新能源汽車換電及大功率充電行業專題:壓力之下,喜樂自知

文章來源:廣發證券&未來智庫

充換電現在的主流趨勢正在快速步入大功率快充路徑,在很多方面都在進行深刻改變,今天就來盤點一下。

一、提升電動車補能效率:換電及大功率充電

換電及大功率充電有望提升電動車補能效率。2020年新能源汽車占汽車銷售總量5.4%,2021年占比13.4%,2022年1-6月占比21.56%。新能源汽車步入快速發展階段。截至2021年年底我國新能源汽車保有量784萬輛(公安部數據),充電樁保有量達到261.7萬臺(中國電動汽車充電基礎設施促進聯盟EVCIPA數據),車樁比3:1。根據EVCIPA發布的《2021中國電動汽車用戶充電行為白皮書》統計,由于目前充電樁一樁難求,等待時間長且難以預測,并且快充樁暫時無法實現充電全過程的高功率覆蓋,實際中充50%電的時間往往遠大于半小時,影響用戶補能效率。解決方法除了增設充電樁外,還需提升補能速度。我們認為換電和大功率充電是兩種有效解決路徑,新能源汽車廠家為提升用戶使用體驗,紛紛布局公共換電及大功率充電設施。

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(一)新能源汽車與充電樁的比例為 3:1

新能源汽車市場高速發展。2021年中國新能源汽車銷售352.1萬輛,同比 +157.57%,2022年1-6月新能源汽車銷售260萬輛,同比+115.6%。新能源汽車產 業發展規劃(2021-2035年)指出要深入實施發展新能源汽車國家戰略,以融合創 新為重點,突破關鍵核心技術,推動我國新能源汽車產業高質量可持續發展,加快 建設汽車強國。2022年3月國家發改委、國家能源局印發的《“十四五”現代能源 體系規劃》中提到,至2025年,新能源汽車銷量占比達到20%左右。2020年新能源 汽車占汽車銷售總量的5.4%,2021年占比13.4%,2022年1-6月占比21.56%。新能 源汽車步入快速發展階段。

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充電補能面臨一樁難求的困局。根據中國電動汽車充電基礎設施促進聯盟 (EVCIPA)數據,截至2021年底全國充電樁保有量達到261.7萬臺,同比增長50% 以上。其中公共充電樁114.7萬臺,同比+42%,私人充電樁47萬臺,同比+68%, 充電站建設快速推進。根據公安部數據,截至2021年年底我國新能源汽車保有量784萬輛,而充電樁保有量僅為261.7萬臺,車樁比約3:1,距離車樁比1:1仍然有不小差 距。國家發改委、國家能源局在《關于進一步提升電動汽車充電基礎設施服務保障 能力的實施意見》中指出充電基礎設施體系要“適度超前、布局均衡、智能高效”, 到“十四五”末,能夠滿足超2000萬輛電動汽車充電需求。EVCIPA預測,2022年 將新增190萬臺車隨車配建充電樁,隨車配建充電樁保有量達到337萬臺,新增公共 充電樁54.3萬臺。
(二)核心痛點在于補能慢:充電 50%時間遠大于半小時
充電慢是補能核心痛點。目前的充電方式主要有交流慢充和直流快充。交流慢 充充電設備內不配備功率轉換器,充電時間在6-8小時左右。慢充雖然一定程度降低 電池損耗,但是超長的充電時間與營運車和商用車的重時間特性相矛盾,因此多用 于私家充電樁場景。目前多數的公共充電樁已采用快充模式,直流充電樁內置功率 轉換模塊。根據EVCIPA發布的《2021中國電動汽車用戶充電行為白皮書》統計, 快充樁是99.3%的用戶首選,超87%用戶傾向選擇120kW及以上大功率充電樁。但 是由于目前充電樁一樁難求,等待時間長且難以預測,并且快充樁無法實現充電全 過程的高功率覆蓋,實際中充50%電的時間往往遠大于半小時。而正常情況下,一 輛汽油車的補能時間約為5分鐘,對比之下,用戶補能效率有所影響。解決方法除了 增設充電樁外,充電速度也需要得到質的提升。目前針對充電慢有兩種解決路徑:換電和大功率充電。
二、實現大功率充電:大電流和高電壓
(一)大電流超充面臨散熱挑戰,高電壓需車端樁端略有改動
充電樁P(充電功率)=I(電流)×U(電壓),要減少充電時間,提升充電功 率,只需保障電壓和電流其中一項不變,增加另一項即可。由此實現大功率超充有 兩種路線:大電流和高電壓。在衡量電池充電快慢時,常使用充電倍率(C)表示,指電池在規定時間充電至 其額定容量時所需要的電流值,數值上等于額定容量的倍數,即充電倍率(C)=充 電電流/電池額定容量。例如3C代表在給定電流強度下,1小時充電300%,即20分 鐘充電100%。電池的負荷則使用SOC衡量,數值上定義為剩余容量占電池容量的比 值,當SOC=0時表示電池放電完全,當SOC=1時表示電池完全充滿。大電流超充面臨散熱挑戰。特斯拉、極氪等采用的都是400V+大電流模式實現 超充,即保持電壓不變,通過增加電流提升充電效率。在此模式下,電流提升1倍, 散熱增加4倍,大電流使得電路部件容易產生較高熱損失,為熱管理系統帶來較大負 擔。特斯拉V3使用水冷散熱,極氪極充樁則裝備全系統液冷散熱技術。大電流高功率充電并不能實現充電過程全覆蓋。根據42號車庫測試的特斯拉V3 結果,其僅能在10%~30%左右的SOC情況下實現200kW以上的充電功率,超過30% 后直線下滑。

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高電壓的實現相較大電流更為容易。800V平臺系統保持電流不變,電壓加倍, 實現兩倍能量輸入車輛,充電速度更快。相較于大電流,高電壓架構電流更少,電纜和電線可以做得更小更輕;同時,高電壓模式下熱量損失更少,也不需要復雜的 熱管理系統為電池提供最佳溫度,性能和續航里程都將改善。在車端若按照高壓架 構平臺,電動車的電池包、電驅動、空調等均需重新適配;樁端的改造只需把原本 低壓的部分換成耐高壓模塊,整體改動較少,成本相對可控??傮w來看,電動車800V 平臺是目前車企實現超充的主流選擇。
(二)新勢力推出 800-1000V 高壓平臺車型
1、小鵬G9:800V高壓SiC平臺+480kW快充樁
電驅、散熱、電池及落地情況:2021年11月小鵬G9在廣州車展首次亮相,具有 X-EEA3.0電子電氣架構,搭載XPower 3.0動力系統,益于高壓SiC技術、電機磁場 及減速器優化,電驅系統最高效率可達95%以上,G9可以支持最高480kW的超級快 充。同等電池容量下,續航相比400V平臺車型提升5%以上。該車采用充電槍液冷 散熱技術,IP65級密封等級與內置安全監測芯片可共同保障安全。小鵬G9新車將搭 載容量為98kWh的三元鋰電池,提供兩種版本續航,CLTC工況續航分別為702km 和650km。超充樁與超充網絡:據小鵬超級補能發布會,截至2022年8月15日,小鵬自營 超充站上線799座,目的地充電站上線201座,覆蓋全國所有地級行政區。公司將在 2022年下半年開啟全新一代超級充電樁布局,逐步構建800V/480kW超充網絡。480kW高壓超充樁的充電槍采用液冷散熱技術,通流能力可達670A+,5分鐘可充 200公里,12分鐘可從10%充到80%。小鵬全新一代超級充電樁落地并實現大規模 布局后,充電速度與加油幾乎相近,用戶體驗得到大幅度改善。
2、廣汽埃安:800V高壓平臺+6C充電倍率+480kW超充樁
電池系統包含3C、6C兩個版本:據2021年4月廣汽科技日,廣汽集團展示其超 級快充電池技術,分為3C和6C兩個版本電池系統。①3C超級快充電池系統:續航 超過500km,0%-80%電量充電時間16分鐘,30%-80%電量充電時間10分鐘,采用 新型液冷系統,散熱效率提升1倍。②6C超級快充電池系統:最大電壓可達900V, 最大充電電流超過500A,可實現0%-80%電量充電時間8分鐘,30%-80%電量充電 時間5分鐘,車輛常溫6C快充循環可達100萬公里。
高壓電驅動系統:埃安在高壓電驅動系統中采用了基于多層扁銅線繞組電機技 術、多媒介電機冷卻結構、高速旋轉元件的壽命與可靠性研究、高功率密度新型繞 組結構電機單元等技術,采用廣汽高速高功率密度電機設計方法,突破了高速電機 設計瓶頸。

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超充車型及落地:廣汽2021年9月推出的AION V Plus70,采用3C高倍率快充 技術,搭載400V常規電壓平臺,峰值充電功率超過200kW,30%-80%充電時間為 10分鐘。AION V Plus 6C車型配備最高900V電壓平臺,搭載超倍速電池,實現6C 超級快充,具有702km超長續航,搭載埃安自主研發的高效高壓電驅動總成,該總 成采SiC技術應用、E-Drive智能控制算法、X-Pin電機技術和NVH等優化技術。
超充樁及超充網絡:廣汽埃安A480超充樁,通過先進液冷技術,嚴格控制發熱, 實現480kW充電功率(峰值1000V/600A),可根據電池BMS、電網和充電環境通 過云端智能調度搭配柔性充電,搶線采用輕量化液冷線纜,更靈活輕便。2022年4 月,廣汽埃安位于廣州南大干線的首個超級充換電中心正式落成,其中配備A480超 充樁,廣汽埃安計劃2022年內在廣州市轄區內建成220座充電站,到2025年增加至 1000座,實現1.5km半徑覆蓋。廣汽埃安計劃未來將超級充電站拓展到全國約300 個城市,基本實現對地級及以上城市的全覆蓋。
3、嵐圖800V高壓平臺+4C電芯+360kW超充樁
800V高壓及超級快充技術:據東風汽車2021年9月品牌秋季發布會,嵐圖汽車 現場展示自研800V高電壓平臺及超級快充技術。嵐圖800V高壓超充技術系統的動力 電池和電力設備均為800V,包括超級快充系統、超低系統能耗、高性能電池、SiC 電驅總成等部分,無冗余升壓裝置并支持無線充電。整車高性能電池搭載4C電芯, 在360kW超級充電樁的加持下,可做到充電10分鐘,續航400公里充電速率可提升 125%。同時,該系統憑借 SiC電驅三合一應用技術,實現同電量下續航5%的提升。該技術還支持800V 11kW無線快充,充電效率高達92.3%。
4、理想:計劃于2023年推出Whale和Shark兩個純電平臺
據理想汽車2020Q3財報會議,在400kW快充技術成熟前,理想汽車不會推出純 電車型。理想汽車目前在研發高壓快充技術,計劃純電平臺和高壓純電動車型同年推出。據2022中國電動汽車百人會論壇,理想汽車提到480kW超充平臺+850V高壓 平臺+4C電池以及車-樁-云閉環服務網絡。理想汽車計劃到2025年在全國建成超過 3000個超級快充站,形成“十縱十橫”高速公路快充網絡,接入36條國家級高速公 路,實現90%高速公路里程覆蓋。計劃于2023年推出Whale和Shark兩個純電平臺。
三、海外大功率充電樁發展快于中國
目前中國各家800V高壓平臺車型量產仍未落地,配套的大功率超充樁網絡還處 在建設過程中。對比來看,海外Ionity和Electrify America已經分別在歐洲和北美鋪 開。
(一)歐洲 Ionity2025 年實現 350kW 大功率充電樁 7000 個
Ionity成立于2017年,是歐洲的一家超充網絡運營商,起初由寶馬、福特、奔馳 等合資,之后現代和起亞加入。Ionity的成立源于歐洲本地充電運營商較少,迫使車 企建立自己的充電網。在Ionity之前只有特斯拉完善快充網絡建設,其超充樁為用戶 專享。2018年4月Ionity的首個超快速充電站啟用,其充電樁通過聯合充電系統(CCS) 進行充電,充電功率可達到350kW。隨著超充網絡的不斷布局,Ionity已經擁有多個800V、350kW的高速公路充電 站,在350kW的充電樁上充電5~7分鐘可續航100公里。截至2021年11月,Ionity網 覆蓋歐洲24個國家和地區, 有386個充電站點和1538根充電樁。2021年11月Ionity 宣布其現有股東和新進的第一個非車企股東貝萊德將向其投資7億歐元,該筆投資致 力擴充Ionity在歐洲的充電網絡,目標到2025年實現350kW大功率充電樁的數量增加 三倍多,達到7000個。
(二)Electrify America 計劃到 2026 年安裝 1 萬個 DC 快充樁
EA由大眾在2017年成立,大眾在柴油門事件后計劃在10年內通過對EA在電動 汽車基礎設施和意識教育方面投資20億美元,作為與EPA和解的一部分。在10年間, EA的網絡須向其他車企保持中立,站點配備CCS(150kW和350kW)和CHAdeMO (50kW)兩種充電接口。2018年EA在美國加州建成首個充電功率為350kW的超快 速充電站, 充電10分鐘續航約200英里。充電樁組件包括9個CCS插頭和一個 CCS-CHAdeMO充電插頭,其中大多數充電插頭的充電功率已達150 kW,有兩個 CCS插頭可以進行超快速充電,功率達350kW。美國能源部數據顯示,截至2022年6月EA在美國和加拿大共有807個充電站, 充電樁數量超過了3500根。2022年6月,大眾宣布與德國工業巨頭西門子合作,大眾將EA少數股權出售給西門子,EA預計獲得4.5億美元注資。本次對EA的投資加碼, 是為發展北美地區充電和能源業務,實現北美地區充電基礎設施增加1倍以上。EA 計劃到2026年在美國和加拿大安裝超1800個充電站,并且包含1萬個DC快速充電樁。

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四、密集大功率充電樁的建設或對國內配電網帶來壓力
國內800V超充相較國外發展較慢,一方面是從400V到800V的升級過程需要零 部件和元器件的全面升級,另一方面由于配電網短期內無法負擔密集的超充建設。電動汽車缺乏采用互動充電模式的動力,總體上表現出無序充電特性。電動車 的無序充電行為往往與電網日常負荷曲線高度重合,充電負荷和配電網原始負荷早 晚疊加形成負荷雙高峰。相較普通充電樁,大功率充電樁造成的負荷峰值進一步增 加、峰谷差進一步加??;電壓偏移問題更加明顯,諧波污染依舊存在。
(一)用電負荷峰值增加,峰谷差加劇
各類充電基礎設施在用戶行為特性和設施用電特性上都有顯著差異。用戶行為 特性的差異主要體現在:充電時間分布和充電速率等方面;設施用電特性差異主要 體現在:用電可引導性、容量需求、電壓等級和負荷特性等方面。集中式專用充電 站和城際快充站接入10kV電壓等級;而城市公共基礎設施和分散式專用充電樁接入 0.4kV電壓等級,同時其充電負荷容易與周圍商區或居民區正常用電負荷時間段重合, 疊加增峰。
負荷峰值增加。電動車的無序充電行為往往與電網日常負荷曲線高度重合,充 電負荷和配電網原始負荷早晚疊加形成負荷雙高峰。據國網能源研究院及NRDC聯 合發布的《電動汽車發展對配電網影響及效益分析》,在無序充電情形下,預計到 2030年,國家電網公司經營區域峰值負荷將增加1.53億千瓦大功率。充電真正的服 務對象更加偏向私人消費者,運行商布點充電設施時,更多考慮的是市場訴求而非 電網狀況,因而大功率的充電樁將會更多布局在居民區、辦公區、工業區和消費區 等高需求地區,充電負荷更容易與這些地區正常用電高峰時段疊加,沖擊工商居民 等用電穩定性。
(二)輸電堵塞造成電壓偏離、電壓越限等問題
若電網中的負荷峰值超出配電系統額定容量,將會導致變壓器和線路過載運行, 即電氣設備或導線的功率或電流值超過其額定值。在電氣線路中,短時間的少量過 載運行是被允許的,但是長時間的過載運行,線路電流過大,導線溫度不斷升高, 電氣回路內的絕緣材料、導體接頭等也會因升溫而造成損害,嚴重的過載負荷在短 時間內可能直接短路甚至引發火災。充電樁充電的瞬間,電網的瞬時功率很大,電壓偏移會加大,甚至超過限定值, 產生電壓越限。電壓偏移是衡量電能質量的重要指標。供電系統的負荷在不斷發生 變化,各系統節點電壓也會隨之起伏,偏離額定電壓,發生電壓偏移。電壓偏移即 為電力系統正常運行時,某個節點的實際電壓與額定電壓的差值占額定電壓的比例。配網中的不同負荷都要在允許的額定電壓范圍內運行。電壓偏移會干擾感應電動機 的正常運作。國家標準GB12325-2008《電能質量供電電壓偏差》中對系統的供電 電壓偏移標準進行了詳細的設定。根據標準規定,20kV及以下三相供電電壓允許偏 差的范圍是額定電壓的±7%(0.93pu到1.07pu之間)。據《電動汽車充電負荷時空 分布及其對配電網的影響》,電動汽車滲透率為50%時,多個節點電壓可能降至最低偏移標準0.93pu以下,或影響配電網的運行安全。

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按照IEC標準設計的電動機,額定電壓和實際電壓的差值為±5%以內時,可以 正常輸出額定功率。當電壓發生較大偏移時,若電壓降到臨界值以下,電動機難以 啟動或產生堵轉將燒毀電機;若電壓上升到臨界值以上,電動機將過熱,降低使用 壽命。在用電高峰時,負荷增多,電路中總電阻減小,干路電流增大,由于輸電線 本身具有電阻,輸電線上的電壓損失增大,負荷端得到的電壓降低。反之,在低谷 時,電壓較高。電壓偏移影響變壓器空載損耗(鐵損)和電阻損耗(銅損)。變壓 器電壓高于額定值時,變壓器鐵心進入飽和區,勵磁電流劇增,變壓器鐵損明顯增 大,銅損降低。通常10kV變壓器損耗占全網線損70%,變壓器損耗中的70%-80%又 為鐵損。變壓器鐵損降低,則銅損會增加,因此會有電壓的經濟運行范圍。電容器 的功率流量和壽命也會受到電壓偏移影響。比較常見的情況是,電壓過高時,電容 器會因保護動作而退出運行,電網損耗進一步增大。
(三)充電為非線性負荷帶來諧波污染
電動汽車蓄電池充電屬非線性負荷,工作電流和電壓不成正比,在充電過程中 容易產生諧波,帶來諧波污染。諧波會影響繼電保護系統的穩定性。在成熟的電力 網絡中,靈敏準確的保護系統能夠在發生故障時及時切斷,保障網絡的安全運行。在繼電保護系統中,主要進行測量電壓和電流的幅度和波形的是繼電器,低諧波含 量對繼電器影響較小,諧波含量40%及以上時,繼電器會因接收到的錯誤信息而產 生誤動,輕則影響其服務區域,重則波及整個網絡,致使癱瘓。諧波會干擾配網中電力設備的正常運行。一般廠家在設計電氣和用電設備時, 會考慮到在一定諧波環境下運行,但諧波含量過大會引起正常工作點的偏移,造成 設備損壞。整個配電網絡之中,最重要的是變配電設備。當諧波電流經過變壓器繞 組時,會帶來額外銅耗,部分破損處過熱,整個配電變壓器振動。同時,變壓器開 閘瞬間會產生大量勵磁涌流,雖然變壓器設計之初會考慮該問題,但當諧波含量很 高時,變壓器會發生諧振,威脅變壓器穩定。諧波會干擾測量精度。電網中的測量 工具可分為電磁型、感應型和磁電型,其中磁電型對諧波感應靈敏,易受諧波影響, 而電表多采用的是磁電型,大量的諧波干擾容易造成電表數據失真。充電樁接入數量的增加可使諧波含量有所下降,進而減小變壓器損耗,從而提 高電能利用效率??焖俪潆姌秲炔亢姓餮b置,其作用是將交流電轉換為直流電, 為電動汽車的車載蓄電池充電,充電樁產生諧波的根源便是其中的整流裝置,使用 800V超充情況下,諧波污染依舊存在。
五、換電模式有效解決電網容量問題,降低車端成本
換電和大功率充電的核心目的都是使電動汽車能源補給體驗無限趨近燃油供給, 目前制約換電大規模推廣的原因在于換電標準難統一、投資成本大。僅建設超充站 的成本一般會比換電站稍低,但在現有電力容量不足情形下,達到超充站理想功率 需配置儲能,隨充電向高功率方向發展,充電站整體建設也逐漸重資產化,超充+ 儲能成本或超過換電。
(一)單個大功率充電站投資達百萬級
充電樁可分為交流充電樁和直流充電樁。交流充電樁是慢充樁,交流電進,交流電出,受車載充電機功率限制,一般功率較小,多是3.3kW以及7kW,價格較低。直流充電樁,即常說的快充樁,通過內部AC-DC充電模塊,將交流電轉換成直流, 為電動汽車的動力電池進行充電,功率通常在30kW以上,價格較高。直流充電樁內 部電氣結構包括:充電模塊、主控制器、絕緣檢測模塊等,800V高壓快充則是通過 直流充電模式實現補能。

新能源汽車換電及大功率充電行業專題:壓力之下,喜樂自知

單電壓提高,充電樁內部結構無需升級?,F有多數的快充是依托400V電壓平臺, 如果僅是單電壓提高,現有的充電樁和技術就可以達到,隨著車型的發展,充電模 塊的電壓平臺現在最寬已經可以做到250-1000V全兼容電壓平臺,內部結構不需要 進行較多的升級。
實現大功率超充需改變充電樁構造。從傳統充電樁到實現800V、1000V以及 500kW以上的大功率充電樁,電樁內部結構發生較大變動。①目前主流充電樁多為 一體機,高電壓大功率平臺需要分體機。一體式充電樁優點在于將充電柜、充電樁 和配電系統高度集成,安裝便捷,占用空間小,成本低,缺點在于其模塊只能自身 使用,不能夠共享給場站內的其他終端,后期功率升級的空間較小。分體式充電樁 供電模塊、控制模塊和充電接口分體設置,復雜場地適應性強,安全性高,可靈活配置充電接口和充電模式。超充樁在電壓和功率升級之后,模塊太多,出現散熱、 線束分布等問題,大功率充電對散熱要求也會更高,分體機是更適合的選擇。②根 據前瞻產業研究院,IGBT模塊作為直流充電樁的核心器件,占充電樁成本約20%。在800V超充的高壓下,IGBT損耗過高,需要更換為耐壓性、耐熱性和散熱性更好 的SiC。③散熱方式液冷化轉變。800V 超充功率在480kW時,電流會達到600A, 充電樁傳統散熱方式風冷不再適用,風冷可靠性差,模塊故障風險高。液冷散熱能 力較風冷低10~20℃,具備更高等級防護和使用壽命,但液冷對電纜的密閉性要求 極高,液冷電纜都需要通過耐高溫、耐低溫、耐腐蝕等多項測試。
參考公開資料,以120kW快充直流充電樁為例,主流做法是使用4 個30kW的模塊進行組合,單個模塊價格約2000元,5m長充電槍線價格約5000元, 主控板約1500元,加上觸摸屏、互聯網模塊、殼體、線束、繼電器等,一個充電樁 成本在300元/kW左右。根據芯TIP公眾號數據,800V大功率充電樁成本是普通充電 樁的至少2倍,甚至可達到2-3倍,超充充電樁采購成本會在600元/kW-900元/kW左 右。
據悉,廣汽埃安在廣州落地的全球首個智能超充站,該站采用一拖五模 式,配置一個480kW和4個180kW的充電終端。以該類超充站為例進行成本估算, 假設①480kW充電樁成本為700元/kW,180kW充電樁成本300元/kW;②充電站無 需擴容、不建設儲能。③充電樁成本占整個充電站建設成本的50%。則充電樁建設 成本約為55.2萬元;超充站建設成本約為110.4萬元。根據中國經濟網新聞,2021 年12月巨灣技研與天樞能源達成協議,計劃總投資額超10億元,聯合共建1000座超 充站,平均每座超充站成本在100萬元左右,與估算結果較為一致。
(二)乘用車換電站建設成本約 150 萬元,重卡換電站對應約 500 萬元
換電站的成本包括投資成本和運營成本兩部分。換電站投資成本由換電站的設備、線路投資和電池投資等組成,電池成本是換電站相較充電站發生的額外成本, 在車電分離和車電不分離情形下電池成本有所不同。車電不分離情形下,車主電池 和車輛一同購置,電池成本為備用電池成本;車電分離情形下,電池產權只歸屬于 電池管理公司,客戶只購買整車,租賃使用動力電池,電池成本為備用電池成本和 車載電池投資。換電站運營成本包括場地租金、購電成本、人工費用等。

新能源汽車換電及大功率充電行業專題:壓力之下,喜樂自知

根據協鑫能科2022年5月發布的《新能源汽車換電站建設項目可行性分析報告 (修訂稿)》中的概算:①車電不分離情形下,在項目建設投資中,換電站投資占 比最高。單個乘用車換電站設計產能服務120輛車/天,項目建設投資490.72萬元, 其中換電站投資260.72萬元,占比53%;單個重卡換電站設計產能服務40輛車/天, 項目建設投資914.14萬元,其中換電站投資420.14萬元,占比46%。②車電分離情 形下,在項目建設投資中,車載電池投資占比最高。單個乘用車換電站設計每天為 120輛車提供電池租賃服務,項目建設投資1090.72萬元,其中車載電池投資600萬 元,占比55%;單個重卡換電站設計每天為40輛車提供電池租賃服務,項目建設投 資2314.14萬元,其中車載電池投資420.14萬元,占比61%。根據和訊網數據,蔚來一代換電站成本約300萬元,二代換電站成本在150萬元 左右,蔚來換電主要面向私家車領域。根據前文估算,在不考慮擴容和儲能的情形下,超充站約110萬元的建設成本,低于換電站建設成本。
(三)考慮電網擴容或配儲,大功率充電站成本或高于換電站
超充站大功率直流快充,一般普通場地不會預留較多滿足充電站建設的電力容 量,選址場地的電力容量不足時,需向當地用電部門申請增容。變壓器擴容成本根 據擴容多少和地區情況而定,例如2022年3月深圳灣科技生態園商鋪公開招租中提 到,增容費為1200元/KVA。在一些偏遠地區,很難有足夠的電容,擴容難度增大帶 來的擴容費用往往會增加幾倍。擴容涉及多個部門,同時擴容地情況制約,企業在 整個過程中缺乏自主權。為應對上述情況,超充站配置儲能是一種可行方案,該種模式下企業擁有更大 自主權。儲能可以為電力負荷提供緩沖,超充樁不直接通過電網造成功率負荷,從 儲能中直接獲取電能,同時儲能還可利用峰谷電價差,夜晚谷電期間將儲能電池充 滿電,白天高峰時段進行放電,降低用電成本。據北極星儲能網,2022年1-6月廣東共67個儲能項目進行備案,其中有38個項 目在用戶側,總投資4.1億,儲能規模超69.45MW/175.464MWh,用戶側儲能投資 單價大約為2.37元/Wh。據小鵬汽車科技日,小鵬自研的儲能充電技術一次儲能可滿 足30臺車不間斷充電。小鵬汽車即將推出的中大型純電動SUV G9車型,宣傳搭載 容量98kWh的三元鋰電池,支持480kW超充,12分鐘能將電池從10%充到80%。以小鵬G9為例,電池98kWh,充電區間從10%充到80%則需要98kWh* (80%-10%)=68.6kWh;30臺不間斷充電,需要2058kWh,對應儲能集裝箱容量 在2MWh左右;假設單位儲能成本2.37元/Wh,則1000KW/2MWh的儲能成本為474 萬元。前文已測算超充站建設成本約110萬元,加上儲能成本,總成本將超過500萬 元,遠大于蔚來二代換電站成本。
(四)換電模式下,車端三電技術及功率器件無需升級適配 800V
國內發展800V大功率超充節奏較慢,除了配電網端的負擔外,還受限于車端三 電技術以及功率器件需升級適配800V高壓平臺?,F有的充電站大多基于400V系統, 直流快充基礎設施是為400V汽車服務,但800V架構的車型需要基于800V的充電設 施才能充分利用,需要將現有的部件升級成與800V匹配的狀態,升級主要涉及核心 三電技術以及功率器件的耐壓、損耗、抗熱。
1、電機方面,軸承防腐蝕要求增加,800V電機內部的絕緣/EMC防護等級要求提升。由于電機供電為變頻電源,在電機回路上容易產生高頻電流,無法避免地在電 機兩端形成軸電壓。當軸電壓過高時,油膜容易被擊穿,形成回路,導致軸承被腐 蝕。而應用SiC的800V逆變器,電壓頻率變化更明顯,對防腐和絕緣提出更高要求。
2、電控方面,車樁功率半導體將從Si基轉向SiC。在傳統Si基情況下,450V下其耐壓為650V,當電氣架構升級至800V時,對應 半導體耐壓等級需升至1200V。高電壓下Si-IGBT的開關損耗迅速增加,經濟和性能便不再匹配。SiC功率器件具備高功率、高密度、耐高溫高壓,成本優化等優勢,不 僅可用在電氣架構上,還可在車載充電器和充電樁等部分應用,兼容可靠,有效提升800V驅動系統整體的電控效率。價格與技術限制SiC的應用。在IGBT使用的高壓大電流芯片技術含量高,7代之后技術被英飛凌、ABB、三菱等國外廠商壟斷,其中電動汽車領域的高端IGBT市場幾乎被英飛凌壟斷。中國是全球最大的IGBT消費市場,但是自主研發生產進度較國外發展緩慢,自主生產能力只達到IGBT的第4-5代。IGBT的下一代SiC技術已經開始在美國、歐洲、日本等進行全國普及,根據中國SiC的實測結果,中國技術成熟度仍與歐美等國家差距兩代。中國SiC受制于國外市場,目前價格較高,而實現從國外采購轉向國內自制仍需很長的發展過程。雖然從400V到800V平臺面臨著技術和價格等因素的制約,但部件升級并非800V落地核心因素,配網端的問題才是800V能否順利落地的關鍵。

新能源汽車換電及大功率充電行業專題:壓力之下,喜樂自知

3、在電池方面,電池負極快充性能需提升。負極是動力電池快充性能的關鍵,一方面,鋰離子受石墨材料層狀結構的制約,只能從斷面進入,傳輸路徑長。另一方面,石墨電極在高倍率快充情況下,電極極化大,電位容易降到0V以下從而產生析鋰。
4、其他功率器件方面也需改進。平臺架構升級到800V,連接器需要重新選型,快充接口增加,連接器數量也需同步增加;線纜的耐壓性需提高,體積減??;由于升級后,濾波系統EMC輻射量會變化, 因此基于400V平臺的濾波系統需要重新設計;現有的部分不能兼容高壓的繼電器也需要升級。

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