深度解析电动汽车痛点关键技术——超级充电

一、解决痛点关键技术——超级充电

1.1 汽车充电：能量的来源

新能源汽车市场表现强劲。目前新能源汽车增速加速明显.。

电动化加速落地：催生庞大充电需求。全球电动化趋势明显，势必催生庞大的充电需求。

车载充电：新能源汽车能量的来源。电动车与燃油车不同，主要依靠车载动力电池提供能量，电动汽车行驶过程中不断消耗电能，当电量消耗完毕后，电池能量需要补充。其能量补充形式是将电网或者其他储能设备的能量转换为电池的能量，该过程称之为充电。与此同时，OBC（车载充电机）成为充电过程中的关键部件，其主要负责将电网的电压经过充电桩或交流接口，通过连接给予电池充电。

充电分类: 交流慢充：即传统的电池充电方式，又称常规充电。交流充电设备没有功率转换器，直接将交流电输出，接入车内。车载充电机接受到交流电后将其转换为直流电进行充电。因此交流慢充方案通过车量自带的便携式充电器即可接入家用电源或专用充电桩进行充电。

交流充电的功率取决于车载充电机的功率。目前主流车型的车载充电机有分为 2Kw、3.3Kw、6.6Kw 等型号。而交流充充电的电流一般在 16-32A 左右，电流可以是直流或者两相交流电和三相交流电。目前，混合动力车型交流慢充需要4-8 小时充满，其交流充电的充电倍率基本在 0.5C 以下。

交流慢充的优点在于其充电成本较低，不依赖充电桩或者共用充电网络就可以完成充电。但是常规充电的缺点也非常明显，最大的问题在于充电时间较长，目前大部分电车的续航里程均超过 400KM，常规充电对应的充电时间均在 8小时左右，对于有长途行车需求的车主来说，路途中充电焦虑远远大于其他因素。其次，常规充电的充电模式为低电流充电，其充电模式为线性充电，不能很好地对锂电池的特性进行利用。

直流快充：交流慢充的电动车充电问题始终是一大痛点，随着新能源汽车对更高效率充电方案的需求越来越大，快充方案应运而生。快充也即快速充电，或者地面充电。直流充电桩内置功率转换模块，能将电网或者储能设备的交流电转换为直流电直接输入车内电池，无需经过车载充电机进行转换。直流充电的功率取决于电池管理系统和充电桩输出功率，两者取较小值作为输入功率。

快速充电模式的代表为特斯拉超级充电站。快速充电模式的电流和电压一般在 150～ 400A 和 200～750V，充电功率大于 50kW。此种方式多为直流供电方式，地面的充电机功率大，输出电流和电压变化范围宽。目前市场上特斯拉的快充功率达到 120Kw，半小 时能充满 80%电量，充电倍率接近 2C。北汽 EV200 可以达到 37Kw，充电倍率约 1.3C。

控制系统：BMS 充 电 设 备 的 转 化 过 程 还 需 要 和 电 动 汽 车 上 动 力 电 池 的 管 理 系 统 BMS(Battery Management System) 配合，BMS 的最大优势在于充电过程中，会根据电池的实时状态， 来改变电池的充电方案，其非线性的充电模式实现了在安全和保障电池寿命两大前提下 的快速充电。

BMS 的功能主要包括以下几类：

电量状态监控：最基本的电量状态监控内容是动力电池荷电状态（SOC）监控，SOC 是指电池剩余电量和电池容量的百分比，是车主评估电动车续航里程的主要参数。BMS 通过调用电池包上多个高精度传感器的数据，对电池参数信息（电压、电流、温度等）进行实时监控，其监控精度可达 1mV。精确的信息监控外加优秀的算法处理，确保了电池剩余电量评估的精准度。在日常行车过程中，车主可以设置 SOC 的 目标值，以实现车辆能耗的动态优化。

电池温度监控：锂电池对温度的敏感程度很高，温度无论过高还是过低都会直接影响电芯的性能，极端情况下会对电池的性能造成不可逆的损伤。BMS 能够通过传感器监控，保障了电池运行的安全环境。在温度较低的冬天，BMS 会调用加热系统对电芯加热使其达到合适的充电温度，避免电池充电效率降低；而在温度较高的夏天或者是电池温度过高时，BMS 会立即通过冷却系统降低电池温度，保障行车安全。

电池能量管理：电芯的制作工艺误差或者实时温度不一致都会导致其电压各不相同。因此充电过程中，可能电池内一部分电芯已经充满，而另一部分电芯电量还没充满。BMS 系统通过实时监控电芯电压差值，调节减小各个单体电芯之间的电压差，保证各电芯充电的均衡性，提高充电效率，减小能量消耗。

1.2 4C 有望成为产业趋势

充电问题成为消费者痛点。充电速度始终是贯穿电动车使用过程，目前电动车在全球的快速渗透扩张则进一步放大了充电速度对于车主行车效率和用户体验的影响。

心理锚定：传统燃油车的能量补充十分快速，一般场景下，燃油车从进入加油站加油到驶出加油站全程不超过 10 分钟，且对于长距离行驶来说，加油站数量众多，遍布于每一个高速公路驿站。而以 400KMH 传统电动车为例，电动车的充电速度普遍在 30 分钟朝上，且充电桩的数量紧张延长了充电的前置等待时间。目前的充电技术相比于燃油车的加油方式毫无优势。10 分钟的燃油车心理锚定时间始终是广大客户衡量电动汽车充电速度快慢的第一标准。

超级充电标准孕育而出。C 的定义：通常，我们将电池的充放电倍率用 C 来表示。对于放电，4C 放电表示电池 4 个小时完全放电时的电流强度。对于充电，4C 表示在给定的电流强度下，充满电池 400% 的电量需要 1 个小时，也即在给定的电流强度下 15 分钟电池能够完全充电。4C 是什么：4C 并非全新指标，而是在传统的充放电指标如 1C、2C 基础上的延伸，是电池充放电性能提升的体现，并且可以看出 C 的级数越高，电池充放电性能提升的边际效果越弱。当电池的充电倍率超过 4C，其技术难度的提升以及电池承受的电流压力更大， 但是技术提升所带来的正向效应变小。因此我们认为，4C 是目前兼具性能提升和电池技术承受能力的最优解。

动力电池充电倍率的迭代进程：在早期，受限于当时的科技水平，无论是充电技术还是电池工艺都不允许电池以较高的倍率进行充电，对于刚刚实现充电跨越的铅酸电池，其充电倍率仅为 0.1C，充电倍率的提高会对电池寿命产生较大影响。而随着锂电池技术的不断突破搭配 BMS 的不断进步，电池的充放电倍率得到了显著的提升。最早的交流慢充方案充电倍率为 0.5C 以下。随着近几年全球电动汽车的加速渗透，动力电池的充电技术得到大幅突破，从 1C 的电动汽车迅速演进到 2C。2022 年，国内已有搭载 3C 电池的汽车进入市场。而在 2022 年 的 6 月 23 日，宁德时代发布新款麒麟电池，并表示 4C 充电预计将于明年到来。

超级充电将成为充电技术升级必经之路。同新能源汽车一样，手机对于充电速度的需求也较强，在手机发展的过程中充电技术也在不断提升：从 1983 年摩托罗拉 DynaTAC8000X 实现充电 10 小时通话 20 分钟，到 2014 年 OPPO Find 7 宣传充电 5 分钟通话两小时，到现如今多机型可以在 15 分钟内充满 4500mAh 容量的电池。智能手机的充电协议也从 2010 年 USC BC 1.2 的 5V 1.5A 提升至 2021 年 USB PD 3.1，最大电压可支持 48V。我们认为无论是智能手机还是新能源汽车，实现快速充电都将在很大程度上提升产品使用体验，同时也是技术升级的必经之路，未来电动车 4C 充电也将成为产业趋势。

1.3 多企业布局超级充电

目前已经有多家企业已经发布自身快充布局方案，并且自 2021 年起已经陆续有相关车型发布：保时捷推出首款 800V 快充平台电车；比亚迪 e 平台 3.0 发布，对应概念车型 ocean-X；吉利极氪 001 搭载 800V 快充平台。同时华为发布其 AI 闪充全栈高压平台， 预计到 2025 年将实现 5min 快充。

1.3.1 华为：AI 闪充全栈高压平台将实现 5min 快充

“大电流”与“大电压”路径并存，后者成本更优。为了达到更高的充电功率以达到快充的目的，加大电流或者电压是必须的，目前市面上采用更“大电压”技术路径的公司多于“大电流”。华为表示：当使用“大电压”技术路径时，整车 BMS、电池模组成本与“大电流”路径持平，但是由于不需要考虑大电流影响， 其高压线束以及热管理系统成本要相对较低。

800V 或将成为主流。在如今主流车型依旧为 200V~400V 电压架构，为了达到更高功率以满足快充需求，电流将会面临翻倍的可能，这将会给整车散热以及性能带来影响。如今包括 SiC 等功率器件，高压连接器，高压充电枪等管径部件已经发展成熟，选用更高的电压的同时保证电流处于相对安全的范围是一个较好的选择。

1.3.2 特斯拉：V4 充电功率有望达到 350kW

自 2012 年起，Tesla 便着手超充布局。第一代充电桩V1 功率为 90kW；V2提升至120kW， 自 V3 充电桩起，Tesla 采用液冷技术，运用全新的架构使得电池能够承受更大功率的充电，充电峰值达到 250kW，在峰值情况下充电可以达到 15 分钟为车辆补充 250km 的续航里程，V3 对于 Model 3 车型来说仅需 40min 便可将 SOC 由 8%充至 90%，相较于 V2 缩短 20min。

V4 或将面世，功率有望达到 350kW，峰值电流 900A。Tesla 在近期法说会问答环节中，其汽车业务负责人 Jerome Guillen 曾公开表示在着手开发 350kW 超充充电桩，预计将试配于 Plaid 和 Cybertruck 等车型中。

1.3.3 比亚迪：e 平台 3.0 充电 5 分钟续航 150km

比亚迪自 2003 年进入新能源领域，在纯电车领域实现三次平台迭代，其中第一代 e 平台发布于 2010 年，实现了三电关键技术的平台化，在高压架构、大功率电机、驱动电机控制器等关键部件中实现突破；2016 年比亚迪发布 e 平台 2.0，首次剔除“33111”概 念：以高度集成化为目的，开发标准化、轻量化、小型化、可组合的模块产品。并实现了整车的减重以及布局优化。

2021 年比亚比发布全新概念车型 ecean-X，同时推出其搭载的 e 平台 3.0，其采用八合一电驱动总成，将电机、减速器、DC-DC、BMS 等部件向结合，全车 EE 架构由分散式升级为集中式，e 平台 3.0 将采用全新一代 SiC 模块，整车电控功率密度提升 30%，最大 支持电流、电压分别为 840A、1200V。比亚迪 e 平台 3.0 同时搭载 800V 超充平台，达到充电 5 分钟续航 150km 的快充标准。

1.3.4 保时捷：800V 平台 Taycan

保时捷 Taycan 采用完整 800V 电池架构，能够满足 400V 直流快充和 800V 直流快充，5 分钟能够实现 SOC 80%的充电。在设计中，保时捷 Taycan 采用大众集团 J1 电平台改款，由于保时捷 Taycan 在设计之初市面上普遍电压为 400V 平台，Taycan 使用了升压器将 400V 平台提升至 800V，使得其内部 DC-DC 结构较为复杂，同时使得其在 800V 相关配套设施并不完善的时期实现了 800V 快速充电。

目前 Taycan 的充电方案可以适用于家用充电或者外部充电，在充电功率方面第一阶段可以提供大约 250kW 功率，后续将提升至 320kW，在实现快充的同时也能够通过内部的升压器来实现 400V 50kW 的普通充电。

800V Macan 车型即将面世。根据保时捷公开消息，新款 Macan 将于 2023 年发布，新车将搭载 800V 快充平台，与 Taycan 不同，新款 Macan 将使用大众集团 PPE 纯电平台， 其将作为从零打造的纯电平台，充电功率或将达到 270kW。

1.3.5 吉利：极氪 001 支持 360kW 快充

2021 年底，吉利发布基于 SEA 架构的极氪 001，售价基于 28.1~36.0 万，根据电机续航里程的不同分为“WE”、“YOU”和长续航版“YOU”，其中“WE”电池容量为 86kWh， 其余两款电池容量为 100 kWh。极氪 001 由于搭载 800V 高压充电平台，支持理论 360kW 超级充电，根据新出行实测数据，在 400V 平台下，极氪 001 能够实现 28min 将 SOC 由 20%充至 80%。

同时为了适配极氪 001，吉利着手已经布局全景式充电：家庭 7kW 充电桩、商区 20kW 轻冲、道路枢纽 120kW 超充以及“即充即走”360kW 快充，支配不同应用场景满足多样化需求，其中“即充即走”超充充电桩由于采用液冷散热外部线缆外径小于 25mm， 同时支持无感支付等功能，极氪预计将在 2023 年底全国范围内建设 2200 个不同规格等级的充电桩。

1.3.6 多品牌布局超级充电桩

2022 年随着越来越多的 800V 平台电车进入大众视野，相对应的充电桩部署也在井然有序进行。

大众：纯电车布局清晰，超充站建设积极。大众集团目前纯电汽车布局清晰，旗下纯电 平台：J1、MEB、PPE 对应包括大众 ID、奥迪、保时捷等多品牌车型，根据大众公布的充电桩战略规划，目前 MEB 平台年产量可达 60 万辆，预计到 2025 年将会有 15 款左右的 MEB 平台车型面世。

充电桩领域，大众在 2019 年在国内成立 CAMS 合资公司，提供充电解决方案，截止 2021 年初已经在北京、成都等地布局近 40 个超级充电站（功率在 120~180kW 左右）、255 座充电站和 1800 个充电桩。截止 2021 年初，大众集团在德国已经布局 1200 余个公共充电桩，2022 年规划在欧洲地区新建 750 个充电桩，其中包含 300kW 快充桩。

小鹏：充电业务布局超前。早在 2018 年小鹏就已经有第一批超充站投入运营，同时小鹏充电业务采取合作模式，可接入多个第三方，同时小鹏在 2019 年底在充电领域与未来 nio power 达成合作。根据小鹏官网显示，截止 2022 年 3 月底，小鹏自营超充站上线 757 座，覆盖全国所有地级行政区。

蔚来：180kW 和 250A 快充。蔚来在超充领域没有停滞，根据蔚来官网，截止 2022 年 6 月蔚来全国范围内布局超充站超过 862 个，其拥有最大功率为 180kW，能够在半小时内由 20%充电至 80%。

二、800V 高压架构或成下一代主流平台

2.1 核心在于电压的升级

快充的核心在于提高整车充电功率，提高充电功率主要两种方式，加大充电电流或者提高充电电压。目前大多数纯电动汽车的牵引逆变器都使用 600V 的 IGBT 模块，因此将电池组电压限制在 400V 左右的峰值，如果充电电压保持在 400 V，提高电流会导致充电电缆笨重、传导热损失平方级别增长，连接器、电缆、电池的电连接、母线排等的电阻都会发热。将母线电压提高到 800 V，可以使同一根电缆的充电功率增加一倍，要达到 350 或 400kW 的超高充电功率，800V 高压平台应运而生。

对比采用 400V 总线的特斯拉 Model 3 和采用 800V 总线设计的保时捷 Taycan。Model3 和 Taycan 将充电 SOC 从 5%-80%分别需要 26 分钟和 22.5 分钟。Model 3 的母线电压较低，通过使用非常高的超过 600A 的最大充电电流实现了 250kw 的最大充电功率。保时捷 Taycan 采用 800V 的电池组，通过传统的直流快速充电器和插头提供最大充电电流为 340A，峰值充电功率 270kW。Taycan 获得的充电功率比 Model 3 略高，在 800 V 总线和 500 A 充电电流的情况下，可以达到 400 kW 的功率。

800V 高压架构或成为下一代电动车主流平台。800V 高压系统通常指整车高压电气系统电压范围达到 550-930V 的系统，统称 800V 系统。800V 高压系统以低成本和高效率系统获得众多集团和品牌青睐，海外现代起亚、大众集团、奔驰、宝马等，国内比亚迪、 吉利、极狐、现代、广汽、小鹏等均重点布局 800V 高压平台。800V 高压架构有望成为下一代电动汽车的主流整车电压平台。

根据联合电子，目前常见的有 5 种 800V 高压系统架构：

方案一：车载部件全部 800V，电驱升压兼容 400V 直流桩方案。典型特征为：直流快充、交流慢充、电驱动、动力电池、高压部件均为 800V；通过电驱动系统升压， 兼容 400V 直流充电桩。这种方案整车能耗低，无安全风险，所有部件要求 800V 也都是供应商在研产品，易于推广。

方案二：车载部件全部 800V，新增 DCDC 兼容 400V 直流桩方案。典型特征为：直流快充、交流慢充、电驱动、动力电池、高压部件均为 800V；通过新增 400V-800V DCDC 升压，兼容 400V 直流充电桩。这种方案整车能耗低，无安全风险，但系统新增成本较高，不过仍然由于 800V 部件多家厂商在研，较易推广。

方案三：车载部件全部 800V，动力电池灵活输出 400V 和 800V，兼容 400V 直流桩 方案。典型特征为：直流快充、交流慢充、电驱动、动力电池、高压部件均为 800V；2 个 400V 动力电池串并联，通过继电器切换灵活输出 400V 和 800V，兼容 400V 直流充电桩。这种方案由于动力电池需要特殊设计，以避免电池并联环流潜在问题，因此推广难度较大。

方案四：车载部件全部 800V，动力电池灵活输出 400V 和 800V，兼容 400V 直流桩 方案。典型特征为：直流快充、交流慢充、电驱动、动力电池、高压部件均为 800V；2 个 400V 动力电池串并联，通过继电器切换灵活输出 400V 和 800V，兼容 400V 直流充电桩。这种方案整车能耗高，优点在于只需要增加一个 DCDC，但这个 400V/800V DCDC 对安全要求高，推广不易。

方案五：仅直流快充相关部件为 800V，其余部件维持 400V，动力电池灵活输出 400V 和 800V 方案。典型特征为：仅直流快充为 800V；交流慢充、电驱动、负载均为 400V；2 个 400V 动力电池串并联，通过继电器切换灵活输出 400V 和 800V，兼容 400V 和 800V 直流充电桩。这一方案虽然系统新增成本低，整车布置改造难度适中，但是在能耗、电池特殊改动和设计方面均处于劣势。

综合考虑性能、系统成本及整车改造工程量，方案一“车载部件全部 800V，电驱升压兼容 400V 直流桩方案”预计是短期内快速推广的解决方案。

2.2 高电压带动多条产业链

2.2.1 三电系统核心调整，满足高压平台要求

升级至 800V 高压平台，需要对三电系统进行调整，以满足电气电压提升带来的对耐压、绝缘等可靠性需求。

电池系统：

800V 电池包的 BMS 成本比 400V 高约 1/3。成本端，800V 的电池包需要两倍的串联电池，因此需要两倍的电池管理系统(BMS)电压传感通道。根据 Iman Aghabali 等人的测算，400V 电池包的 BMS 总成本约 602 美金，800V 电池包为 818 美金，即 800V 电池包的成本比 400V 高出约 1/3。电压提升对电池包可靠性提出更高要求。对电池包分析表明，一个 4p5s 配置的电池包在 25C 时可以可靠地执行约 1000 次循环，而 2p10s（电压较 4p5s 提升一倍）配置的电池包只能达到 800 次循环。电压提升会降低电池包可靠性主要是因为单个电芯寿命降低（充电功率提升后，电芯充电倍率将由 1C 提升到≥3C，高充电倍率将造成活性物质的损失，影响电池容量和寿命）。在较低电压的电池包中，并联电池更多，可靠性更高。

800V 高压平台线束直径更小，降低成本和重量。800V 电池包与牵引逆变器、快速充电端口和其他高压系统之间传输电力的直流电缆截面积可以减少，从而降低成本和重量。例如特斯拉 Model 3 在电池组和快速充电接口之间使用了 3/0 AWG 铜线。对于 800V 系统，将电缆面积减半至 1 AWG 电缆，每米电缆需要的铜得重量将减少 0.76kg，因此降低几十美元的成本。总结来讲，由于爬电距离较少以及总线和 PCB 周围的电气空隙要求较少，400V 系统的 BMS 成本更低，能量密度和可靠性略高。而 800V 系统的电力电缆更小，快充速率更高。此外，切换到 800V 电池包还可以提高动力系统特别是牵引逆变器的效率，这种效率的提高可以使电池包的体积缩小，这方面节省的成本以及在电缆方面节省的成本可以弥补800V 电池包额外的 BMS 成本。未来随着组件规模化生产以及成本收益成熟的平衡，会有越来越多的电动车采用 800V 总线架构。

2.2.2 动力电池：超级快充将成为趋势

动力电池 PACK 作为新能源汽车的核心能量源，为车辆提供驱动电能，主要由动力电池模块、结构系统、电气系统、热管理系统以及 BMS 五大部分组成:

1) 动力电池模块就像是电池 PACK 的“心脏”储存和释放能量；

2) 机构系统可以看作为电池 PACK 的“骨架”，主要由电池 PACK 的上盖、托盘及各种支架等组成，起支撑、抗机械冲击和防水防尘的作用；

3) 电气系统主要由高压线束、低压线束以及继电器组成，其中高压线束将动力传输到各部件中，低压线束传输检测信号和控制信号；

4) 热管理系统可分为风冷、水冷、液冷和变相材料四种，电池在充放电的过程中产生大量热量，通过热管理系统将热量传导散发出去，是电池处于合理工作温度内提高电池的安全性并延长使用寿命；

5) BMS 主要包含 CMU 和 BMU 两大部分，CMU（Cell Monitor Unit）为单体监控单元， 测量电池的电压、电流和温度等参数，并将数据通过低压线束传送给 BMU （Battery Management Unit，电池管理单元），如果 BMU 评估数据异常将会发出低电量要求或切断充放电通路对电池进行保护，同时 BMU 还会对电池的电量和温度等参数进行判 断，在需要预警情况下将警示发送给整车控制器。

根据前瞻产业研究院数据，从成本拆分来看，新能源汽车动力成本的 50%在于电芯， 电力电子和 PACK 约各占 20%，BMS 与热管理系统占 10%。2020 年全球动力电池 PACK 装机容量为 136.3GWh，较 2019 年增长 18.3%，全球动力电池 PACK 行业市场规模从 2011 年的 39.8 亿美元左右快速增长至 2017 年的 386 亿美元，预计 2023 年全球动力电池 PACK 市场规模将达到 1863 亿美元，2011 年至 2023 年的 CAGR 约为 37.8%，市场空间巨大。2019 年中国动力电池 PACK 市场规模为 522.48 亿元，装机量从 2012 年的 7.85 万套提升至 2019 年的 124.19 万套，CAGR 为 73.7%，2020 年中国动力电池总装机 64GWh，同比增长 2.9%。

动力电池快充技术壁垒高，制约因素复杂。根据 Lithium-ion battery fast charging:A review，影响锂离子电池快充的影响因素来自原子、纳米、Cell、电池包、系统等各个层次，各层次皆包含众多潜在制约因素。据高工锂电，负极高速嵌锂和热管理是快充能力两大关键。1）负极高速嵌锂能力可避免出现析锂、锂枝晶，从而避免电池容量不可逆衰 减和缩短使用寿命。2）电池升温快会产生大量热，容易短路起火，同时电解液也需要较高导电率，并且不与正负极反应，能抗高温、阻燃、防过充。

比亚迪拳头产品之一：刀片电池。在提高功率的时候，大电压/电流将会带来更多的热量， 散热问题将是动力电池厂商需要去优化的重点。比亚迪拳头产品刀片电池采用的是叠片式结构，同时其基于磷酸铁锂材料体系，自身的耐高温属性要强于三元材料。同时刀片电池采用无模组化设计，由电池直接组成并且均匀排布在电池包内，同时也能够提供更好的散热。目前搭载刀片电池的比亚迪汉 EV 补贴后售价 20.98 万，在综合情况下续航里程可达 506km，充电 10 分钟可最大行驶 135km。