特斯拉为什么不在Model系列上800V系统？

      在今年的国庆期间，因为新能源汽车充电困难，新闻标题直接调侃到：国庆长假撕开了新能源汽车的“遮羞布”。实话说，随着新能源汽车保有量的不管提高，虽然国内的车桩比已经下降到了2.6（截止2022年11月的数据）。但很多人还是不敢开电动车出远门，一出门就担心续航不够用，碰到的充电站能不能正常使用，充电速度快不快这些问题。碰到假期，还会因为里程焦虑调整其出行安排。要解决目前里程的问题，主要有以下2个方案：直流快充和换电。这里咱主要说说直流超充的方案。

       那为什么需要快充呢？给车辆装一个大容量的电池是不是也可以呢，让整车续航提高1000公里，甚至更高呢？

理论上当然是可以的。但是目前电池的重量几乎占了整车重量的三分之一，成本接近整车整车的40%。如果真的上续航1000公里的电池，其整车成本和重量将极大的提高，目前看不是性价比较高的方案。虽然目前也有车企宣称能续航1000公里，也并不是单纯的加大电池容量。其实咱们大部分传统燃油车的续航也只有500公里左右，也没几个车做到了1000公里的续航。  归根结底，现在人们之所以对电动汽车有里程焦虑，其主要问题是充电的便利性比较差。

       根据2020年英国交通部的一份名为《推动和加速英国电动汽车应用》的报告中分析了阻碍大家购买电动车的原因有：

      1、人们对电动汽车的了解认识的程度：比如这是一项怎么的技术，与传统车的区别，有哪些车型，在哪里可以买到，成本是多少？等等。

      2、经济性的因数：比如购买价格，售后维修成本，运行成本等等。

      3、充电基础设施的情况：充电基础设施的保有量和可用性是电动车普及的关键因数。比如说是能在家里充或者是离家很近的地方就能充；在上班的地方能不能充？其他公共充电桩的可用性，长途旅行能不能便捷的充电?特别提到消费者可能会重点关注在路上充电的重要性（因为我们习惯于以这种方式加油），尽管他们可能会在家里完成大部分充电。

       4、车辆属性：比如充电时长，电池的容量及使用寿命，使用环境要求，充电兼容性等。

       5、消费者的态度：培养对电动汽车的积极态度是推动购买行为的一个重要组成部分。主要包括象征性的态度，电动车能给消费者带来什么样的象征意义和价值存在；情感态度，电动车能给拥有和使用它的消费者怎样的情感寄托和感受；工具态度，与车辆相关的的实用功能或功能属性。

       其实现在第一、第二点已经不是什么问题了，用户对电动车的熟悉程度已经非常高了，谈论比较多了；而价格也跟传统燃油车比较接近了；关于赋予车辆一些意义感或者特别的意义，现在各家变着花样的宣传也不是什么大问题了。但是充电的便利性不足和充电时间较长，直接影响了消费者购买电动车的态度，也极大地限制了电动车的不断普及和推广。

       其实目前国内公共充电桩的数量，截止2022年11月，已达到了494.9万台（充电联盟数据），车桩比也降低到了2.6:1。根据《中国电动汽车充电基基础设施发展战略与路线图研究 （2021-2035）》报告所述，目前我国限购城市（包含主要一线城市和部分新一线城市）的油电比已经达到 2.8，公共充电站数量是加油站的 2.8 倍，充电站的城区覆盖密度已经超越加油站；在新一线城市和二线城市的“油电比”  也分别达到 1.0 和 0.7；只有在三线及以下城市的油电比较低。而且随着充电桩的不断铺设，油电比还会进一步扩大，车桩比会进一步缩小。然而，目前公共充电基础发展还存在无序发展的问题，部分热点地区公共充电场站排队现象较为突出，但多数地区充电桩闲置率高，市场总体利用率水平偏低。

图1、不同城市油电比  

      目前一般城市中型加油站一般占地为 2500 平方米，配 备4个通道 8个加注位，每小时最大服务能力 120 辆车/小时。同等占地面积 2500 平米充电站，考虑配电和营业占地 760  平，可配置 50 个快充车位，并发数是加油站约 6 倍。分析显示，2C 充电倍率下，充电站车辆服务能力能达到加  油站的 80%，里程服务能力能达到加油站的 64%；3C 充电倍率时，充电站车辆服务能力是加油站的 1.2 倍，里程服务能力与加油站相当，日均利用小时达 2 小时可与加油站日均服务量相当。虽然充电站能够同时给6倍于加油站的车充电，就算按照一小时充满一辆车的速度，充电站一小时最多也只能服务 50 辆车，不到加油站服务能力的一半。

图2、加油站与充电站服务能力对比  

       如果咱们有了超充，让每辆车能够在 20 分钟之内充满，充电站的服务能力就能超过加油站的服务能力。如果我们再进一步的提升充电时间，能够像加油一样在 5 分钟之内充完电，充电站的服务能力就达到加油站的4倍以上。所以，目前超充确实对于提升充电站的体验起着决定性的作用。

       其实呢，不仅消费者有里程焦虑，对于充电桩运营商来而言，他们也是希望加快充电速度和充电频次，充电站的电费和服务费就会增加，进而收入就会增加。车企也希望有个宣传亮点了，车能买的好点。三方的想法可谓是不谋而合。

      超充既然这么好，那是为什么现在的充电速度缺不尽如人意呢？我们还是需要先来聊聊超充的一些挑战。我们都知道，电池的充电速度取决于充电功率，充电功率等于电流乘以电压（P=UI）。如果咱们想更快的充电，要么增大电流，要么增大电压。这个原理是非常的直接非常简单的，但是随着电流或者电压的增大，我们会遇到几个挑战。主要可以归纳为三大挑战：

       1、技术挑战：

       最明显的问题就是散热问题。任何有阻抗的导体，只要有电流的经过，就会产生热量。热量跟电流的平方成正比（P=I2R），也就是说咱们把电流加倍的话，发热就会变成 4 倍。与此同时，电池电化学反应也会产生热量。根据资料显示，锂电池快充最怕的并不是充电的速度过快，而是快充产生的高温。这种高温会对电池造成不可逆的影响。那不可逆的损伤是怎么形成的？  

       通过了解，我们知道电池的结构，主要分为四部分，分别是正极、负极、隔膜和电解液。电池充放电的过程就是锂离子在正负极之间穿过隔膜在电解液之间来回移动的过程。随着温度的升高，电池在超充的过程中，负极会更容易形成固体的电解质界面（SEI）和锂离子析出形成锂金属。这两种变化都是不可逆的，也就是电池的有效材料会逐渐减少；SEI的过量累积也会影响电池的导电性能；锂金属的析出如果比较严重，就会造成正负极之间的短路，甚至引起热失控，最糟糕的情况还会导致电池起火。

图3、锂离子电池的工作原理

       确实，最近几年电动车起火的新闻多了起来（现在很多车企都推出了无热蔓延、无热失控的电池）。所以为了减少发热带来永久性的损伤，就需要选择不同类型的材料（目前研究的主要方向是负极材料），让离子在正负极之间移动的阻力更小。

       除此之外，为了适应超充，电池的结构也需要做一些改变。一般而言，高能量密度的电池，正极或者负极的涂层都会更厚一些，但是更厚的正负极在快充条件下就会更容易产生不可逆的影响。所以，同等条件下能够支持超充的电池能量密度也就会更低一些，自然电池的体积会更大一些，重量会更重一些。

       虽然超充对电池的寿命和能量密度都有影响，但是确实很少有车企会就这方面对外提及。因为即使超充对电池寿命有一些影响，但现在具备超充的电池的寿命也还是能满足国家和行业标准的（在超充开始推广的前期，有些车企还有限制超充次数的策略）。所以对于车企来讲，不在寿命衰减上过多的提及也是能理解的。毕竟，任何技术发展的初期都不可能特别完美，发展是需要一定时间的。

      2、成本挑战：

      一般现在的充电方式大致分为两大类，一类是交流慢充，也就是车上装一个车载充电机，使用220V或者380V的交流电给电池充电，一般充电功率比较小，最大也就22kW(乘用车）。一类是直流充电，充电功率会比交流充电大很多，现在普遍的直流充电功率在120kW、150kW、180kW等。但是为了实现20-30分钟充满或者充电5分钟，续航200公里的要求，普通的直流快充就无法满足要求了，就需要上360kW，甚至480kW的超充了。而目前公共充电桩都没有这么大功率，为了实现超充就需要重新开发超充桩，同时建设超充站。这都需要增加蛮多的成本。由于目前做充电桩运营的企业暂时还没有大量的铺设超充桩，所以车企为了实现车辆的超充能力和给用户专属的体验，主流的车企都在自建充电桩，比如广汽、小鹏、极氪、特斯拉（全球已建设40000+的超充桩）。而一个超充站建设的费用（包括配电、设备、土地租金等）都在百万元的水平，这将极大的增加整车开发的成本。

      同时为了实现超充，整车的设计也需要进行相应的调整，主要包括直流充电线缆线径增加，充电座重新开发、电池包开发（满足散热要求）等。这些都会导致成本的增加。

      这里主要说说电池包的热设计。我们都知道，电池包是由上千颗电芯组成的，这么多电芯在一起，散热就是一个很大的考验。如果任何一个电芯或者电池局部过热，就容易造成前面提到的不可逆的损伤。所以为了能够实现超充就需要保证电池包里的每一颗电池都有均匀的散热。这需要用到复杂的液冷系统。像特斯拉的4680电池、宁德时代的麒麟电池、比亚迪的刀片电池，很多程度上都是围绕散热或者为了解决散热在做文章。     

      3、能源挑战：

      在我们大多数人的印象中，可能会觉得电网的能力足够大，咱们还有那么大的一个三峡电站啊，对电动车充电完全是没有问题的。现在也就是充电速度变快了些吗？怎么会有能源问题呢？  我们姑且来算一算超充的用电量到底夸不夸张？

      我们以一个两居室的家庭为例，一般的用电负荷在10kW左右，如果按照目前最大的480kW超充桩来充电，这就相当于48户人的用电量。如果这样的50个充电桩满载运行，就相当于2400个家庭的用电，这就相当于很多地方一个小镇的用电量了。

      我们再跳出来看看，全球最大的水电站三峡电站的最大装机容量是2250万千瓦。虽然三峡电站可以给超过 3000 万人用电，但是如果你用这个电量来给电动车超充，也就只能充 5 万辆电动车。（截止2022年7月，上海的电动车保有量为71万台）

      当然，比大功率充电更具有破坏性的是电网的用电量的波动。我们可能都知道，一座城市在一天的不同时间，用电量是会波动的。下图是加利福尼亚春日一天的用电趋势图，从正午开始逐渐达到顶峰，下午6点开始下降。

      图4、加尼福尼亚（春日）一天的用电量趋势图

      下图描述的是美国加州2012 年以来每天用电量波动的趋势，一天的最高峰跟最低谷的用电量可以相差30%。为了应对这种巨大的波动，发电厂一方面需要实时的调整发电量，另一方面也需要留够足够的发电能力，以备不时之需。如果需要留足发电能力，很多时候就没办法抛弃掉老旧的、效率低且不环保的火力发电。而且随着现象全球变暖的趋势加剧，峰谷的用电量差异可能会更大。

图5、美国加州2012-2020年用电量趋势图

      其实咱们国家也一样，峰谷期的用电量差异也是很大的。所以咱们也才有了峰谷电价的差异，甚至在有些时候峰谷电价的差异在4-5倍。再看上图，你会发现 2012 年至今，波峰跟波谷的距离越来越大，这也就是说整个电网的波动越来越夸张。如果我们再考虑上超级充电桩，如果大家使用超充桩都出现在白天，那这个波动就会变得更加的夸张。如果再碰上某个出行高峰，大家都在外面充电，这个波动不仅浮动非常的大，而且很难预测。所以大面积使用超充桩而不做任何的调整的话，对于电网来说压力是巨大的，甚至是无法承受的压力（当然，这个前提是在超充桩利用率很高且无序的情况下）。

      因此，超充的发展将面临多方面的挑战。从电池的材料到电芯，电池包的设计，到整车的散热，再到充电线缆、充电桩、充电站的设计，最后到电网，这一整条链路上的每一个环节都需要被考虑在内。所以，对于超充大量应用和普及，需要全链路的思考和平衡。虽然像特拉斯、小鹏、极氪等都在布局自己的超充站，但就整个市场的充电体量来说，他们占整个充电电量的份额还是很小的。

      虽然关于超充有很多的挑战，但是基本都相应的解决方案。在某些方面，如果我们能利用好的话，甚至可以帮助解决已有的能源问题。下面我们就来展开说说。

      首先就是，为了解决发热的问题可以采取提升电压，因为同等的功率下，电压提高了，电流就可以减小，经过充电线或者元器件的发热量就会减小。最近两年，有越来越多的车企在原有400V电压平台的基础上发布了自己的800V高压平台。最开始发布并应用的是保时捷，2019年，保时捷在Taycan上首次推出了 800 V的高压电气架构，让充电功率可以直接增加到350千瓦。紧接着，现代起亚等国际巨头也开始发布 800 分的平台，国内的吉利、广汽、小鹏的国产品牌也都纷纷跟进。小鹏号称其800V平台可以做到 480千瓦的快充， 5 分钟可以补充续航 200 公里；而华为号称 25 年会推出 1000V的快充，功率可以达到 600 千瓦， 5 分钟可以从 30% 充到80%。

      这里你会发现，在超充的宣传语里面绝大部分都会提到充电多久可以达到多少公里的续航，或者充电多久可以充到80%。但是没有人会直接告诉我们，一辆车从零充到满电到底需要多久。这其实是新能源行业一个公开的秘密。所谓的超充，其实是不会用最大的功率把电池直接充到满电的。电池充电功率的曲线大致如下图。电池充电会被分为几个阶段，出于安全跟电池寿命的考虑，超充桩只会在前段和中间阶段用最快的速度充电，充到80%。甚至是在更早的时候，充电桩就会开始逐渐降功率。   所以，从节省充电时间上说，与其是在一个充电站充到满，不如充到一大半的时候就出发到下一个充电站再充电，这样你就可以一直用最快的速度充电（只是目前大家有里程效率不太敢这么干，就怕去了下一个站没资源充）。

图6、直流充电曲线

      为了解决散热，整车和电池可谓是下了很大发功夫，基本上会为超充进行液冷系统的优化或者重新设计。前面也说了像麒麟电池、刀片电池，特斯拉的4680电池除了在提高能量密度上下功夫外，还要解决的就是散热问题。我们可以看到特斯拉的4680电池包在一层一层的电池之间，会穿插这种扁扁的液冷管道，通过液体的流动把热量传送出去。这种精细的热管里对于超充是非常的重要的。因为一辆电动车的电池包里有几千颗电芯，某一颗电芯，甚至某个电芯的某一个区域，长时间的受热，就容易出现前面提到的永久性的损伤或者热失控。

图7、特斯拉4680电池及其散热

      再有就是电池本身材料的升级或者应用新的负极材料，目前这方面的研究很多，比如石墨烯等，这里有不再发散了。大家都宣传自己的电池能到3C、4C甚至是6C（真的能不能达到，还的看商用结果）。 

      除了电池本身的散热，超级充电桩（功率模块）和充电枪也需要有自己的散热。目前不管是哪家开发的超充桩，功率模块是需要散热的，要么风冷要么水冷。而充电枪线及枪头也需要液冷（目前有水冷或油冷两种方式），这样就可以用更细的线缆，用户操作起来也比较友好。而对于充电座，目前国内几乎全部使用20234-2015版国标插座和插头，由于其插座在非液冷的情况下过电流能力最大只有250A，所有必须使用液冷才能承受更大的电流，来满足超充对电流的要求。

      最后要解决的就是用电量巨大的问题。打个比方，超充就像吸水的海绵，如果一起用可以很快把电网里面的电量抽干。所以为了避免超充对电网造成瞬时的巨大压力，我们就需要想办法缓冲一下。有人可能会想到，我们可以给超充桩加一块巨大的电池，在没人充电的时候，先慢慢的把电能存起来，等到要快充的时候，再把大功率放出去，这样对于电网的压力就会小很多。是的，没错，这就是储能，现在在一些配电能力不太够的超充站就会配备储能模块。

      如果我们再进一步，还可以在充电站再加上太阳能电池板，不仅可以储存电网的电，还可以储存太阳能发的电。也就是现在比较热的示范项目光储充一体化超充站。特斯拉在上海，小鹏在河北等地都配有光伏发电、储能、充电一体的充点站。

      还可以在有条件的地方布置风力发电，将电存储在储能电池里，需要的时候再放电。

     当然，我们还可以直接把电池换到车上不就完了。这不就是换电技术嘛（当然这也是很好的一种解决方案）。

      除了以上方案，我们还可以让车跟充电桩以及电网之间做一些协调，大家进行信息共享，当大家都抢着用电的时候，让他们排队充电，电网压力太大的时候，就减小大家的功率。这种充电方式就叫做有序放电，也是目前充电桩企业在推广的群充群控方案，进行充电的动态调整。

      当然这只是电网对车的单向供电，从长远来看，我们还要采取电网与车的进一步协调，就是车给电网反向供电（V2G）。V2G是解决电网用电波动的较好的方案。根据国家发改委能源研究所的研究报告，北京到 2023 年的总用电量负荷会在 1500 万千瓦时到 3300 万千瓦时之间剧烈的波动。如果有 500 万辆电动车拥有这种双向送电的能力，把自己车上储存的电用来支撑电网的用电量，电网的负荷波动就会缩小到 2000 万千瓦时到 2200 万千瓦时之间。（这要实现的前提是消费者没有里程焦虑或者充电便利性极大的提高）

      虽然国内外很多的车企都已经或者正在开发800V平台，而作为行业的“带头大哥”特斯拉却一直是在400V平台上发展，并未准备在其model系列车型上上800V平台。这是为什么呢？在今年年初的特斯拉财报电话会议上，咨询师也问了同样的问题。特斯拉的回答是从400V到800V的改变，需要调整车的整体设计以及充电设施的结构，但是每辆车却不会省下超过 100 美元。所以他们不打算在 model3、 modelY、modelS、modelX 这种小型车上使用高压平台。在未来，他们可能会考虑在 Cybertruck 和Semi卡车上使用更高压的快充,。在今年的9月份，特斯拉的V4超充发布，电压最高1000V，充电功率达1000kW,并配备有太阳能。Cybertruck 和Semi将支持V4超充。这也验证了特斯拉在财报会上的答复。

      相较于其他车企，特斯拉到目前为止在全球布了超过40000个桩，在中国已经布置了9500多个桩，目前其充电网络比任何一个电动车车企都要完善。  如果要升级为800V平台，其升级换代的成本将是很高的。从这点来说，特斯拉还是比较务实的，毕竟在考虑新技术的同时更重要的还要考虑其经济收益。当然这一点也是值得咱们学习的。再有就是各国都在大力加紧布置公共充电桩和优化充电桩的可适用性，特斯拉的车主可选择充电的桩也将会越来越多。即使不上800V系统，对于特斯拉车主的续航焦虑相较于其他品牌的车主可能没那么大，目前看来也并不影响其车辆在全球的销量。

      对于我们而言，要不要上800V，能不能上800V还是要根据咱的实际情况，而不建议跟风上。毕竟车卖不卖的好跟你是400V平台还是800V平台电压平台关系可能真的没那么大。最后还是要看用户用车的具体需求，进行差异化的竞争。再有，800V平台是一个系统性的工程，涉及到主机厂的研发能力、供应商能力、成本控制等很多个方面。

     当然，我们相信，电动车的充电速度肯度会越来越快，体验也会越来越好。但是超充会成为电动车的主要充电方式吗？不一定（短期来看，超充需求比较迫切）。而大部分的充电方式可能还是在家里或者目的地（工作）这种慢充的方式，因为大部分的充电场景是没有那么着急的。毕竟慢充一方面有助于延长电池的寿命，另一方面随着V2V的发展，我们的电动车能接入家里供家庭用电或通过智能充电桩反向给电网供电。随着智能电网的发展，我们可以在电价便宜的时候给车充电，在电价高的时候给电网输电。这样不仅可以帮助电网减小电量的波动，还可以通过波峰跟波谷的电价差来赚钱。

      从长远来看，随着充电网络的完善和充电桩利用率的不断提高，超充和慢充应该是互为补充。当满足旅游在外或者着急出门的时候，超充可以以最快的速度满足有足够的电量办事儿。这种即时性、便利性的背后是以电池包、整车、充电桩和电网等付出相应的成本为代价的。这个成本其实也体现在咱们的超（快）充的设备上。我们知道几乎所有的快充电价都远远高于在家里充电的电价。因此，超（快）充跟慢充不应该是技术的高低优劣的差别，或者谁压倒谁成为主流的问题，而应该是他们分别对应不同的使用场景。

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