2022年高功率快充行业发展现状及未来趋势分析 高功率快充引领车桩变革

1. 电池变革：2C 及以上高倍率电池

实现 200kW 级快充需要 2C+电芯，400kW 级快充需要 4C+电芯。400kW 级快充还需在电 池模组层面通过串联实现 800V 电压。总体来说，高电压/大电流快充带来电池系统成本提 高；相同充电功率下，800V 高压的电池系统成本比大电流方案更优。

1.1. 电芯层面：电池材料和结构创新提高充电倍率

电池在充电的过程中，锂离子从正极出发，经过隔膜电解液到达负极，包括了脱出、迁移 和嵌入三个过程。单位时间内迁移和嵌入的锂离子越多，充电的速度越快。通过降低锂离 子迁移过程中的内阻或提高锂离子的嵌入效率能够有效提高电池的充电效率。充电效率可 用 C（充电倍率表示），即充电电流相对电芯额定容量的倍数。例如，2C 充电倍率表示 100kWh 容量电池的充电功率为 200kW，即 0.5 小时即可将 SOC0%-100%。目前大部分电 动车的快充电池倍率为 1C 左右，实现 200kW 级快充需要 2C+电池，400kW 级快充需要 4C+电池。广汽和蜂巢等通过电池材料和结构的创新开发出 2C+高倍率电池。

广汽超倍速电池

广汽埃安超倍速电池首先应用了高孔隙涂覆陶瓷隔膜和轻型低粘度、高功率电解液，降低 电解液离子的迁移阻力，提高迁移速率。第二，在负极采用特有的软碳/硬碳/石墨烯包覆/改 性技术，提高嵌入的速率。第三，通过三维石墨烯新型导电剂，搭建高效的立体导电网络， 提高导电能力。此外，广汽埃安超倍速电池通过大量的材料配方和工艺设计验证，解决石 墨烯材料传统制备的一致性差、成本高、不宜规模化量产的局限性，形成了独创的三维石 墨烯制备技术，实现稳定量产，成本可控。

广汽快充电池共有两个版本：（1）3C 快充电池已搭载在 AION V Plus 上，续航 500km，充 电 10min 实现 SOC30%-80%SOC；（2）6C 快充电池最大充电电压达 900V，最大充电电 流>500A，完成 0%-80%SOC 仅需 8min。

蜂巢蜂速快充电池

2021 年 12 月蜂巢能源发布短刀电池，其中的 L300 产品主打 2.2-4C 快充体系，适配 800V 高端车型，未来通过低镍高锰 5V 尖晶石体系能有效提高安全性同时降低成本。此外，蜂巢 能源为短刀电池提供包括电池包 4C 全气候快充技术、适应 800V 高压平台的高效热管理技 术、冷蜂热阻隔技术、云端安全预警技术等系统性技术及产品创新，保障短刀电池产品的 高安全、高性能及制造的高效率。蜂巢 4C 快充电池充电 10min 可实现 20%-80%SOC，能 量密度为 240Wh/kg，电池容量 149Ah，快充循环>1300 次，有望于 2022Q4 量产。

1.2. 模组层面：多模组串联实现 800V 充电电压

400kW 级采用 800V 电压平台，电池系统除了在电芯层面进行升级外，还需要在模组层面 通过串联实现 800V 电压。一般来说，单个电芯的电压仅 3-4V，400V 的电池需要 100 个以 上电芯串联，800V 的电池则需要约 200 个左右的电芯串联。例如保时捷 Taycan 800V 电 池总电量为 93.4kWh，单个电芯电压为 3.65V，每 12 个电芯以 6s2p（6 个电芯串联成一组， 两组电芯并联，共 12 个电芯）的形式组成一个模组，模组电压为 22V；再由 33 个模组串 联，放臵在两层：上层包含 3 个模组，下层包含 30 个模组。800A 保险丝串联在 18 号模组 和 19 号模组之间。在发生短路电流的情况下，将会中断高压蓄电池的供电，以保证电池安 全。

1.3. 系统层面：成本提高，高压方案比大电流方案成本更优

根据华为测算，与 400V/250A 相比，400V/500A 和 800V/250A 的电池系统成本（充电功 率均为 200kW）增加分别带来整车成本增加约 3%和 2%。与 800V/250A 相比， 400V/500A 在相同功率下，电池模组成本和 BMS 成本持平，由于电流更小，电池系统散热 更少，热管理难度降低，同时线径更小、成本也更低。总体来说，高电压/大电流快充带来 电池系统成本提高；相同充电功率下，800V 高压的电池系统成本比大电流方案更优。

图：相同充电功率下，800V 高压的电池系统成本比大电流方案更优

2. 高压架构变革： 400kW 级快充需要 800V 高压架构

800V 高压架构下，相比 400V 电机，800V 电机的轴承防腐蚀和绝缘性要求提升；随着电机 功率提升，主机厂纷纷布局扁线+油冷电机；电控采用耐高压的 SiC 功率半导体，带来器件 热损耗大幅降低（50%+），整车续航提升约 5%；为兼容 400V 快充桩，800V 架构须配备 升压装臵，目前主要有升压 DCDC 和复用电驱系统两种方案。

2.1. 多电压平台有望成为短期主流选择

目前 800V 高压架构主要有三种实现方案：

（1）全栈高压 。电池包、电机以及充电接口均达到 800V，车中只有 800V 和 12V 两种电压级别的器件， OBC、空调压缩机、DCDC 以及 PTC 均重新适配以满足 800V 高电压平台。该架构不仅对 电池系统安全要求很高，而且需要车上主要高压部件的功率器件全部由 Si 基 IGBT 替换成 SiC MOSFET，短期成本较高。

（2）电池串并联。 采用两个 400V 的电池组，通过高压配电盒的设计进行组合使用。大功率快充时，两个电池 组可串联成 800V 平台；在汽车运行时，两个电池组并联成 400V 平台，该方案的优势在于 不需要 OBC、空调压缩机、DC/DC 以及 PTC 等部件在短时间内重新适配，成本相对较低。 但由于两个电池组可能有不同的阻抗和温度条件，从而导致充电状态不平衡，因此该架构 需要较为复杂的电池管理系统和电子技术将电池组在串联、并联之间转换。

（3）多电压平台。整车搭载一个 800V 电池组，通过在电池组和其他高压部件之间增加 DCDC 转换器将 800V 电压降至 400V，车上其他高压部件均采用 400V 电压平台；此外，为兼容 400V 充电桩， 采用升压装臵将 400V 充电电压提升至 800V。以保时捷 Taycan 为例，Taycan 搭载了 800V、400V、48V、12V 共四个电压平台，并且配备多个 DCDC 转换器将 800V 电压转换 成其余低电压。另外，为兼容 400V 充电桩，保时捷采用升压 Boost 将 400V DC 转换为 800V DC 用于充电。

保时捷 Taycan 的高压架构对于当前高电压平台车型具有借鉴意义，当前配套 800V 电压平 台车型的基础设施尚未完全普及，短期量产的高电压平台车型通常会选择搭配多个电压平 台以匹配现有零部件供应链和充电设施。我们预计 2023 年前多电压平台方案将成为主流， 2023 年后，随着高压部件成本下降，全栈高压将成为趋势。

2.2. 高压架构变革之电驱动：电机和电控升级

相比 400V 电机，800V 电机的轴承防腐蚀和绝缘性能需要提升。同时，随着电机功率的提 高，主机厂纷纷选择 800V 电机配合扁线+油冷的方案以提高电机效率。此外，800V 电控 采用 SiC 功率半导体，提高耐压等级的同时降低器件损耗（50%+）、提升续航里程（5%）。

电机：轴承防腐蚀和绝缘要求提高

800V 高压对电机的轴承防腐蚀和绝缘等提出更高的要求。在电机运行时，转轴两端之间或 轴与轴承之间产生的电位差称为轴电压，若轴两端通过电机机座等构成回路，轴电压则形 成轴电流。正常情况下轴电压较低，当轴电压较高时容易击穿油膜，形成轴电流，导致轴 承腐蚀。此外，800V 电机还面临局部放电的挑战。局部放电指在定子绝缘系统中，电压应 力超过临界值时导体之间绝缘的瞬时击穿。因此，轴承防腐蚀和增强绝缘性能是电机设计 以及材料选择的关键。

例如，华为 800V 电机应用了高等级的绝缘系统一对一认证、专利轴承导流防击穿结构等多 项核心创新技术解决上述难题，其中，“富兰克林”引流技术可将轴承上的近 60V-80V 电压 的电流导出，较好的解决了其对轴承之间润滑膜耐压性能的冲击，从而大幅降低轴承失效 的风险。

电机：扁线+油冷势头明显

400V 架构下，由于永磁电机在大电流高转速下容易发热退磁，难以大幅提升电机功率； 800V 架构下，在不提升电流的情况下电机功率也能够相应提高，例如，保时捷 Taycan 双 永磁电机最大功率达到 560kW，最高车速可以达到 260km/h。随着高压架构下电机功率的 提升，大部分主机厂选择采用扁线+油冷的方案以提高电机功率密度和效率。

扁线即采用扁平铜包线绕组定子。与普通圆线电机相比，其优点包括：

1）更高的槽满率：相比传统圆线电机，裸铜槽满率可提升 20%-30%，有效降低绕组电阻 进而降低铜损耗；与圆线电机绕组相比，扁线电机端部总高度缩短 5-10mm，可有效降低端 部绕组铜耗。槽满率提高+端部尺寸缩短，带来电机最高效率对应的转速范围和扭矩范围更 大：在 WLTC 工况下和全域平均情况下，扁线电机效率较传统圆线电机分别高 1.12%和2.02%。

图：扁线电机槽满率高于圆线电机

2）更高的功率密度：相同功率下，由于扁线占用空间更小，可以减小电机外径和体积，提 升电机的功率密度。目前，国内采用扁线绕组的电机最高功率密度达到 5kW/kg，而普通圆 线电机的功率密度最高仅能做到 3kw/kg。

3）更好的 NVH 表现：扁线结构绕组有更好的刚度，同时扁线绕组通过铁芯端部插线，电 磁设计上可以选择更小的槽口设计，有效降低齿槽转矩脉动。相较于圆线电机，扁线电机 NV 下降 12%，电机齿槽转矩减少 81%。

4）散热性能更好：与圆线相比，扁线形状更规则，在定子槽内紧密贴合，热传导效率更高， 提升电机峰值和持续性能，温升相对圆线电机降低约 10%。

电机冷却方面，由于油具备沸点高、凝点低、能够直接冷却等优势，冷却效率比水冷更佳。 油冷相对于水冷的优势在于绝缘性能良好、机油沸点比水高、凝点比水低，使冷却液在低 温下不易结冰、高温下不易沸腾；同时油冷方式有利于电机与变速箱的集成，油本身因为 局部不导磁和不导电的特性，对电机磁路无影响，能够作为直接冷却的介质。

电控：SiC 功率半导体

800V 高压架构下，电控的功率半导体须从 Si 基 IGBT 切换成耐高压的 SiC MOSFET。传 统 Si 基 IGBT 通常适应的高压平台在 600-700V 左右，如果直流母线电压提升到 800V 以上， 那么对应的功率半导体耐压则需要提高到 1200V 左右。 SiC 由于其高耐压的特性，在 1200V 的耐压下阻抗远低于 Si，对应的导通损耗会相应降低；同时，由于 SiC 可以在 1200V 耐压下选择 MOSFET 封装，可以大幅降低开关损耗，从而大幅提高功率器件的效率。

例如，保时捷 Taycan 使用 SiC 功率器件，降低热损耗约 60%；现代 E-GMP 平台的后轴驱 动电机和逆变器均使用 SiC 功率半导体模块，使系统效率提升 2-3%，整车续航能力提升约 5%。据比亚迪公众号，汉 EV 采用碳化硅电控模块，将电控系统的过流能力提升 58%，使得零百公里加速最快达到 3.9 秒。

800V 高压架构下，驱动系统向扁线+油冷+SiC 功率器件升级。例如，现代 E-GMP 平台的 PE 电驱系统应用扁线+油冷+SiC 功率器件，同时采用电机、电控和减速器三合一设计，电 机的最高转速较现代的上一代电机产品提升了 30-70%，减速比增加了 33%。大众 PPE 平 台电机系统采用扁线+油冷+SiC 功率器件，比奥迪 etron（油改电）尺寸减少 30%，重量减 少 20%，电机尺寸减少 35%，降低能耗损失约 50%。PPE 驱动系统搭载在整车上可实现 功率提升 33%，价格减少 15%，能耗减少 30%。

2.3. 高压架构变革之车载电源：耐高压功率器件+升压装臵

800V 高压架构下，以 DCDC 和 OBC为核心的车载电源也需要采用 SiC功率器件以提高耐 压等级。DCDC 变换器能够将动力电池输出的高压直流电转换为 12V、24V、48V 等低压直 流电，为仪表盘、车灯、音响等车载低压用电设备和各类控制器提供电能。OBC（车载充 电机）是指安装在电动车上的充电设备，其功能是通过电池管理系统的控制信号，将交流 电转换为直流电从而对动力电池进行充电。DCDC 和 OBC 的主要构成均为功率器件，在 800V 高压架构下应用 SiC 器件可提高耐压等级，同时降低损耗、提高功率密度。根据 Wolfspeed，OBC 采用 SiC 器件，与 Si 基器件相比，损耗降低 30%，功率密度可提升 50%。SiC 功率器件应用在 DCDC 也带来器件的耐高压、低损耗和轻量化。

为兼容现有的 400V 直流快充桩，800V 架构须配备升压装臵将 400V 直流电升压至 800V 向电池组充电，目前有升压 DCDC 和复用电驱系统两种方案。保时捷 Taycan 采用升压 DCDC 方案， 800V 直流电可直接通过 PDU（高压配电箱）充入动力电池，实现 270kW 的 充电功率；400V 直流电则需要通过升压 DCDC 转换为 800V 直流电流，实现 150kW 级的 充电功率。现代 E-GMP 平台和比亚迪 e 平台 3.0 同样支持 400V 和 800V 两种充电电压， 但不同于保时捷采用升压 DCDC，而是采用复用电驱系统升压的方案。E-GMP 平台通过后 轴驱动电机和升压逆变器将 400V 升压为 800V。比亚迪 e 平台 3.0 利用停止的电机定子绕 组充当电感，将电驱系统的三相 IGBT 或 SiC、续流二极管等重要器件反向复用，组成升压 充电拓扑，实现将充电桩的 500V 电压升到 750V。复用电驱系统升压的优势在于不需要额 外的零部件和散热回路，节省成本和体积。

3. 充电桩变革：车企提前布局高功率桩

目前我国公共充电桩中低功率充电桩占比较大，2020M5-2021M5，我国新建设的公共充电 桩中，180kW 及以上的占比仅 7.6%。我国有望于 2025 年在部分城市实现 2-3C 公共充电 桩的初步覆盖。高功率桩的散热要求和成本提高，目前特斯拉、北汽极狐、广汽等车企已 提前布局 200kW 级快充桩，预计未来更多主机厂将自主布局快充桩。

3.1. 目前公共充电桩以低功率为主

目前我国公共充电桩中低功率充电桩占比较大。根据中国电动汽车充电基础设施促进联盟 的统计数据，2020 年 5 月-2021 年 5 月期间，我国新建设的公共充电桩中，功率为 180kW 及以上的充电桩占比仅达到 7.6%（选择 180kW 及以上功率充电桩的用户占比超 11%）；国 家电网是国内最大的充电桩公开招标企业，2021 年招标的充电桩中，功率为 160kW、 240kW 和 480kW 的占比分别为 59%、6%和 6%。

我国有望于 2025 年在部分城市实现 2-3C 公共充电桩的初步覆盖。根据中国汽车工程学会 发布的《中国电动车充电基础设施发展战略与路线图研究（2021-2035）》，我国将于 2025 年实现 2-3C 的充电桩在重点区域的城市和城际公共充电设施的初步覆盖；于 2030 年实现 3C 及以上公共快充网络在城乡区域与高速公路的基本覆盖；在于 2035 年实现 3C 及以上 快充在各应用场景下的全面覆盖。充电标准方面，中国电力企业联合会正在加紧制定ChaoJi 标准，有望于 2022 年落地，该标准下最大电压 1000V，最大电流 500A。

3.2. 车企自主布局高功率桩

高功率桩对散热技术要求较高，通常需要采用液冷技术，相比低功率桩推广成本更高，预 计未来将以主机厂自建（或由第三方代工）的模式为主，目前特斯拉、北汽极狐、广汽等 车企已提前布局 200kW 级快充桩。特斯拉 V3 充电桩应用了其液冷式充电连接器专利技术， 最大充电电流超过 600A，最大功率为 250kW。广汽使用液冷式充电系统，最大电压 1000V，最大电流 600A，实现 480kW 的充电功率；采用 1 拖 N模式，即 1 个 480kW 超充 桩配合 N 个 180kW 充电桩，智能调度电网资源，实现高效补给。2021 年 8 月极氪发布子 品牌“极能”，采用液冷技术，其液冷枪线比普通国标枪线重量降低 35%，同时支持 360kW 充电功率。

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