车东西（公众号：chedongxi）
作者 ｜ Juice
编辑 ｜ 晓寒
困扰电动车主的补能问题将要被解决了！
对于需要长途出行的电动汽车车主来说，补能问题一直是一个痛，和燃油车的快速补能不同，电动汽车的补能动辄需要一个小时左右。
而今年以来，各个新能源车企都开始推出超级快充来解决这个问题。就在上个月，小鹏汽车推出了旗舰车型小鹏G9，官方表示配上专用的快充桩，车辆只需要5分钟就能补充200公里续航。以小鹏G9 570公里的续航来看，15分钟就可以充满电。
这个充电速度有多夸张呢，这里举一个简单的例子，iQOO 10 Pro可以在10分钟内充满，是目前充电最快的手机，而在安兔兔给出的手机冲电速度榜单中，前五名手机可以在15分钟左右充满。也就是说，小鹏G9的充电速度及时在手机榜单中也可以排到前五名。
而小鹏G9的电池容量为98kWh，大部分手机的电池容量不足5000mAh，其充电速度可见一斑。
与小鹏同处广州的广汽埃安也表示其AION V Plus可以在5分钟内补充112公里续航，未来将会在5分钟内补充207公里续航。
事实上，除了小鹏、埃安，还有多个车企都在致力于超级充电。比亚迪曾表示，其e平台3.0可以实现5分钟补充150公里续航；极狐汽车也表示其最新推出的阿尔法S也可以在10分钟补充200公里续航。
▲车企布局超级快充情况表
从各家车企官方的数据来看，新一代车型基本上可以在20分钟左右充电至80%以上，而小鹏G9几乎在15分钟左右就可以充满电。
这一数据虽然仍比油车要慢一些，但与目前的充电速度相比已经做了很大的提升，可以大大缓解用户的续航焦虑，也能够让电动汽车在更多场景下使用。
此前很多专家学者都认为，补能困难是影响一部分消费者选择电动汽车的关键，而随着这一问题逐步被解决，之后或许将会有更多的消费者选择电动汽车。
那么超级快充到底是怎么一回事儿？背后的技术关键点在哪里？又有哪些车企和电池企业在推进超级快充技术呢？
一、小鹏埃安打响超充之战 多数车企已经参战
上个月小鹏汽车推出了最新的旗舰车型G9，补能速度快成为了该车重要的卖点之一。根据官方的数据显示，小鹏G9可以在5分钟内补充200公里续航。
以570公里续航版本车型为例，小鹏G9在15分钟内就可以充满电，而此前小鹏P7在快充模式下则需要30分钟才可以充电至80%，对比来看，G9的充电速度提升了一倍以上。
而凭借这一性能，小鹏G9也喊出了全球充电最快量产车的口号。
▲小鹏G9
不过，并非只有小鹏汽车开始在充电速度上发力了，海内外多个车企都在积极地推进电动车充电速度的提升。
特斯拉无疑是最早布局的车企之一，目前其峰值充电功率可以接近250kW。
在特斯拉之外，保时捷也是在超级充电方面发力比较早的车企，保时捷首款纯电动车型Taycan上第一个采用了800V架构，充电功率可以达到250kW，当时其充电功率甚至压过了特斯拉。据官方介绍，它的充电功率还可以提升至320kW。
▲保时捷Taycan
国内车企关于超级充电的竞争则更加激烈。
广汽埃安最新推出AION V Plus车型可以在5分钟内补能至112公里，后续将会进一步提升到207公里，从数据上来看已经隐隐可以和小鹏G9掰手腕了。极狐也曾表示其阿尔法S可以在10分钟补能200公里。
此外，部分车企虽然还没有拿出具体的产品，但也都曾展示了自己在充电方面的目标。
比亚迪e平台3.0上推出的一款概念车型ecean-X可以实现充电5分钟续航150公里。这说明，比亚迪e平台3.0上生产的后续车型可能也将会具备非常强的快充能力。
极氪汽车采用了800V架构，支持理论360kW超级充电；岚图汽车表示在800V架构和360kW超充桩的加持下，可实现充电10分钟续航400公里。
▲岚图FREE
虽然目前各家车企的进展并不相同，但无一例外地都将超级充电作为了下一阶段的重点方面，并且还已经找到了可行的技术方案。
那么，超级充电究竟是怎么实现的呢？
二、800V架构是备选 碳化硅元器件是核心
提升车辆的充电速度其实是一件系统性的工程，对车辆的电池、电机、电控等各个方面都有一定的要求，甚至对于充电桩等也有特殊的要求。
下面我们来逐个分析。
首先来看，想要提升车辆的充电速度无非就是提升充电功率，而这主要有两个办法：一是提升充电电压，而是加大充电电流。
目前大多数电动汽车的牵引逆变器都使用了600V的IGBT模块，电池组的电压则限制在400V左右。在这一基础上，如果加大电流就会使车辆的电缆直径增加，导致电缆笨重，同时电流的提升导致系统功率的损耗也会增加，甚至发热也会更加严重。
而如果加入电压，可以使得同一根电缆的充电功率提升一倍以上，因此增加电压成为了目前超级快充最为便捷的方法，800V架构也因此应运而生。
车辆升级到800V架构的关键则在于高压元器件的改变，具体来说就是在主驱逆变器、车载充电系统（OBC）、电源转换系统（车载DC/DC)和非车载充电桩等方面用上碳化硅元器件。
▲400V架构和800V架构对比（图源网络）
现阶段大部分车型上在主驱逆变器、车载充电系统（OBC）、电源转换系统（车载DC/DC)等元器件上采用的都是基于硅基IGBT功率模块。
在目前的400V架构下，硅基IGBT功率模块的最大承压为650V，如果车辆的电气架构提升到800V，考虑到开关电压过载的情况，需要功率半导体最大能够承受到1200V的电压，但在高电压下，硅基IGBT功率模块的损耗急剧上升，会导致车辆成本提升但能效下降的尴尬问题。
而碳化硅SiC由于自身高耐压性、低损耗、高功率密度、高热导率等优势，非常符合800V架构的需求。因此，在800V架构中，需要采用碳化硅SiC元器件来进行替代。
▲碳化硅晶圆
碳化硅SiC元器件除了可以在车辆中应用，在车载充电器、充电桩等方面都适用，可以实现高功率且优化成本的优点。
但这方面的技术一直掌握在海外企业的手中，IGBT方面，第七代IGBT之后的技术主要被英飞凌 、ABB、三菱、富士电机等企业掌握，而英飞凌更是其中的佼佼者，几乎垄断了电动汽车领域的中高端IGBT市场。
而国内在这方面的发展距离国际领先水平还有很大差距。IGBT产品早在上世纪就出现了，第一代工艺复杂且成本高，很快就被第二代产品所替代了，但这一代产品如果需要更高的电压阻断能力时，其损耗与温度也将会明显提升。到了第三代产品则优化了这些缺点，目前在高压领域依然占据主导地位。
现阶段，最广泛使用的IGBT芯片是第四代产品，进一步降低了开关损耗，同时开关软度更高，提升工作结温，第六代产品时第四代产品的优化，进一步降低了损耗；第五代产品则采用了铜替代了铝金属，可以允许更高的工作结温和电流，同时厚度也有减小。2018年，IGBT芯片进入到了第七代，工作结温更高，使用也更加广泛。
国内的IGBT生产技术目前才达到了第四代和第五代，和国际顶尖技术仍然存在一定的差距。
而技术要求度更高的碳化硅SiC元器件也是优先从美国、欧洲、日本等国家开始普及，国内的碳化硅SiC产品无论在技术成熟度上还是市场规模上，都还比较少。
国内车用SiC功率器件供应商主要有三安光电、斯达半导、闻泰科技、基本半导体等企业，但整体上占比还非常少。
虽然目前国内车企都在积极布局800V架构超级快充体系，但在核心原材料方面还主要依赖国外采购，这方面产业链的国产化替代也非常必要。
▲蔚来碳化硅电驱系统
在采用了800V架构后，车辆的电机也需要相应地做一些改变。
在电机的工作过程中，由于电磁感应原理，电机轴两端会形成感应电压，即轴电压。随着工作电压的增高，轴电压也可以能会增高，可能会击穿油膜形成回路出现轴电流，最终导致轴承腐蚀。
因此在采用800V架构后，电机的轴承防腐需要进一步提升。此外，电机内部的绝缘和EMC防护等级也要相应提升。
三、动力电池也需优化 4C倍率才能搞超快充
上面聊到了为实现充电速度的提升，我们需要对电机和电控进行一定的调整，而为了实现超级快充，对于充电过程中最重要的载体——电池，也需要进行一定的调整。
电池的快充主要看电池的充放电倍率，影响充电倍率主要有三个原因：电极材料、充电桩充电功率和动力电池温度。对于电池企业来说，充电桩充电功率是客观因素，电极材料和温度控制则是电池厂可以做出改变的地方。
目前车企的超充充电功率都可以达到350kW，以旗舰车型都采用的100kWh电池为例，大概需要17分钟可以充满，这就需要动力电池具备4C充电能力（指电池在15分钟内充满，3C充电指20分钟内充满，2C与1C依次类推，分别在30分钟和1个小时内充满）。
那么，目前市面上具备快速充电的车型搭载的电池都具备怎样的充电能力呢？
以市面上量产的充电速度最快的车型小鹏G9，其98kWh的动力电池来自中创新航，按照小鹏G9最大480kW的充电功率，只需要12分钟就能充满电，这意味着中创新航提供的动力电池也具备4C以上的充电能力。
特斯拉Model 3标准续航版本的电池容量为60kWh，如果以250kW的峰值充电功率来算，电池也可以在15分钟内充满，也达到了4C的充电能力。
由此来看，具备4C充电能力的电池已经成为必须了。而最近两年来，已经有多家动力电池企业宣布了将会推出具备4C充电能力的动力电池，其大多也是从电极材料和温度控制两个角度来出发的。
蜂巢能源发布的蜂速快充电池对正极材料、负极材料，甚至电解液方面都做出了改变。在正极材料方面采用了柔性包覆技术，基于大数据分析及仿真计算，筛选适配高镍材料体积变化大的柔性包覆材料，抑制循环颗粒粉化，产气降低20％以上。
▲蜂巢能源产品阵营
负极材料采用了液相包覆技术等，在石墨表面包覆无定形碳，降低阻抗，提升锂离子的通道，使其阻抗降低20%。
而电解液则添加了含硫添加剂/锂盐添加剂等低阻抗添加剂体系，降低正负极界面成膜阻抗。
通过这些材料的调整，提升了电池的充电速度。官方数据显示，该电池充电10分钟后，可以行驶400公里。
欣旺达则采用了高电压低钴Ni60正极体系，并采用复合包覆和R元素掺杂技术方案，改善了正极材料的产品性能，使得电池具备了高能量密度和快充性能。其生产的动力电池也具备充电10分钟续航400公里的表现。
孚能科技采用了全极耳、多极耳大软包动力电芯，使得充放电倍率覆盖了2.4C到5C。
▲孚能科技电芯产品
宁德时代主要对动力电池的结构和散热系统做了大幅度的调整，其麒麟电池将电池包中的横纵梁、水冷板和隔热垫集成成了多功能的弹性夹层，将支撑、冷却、隔热、缓冲功能四合一。
同时，宁德时代还对冷却系统做了全新的排布设计，水冷系统位于电芯与电芯之间，紧贴电芯大面，从而使换热面积扩大4倍，电芯控温时间缩短至原来的一半。
▲宁德时代麒麟电池大幅提升充电速度
欣旺达也导入了全新的3D液冷技术，全系产品无热扩散；孚能科技则采用了卧式电芯布置方案，另外通过液冷板和导热片的复合使用，可以使电池系统的散热效率提升4倍。
此外，在低温性能方面，这些电池也都做了一定的提升。正是这些方面的改变，让上述动力电池都具备了超级快充的能力。
四、超充桩必不可少 多家车企积极布局
正如上部分所述，充电桩充电功率也会影响到车辆最终的充电效果，所以建设超级充电桩也必不可少。
想要提升充电桩的功率就必须使用更多的充电模块，以350kW的充电桩来说，需要24个15kW充电模块并联或者12个30kW充电模块并联。
增加充电模块意味着模块间的均流和控制就会变得复杂，充电桩的集成度也会更加复杂，相应的成本也会提升。
以充电桩内部都采用30kW的充电模块来算，公开数据显示，30kW充模块的单个成本为2000元，12个就需要2.4万元，而250kW充电桩只需要9个，成本为1.8万，150kW充电桩只要5个，成本为1万元，而目前最多的直流充电桩的充电功率在50kW以下，其充电模块成本不足4000元。仅充电模块上就能有2万块钱的差价。
而为了实现超级快充，充电桩内部的一些电子元器件也需要采用碳化硅SiC技术，而同等尺寸下碳化硅的价格则是IGBT的3～4倍，这方面的成本提升也不可忽视。
其次，超级充电桩对于电网的冲击也不可忽视。以350kW的充电桩为例，假设一个充电站有6个充电桩，那么全部运行时所需要的电压就为2100kW，而现在多数直流桩功率仅有50kW左右，也以6个桩计算，所需要的电压为300kW，两者相比相差非常大，这将会对配电网络造成一定的压力。
不过，这点可以通过建设储能站来缓解，部分车企如小鹏等在其快充站内都建设的有储能站。
但尽管存在一定的难度，目前也仍有部分车企开始积极布局超充桩了。
特斯拉是最早布局超级充电的车企，目前已经推出了三代超级充电桩，第一代充电桩的功率为90kW，到第二代充电桩时，充电速度已经提升到了120kW，目前正在全面推广的第三代充电桩峰值功率达到250kW。
▲特斯拉V3超充站
据外媒报道，特斯拉正在布局第四代超级充电桩，峰值功率有望达到350kW。
小鹏汽车也在最近发布了S4超充桩。官方介绍，单桩最大功率可达480kW，最大电流达到670A，峰值充电功率400kW，远超过特斯拉V3和保时捷Turbo充电桩。
在发布会上，小鹏汽车直接放出了充电的视频来证明其充电速度。仅在5分钟内，小鹏G9就增加了210公里的续航。
小鹏汽车方面已经从今年第三季度开始了S4超充站的建设，由于其产品和G9的契合度非常高，所以首批站点将会在小鹏G9订单前十名的城市建设，预计今年内将会完成10个城市，100个站点的建设。
▲小鹏S4超快充桩
此外，蔚来、理想、广汽埃安、极狐等企业都在积极布局超级充电桩。
不过，目前第三方充电桩供应商对于超级充电桩的布局并不算积极。万城万充副总经理梁翔飞认为，车企建设超级充电站是为了匹配超级快充车型，可以更好地提升车主的使用体验。但对于运营商而言，在相关车型没有大量普及的情况下，单独投资建立超级充电站，投入和收入很难形成正比，因此建设意愿比较小。
但从当下的趋势来看，超级快充和换电都是电动车补能体系中重要的一环，因此也将会是未来车企和运营商重点的发展方向。
这一方面也势必会出现政策统一的标准，规模将会进一步增大。
结语：超充正在成为标配
随着电动汽车在国内的快速普及，消费者对于电动汽车的接受程度正在不断提升。但目前对于消费者来说，续航焦虑已经转化成为补能焦虑。
为了应对这些问题，车企和电池企业正在多方布局，一部分车企选择了换电的模式以节省补能时间，而另一部分车企则选择了建立超级快充体系来缩短充电时间。
相比于换电的高成本投入和各个玩家的各自为战，超充在成本和推广上则显得更加方便，因此目前多数车企都在这方面发力。
随着入局车企的数量不断增加，超级快充也有望在未来成为标配。
