商主要有三安光電、斯達半導、聞泰科技、基本半導體等企業(yè)，但整體上占比還非常少。雖然目前國內(nèi)車企都在積極布局800V架構(gòu)超級快充體系，但在核心原材料方面還主要依賴國外采購，這方面產(chǎn)業(yè)鏈的國產(chǎn)化替代也非常必要。
▲蔚來碳化硅電驅(qū)系統(tǒng)
在采用了800V架構(gòu)后，車輛的電機也需要相應地做一些改變。在電機的工作過程中，由于電磁感應原理，電機軸兩端會形成感應電壓，即軸電壓。隨著工作電壓的增高，軸電壓也可能會增高，可能會擊穿油膜形成回路出現(xiàn)軸電流，最終導致軸承腐蝕。因此在采用800V架構(gòu)后，電機的軸承防腐需要進一步提升。此外，電機內(nèi)部的絕緣和EMC防護等級也要相應提升。
上面聊到了為實現(xiàn)充電速度的提升，我們需要對電機和電控進行一定的調(diào)整，而為了實現(xiàn)超級快充，對于充電過程中最重要的載體--電池，也需要進行一定的調(diào)整。電池的快充主要看電池的充放電倍率，影響充電倍率主要有三個原因：電極材料、充電樁充電功率和動力電池溫度。對于電池企業(yè)來說，充電樁充電功率是客觀因素，電極材料和溫度控制則是電池廠可以做出改變的地方。目前車企的超充充電功率都可以達到350kW，以旗艦車型都采用的100kWh電池為例，大概需要17分鐘可以充滿，這就需要動力電池具備4C充電能力（指電池在15分鐘內(nèi)充滿，3C充電指20分鐘內(nèi)充滿，2C與1C依此類推，分別在30分鐘和1個小時內(nèi)充滿）。那么，目前市面上具備快速充電的車型搭載的電池都具備怎樣的充電能力呢？以市面上量產(chǎn)的充電速度最快的車型小鵬G9，其98kWh的動力電池來自中創(chuàng)新航，按照小鵬G9最大480kW的充電功率，只需要12分鐘就能充滿電，這意味著中創(chuàng)新航提供的動力電池也具備4C以上的充電能力。特斯拉Model 3標準續(xù)航版本的電池容量為60kWh，如果以250kW的峰值充電功率來算，電池也可以在15分鐘內(nèi)充滿，也達到了4C的充電能力。由此來看，具備4C充電能力的電池已經(jīng)成為必須了。而最近兩年來，已經(jīng)有多家動力電池企業(yè)宣布了將會推出具備4C充電能力的動力電池，其大多也是從電極材料和溫度控制兩個角度來出發(fā)的。電極材料方面做出改變的主要是蜂巢能源、欣旺達、孚能科技等。蜂巢能源發(fā)布的蜂速快充電池對正極材料、負極材料，甚至電解液方面都做出了改變。在正極材料方面采用了柔性包覆技術(shù)，基于大數(shù)據(jù)分析及仿真計算，篩選適配高鎳材料體積變化大的柔性包覆材料，抑制循環(huán)顆粒粉化，產(chǎn)氣降低20％以上。
▲蜂巢能源產(chǎn)品陣營
負極材料采用了液相包覆技術(shù)等，在石墨表面包覆無定形碳，降低阻抗，提升鋰離子的通道，使其阻抗降低20%。而電解液則添加了含硫添加劑/鋰鹽添加劑等低阻抗添加劑體系，降低正負極界面成膜阻抗。通過這些材料的調(diào)整，提升了電池的充電速度。官方數(shù)據(jù)顯示，該電池充電10分鐘后，可以行駛400公里。欣旺達則采用了高電壓低鈷Ni60正極體系，并采用復合包覆和R元素摻雜技術(shù)方案，改善了正極材料的產(chǎn)品性能，使得電池具備了高能量密度和快充性能。其生產(chǎn)的動力電池也具備充電10分鐘續(xù)航400公里的表現(xiàn)。孚能科技采用了全極耳、多極耳大軟包動力電芯，使得充放電倍率覆蓋了2.4C到5C。
▲孚能科技電芯產(chǎn)品
寧德時代主要對動力電池的結(jié)構(gòu)和散熱系統(tǒng)做了大幅度的調(diào)整，其麒麟電池將電池包中的橫縱梁、水冷板和隔熱墊集成成了多功能的彈性夾層，將支撐、冷卻、隔熱、緩沖功能四合一。同時，寧德時代還對冷卻系統(tǒng)做了全新的排布設(shè)計，水冷系統(tǒng)位于電芯與電芯之間，緊貼電芯大面，從而使換熱面積擴大4倍，電芯控溫時間縮短至原來的一半。
▲寧德時代麒麟電池大幅提升充電速度
欣旺達也導入了全新的3D液冷技術(shù)，全系產(chǎn)品無熱擴散；孚能科技則采用了臥式電芯布置方案，另外通過液冷板和導熱片的復合使用，可以使電池系統(tǒng)的散熱效率提升4倍。此外，在低溫性能方面，這些電池也都做了一定的提升。正是這些方面的改變，讓上述動力電池都具備了超級快充的能力。
正如上部分所述，充電樁充電功率也會影響到車輛最終的充電效果，所以建設(shè)超級充電樁也必不可少。想要提升充電樁的功率就必須使用更多的充電模塊，以350kW的充電樁來說，需要24個15kW充電模塊并聯(lián)或者12個30kW充電模塊并聯(lián)。增加充電模塊意味著模塊間的均流和控制就會變得復雜，充電樁的集成度也會更加復雜，相應的成本也會提升。以充電樁內(nèi)部都采用30kW的充電模塊來算，公開數(shù)據(jù)顯示，30kW充模塊的單個成本為2000元，12個就需要2.4萬元，而250kW充電樁只需要9個，成本為1.8萬，150kW充電樁只要5個，成本為1萬元，而目前最多的直流充電樁的充電功率在50kW以下，其充電模塊成本不足4000元。僅充電模塊上就能有2萬塊錢的差價。而為了實現(xiàn)超級快充，充電樁內(nèi)部的一些電子元器件也需要采用碳化硅SiC技術(shù)，而同等尺寸下碳化硅的價格則是IGBT的3～4倍，這方面的成本提升也不可忽視。其次，超級充電樁對于電網(wǎng)的沖擊也不可忽視。以350kW的充電樁為例，假設(shè)一個充電站有6個充電樁，那么全部運行時所需要的電壓就為2100kW，而現(xiàn)在多數(shù)直流樁功率僅有50kW左右，也以6個樁計算，所需要的電壓為300kW，兩者相比相差非常大，這將會對配電網(wǎng)絡(luò)造成一定的壓力。不過，這點可以通過建設(shè)儲能站來緩解，部分車企如小鵬等在其快充站內(nèi)都建設(shè)的有儲能站。但盡管存在一定的難度，目前也仍有部分車企開始積極布局超充樁了。特斯拉是最早布局超級充電的車企，目前已經(jīng)推出了三代超級充電樁，第一代充電樁的功率為90kW，到第二代充電樁時，充電速度已經(jīng)提升到了120kW，目前正在全面推廣的第三代充電樁峰值功率達到250kW。
▲特斯拉V3超充站
據(jù)外媒報道，特斯拉正在布局第四代超級充電樁，峰值功率有望達到350kW。小鵬汽車也在最近發(fā)布了S4超充樁。官方介紹，單樁最大功率可達480kW，最大電流達到670A，峰值充電功率400kW，遠超過特斯拉V3和保時捷Turbo充電樁。在發(fā)布會上，小鵬汽車直接放出了充電的視頻來證明其充電速度。僅在5分鐘內(nèi)，小鵬G9就增加了210公里的續(xù)航。小鵬汽車方面已經(jīng)從今年第三季度開始了S4超充站的建設(shè)，由于其產(chǎn)品和G9的契合度非常高，所以首批站點將會在小鵬G9訂單前十名的城市建設(shè)，預計今年內(nèi)將會完成10個城市，100個站點的建設(shè)。
▲小鵬S4超快充樁
此外，蔚來、理想、廣汽埃安、極狐等企業(yè)都在積極布局超級充電樁。不過，目前第三方充電樁供應商對于超級充電樁的布局并不算積極。萬城萬充副總經(jīng)理梁翔飛認為，車企建設(shè)超級充電站是為了匹配超級快充車型，可以更好地提升車主的使用體驗。但對于運營商而言，在相關(guān)車型沒有大量普及的情況下，單獨投資建立超級充電站，投入和收入很難形成正比，因此建設(shè)意愿比較小。但從當下的趨勢來看，超級快充和換電都是電動車補能體系中重要的一環(huán)，因此也將會是未來車企和運營商重點的發(fā)展方向。這一方面也勢必會出現(xiàn)政策統(tǒng)一的標準，規(guī)模將會進一步增大。
隨著電動汽車在國內(nèi)的快速普及，消費者對于電動汽車的接受程度正在不斷提升。但目前對于消費者來說，續(xù)航焦慮已經(jīng)轉(zhuǎn)化成為補能焦慮。為了應對這些問題，車企和電池企業(yè)正在多方布局，一部分車企選擇了換電的模式以節(jié)省補能時間，而另一部分車企則選擇了建立超級快充體系來縮短充電時間。相比于換電的高成本投入和各個玩家的各自為戰(zhàn)，超充在成本和推廣上則顯得更加方便，因此目前多數(shù)車企都在這方面發(fā)力。隨著入局車企的數(shù)量不斷增加，超級快充也有望在未來成為標配。
來源：車東西
公司新聞
行業(yè)新聞
