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成本大于换电 电动车企宣传的800V优势到底在哪?

来源:焉知新能源汽车 | 作者:admin | 分类:分析 | 时间:2022-06-29 | 浏览:29904
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锂电网讯:以800V 平台为主的大功率超充技术,被车企广泛宣传,其也被车企认为是纯电产品补能最优质的方案之一,长期以来超充都被市场放在了换电的对立面,认为换电是重资产,推广性不够。

而超充宣传了很长时间,但不管是车端还是桩端落地的数量和速度远远低于预期,这里面则是存在着本文要探讨的重点:「大功率超充的发展限制」。

需要注意的是,我依然看好超充,包括换电这样的补能技术,但我们需要让消费者清楚,在当前阶段超充并不能成为车企的核心优势。

下面我们主要来聊聊,超充的落地难问题。


01、大功率超充的背景了解

用户需求与充电模式矛盾加深,使得电动车「充电难」、「充电慢」成为充电体验不佳的痛点,充电难需要建设更多的充电桩,使车桩比降低。

而充电慢有两种解决路径:

换电

大功率超充

换电由于需要车身结构支持,并且要自行铺设换电站,在 C 端,目前只有蔚来一家车企在做。

直流充电功率 P = I (电流) V (电压),因此大功率超充也有两个路线:

大电流

高电压

大电流超充目前只有特斯拉一家在做,极氪目前也是大电流方案,但还做不到特斯拉的水平。

大电流的问题是会有严重的发热,发热量 = I² R,是电流平方乘以电阻,因此当电流提升 1 倍,发热量会变大 4 倍。大电流超充对散热要求很高,需要更高效的散热机制。

高电压相对而言简单许多,车端暂且不谈,桩端的改造只要把原本低压的部份换成耐高压、更改充电模块,整体改动较少,成本相对可控。

这也是国内车企为什么都在往 800V 高电压平台转的原因之一,像小鹏、广汽埃安、岚图、理想等纷纷进军 800V 的车载高压平台。

先要区分一下,目前常说的快充,是说功率在 180kW 的桩,例如小鹏充电桩单枪充电功率一般是 120kW,双枪为 180kW,而超充指的是基于 800V 高压平台的充电桩,可以上到 480kW 左右的功率。

但注意,「快充」和「超充」并不是规定称呼,只是行业在字面意思上的区分,所以我们全文说的超充基本都是围绕 800V 平台说的。

『宣传「充电 5 分钟,续航 200 公里」,可是路上却极少有大功率的充电桩,只有国网、充电公司跟车企几个示范站。』

这是目前超充的现实表现。

相比于欧洲的 Ionity 与美国的 Electrify America 已经铺开,中国这边一直只听楼梯响,不见人下来。

那么问题来了,为什么中国发展 800V 大功率超充会偏慢?

想要回答这个问题,要从两个角度:

一,车端功率半导体需要升级。

因为 800V 方案对于硬件要求增加,400V 平台的车必须要升级到碳化硅,车端对于超充的硬件才能达标。而芯片短缺问题一直是汽车行业存在的问题,所以对 800V 的配置会有影响。而车端还有一个则是适配 800V 方案的动力电池

虽然这两点有影响,但确实不是核心因素。

二,配电网难以负担。

配电网端的问题,可能才是 800V 能不能顺利落地的关键,想要看懂配电网的问题,你需要接着往下看。


02、从配电网看充电站建设

对配电网而言,充电站的最大负荷,由充电站的充电功率与充电桩数量决定,以一个实际规划来看充电站建设对配电网的影响。

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图中有两个电源点,分别是 D27 和 D31 两座变电站,蓝色线圈起来的地方。


D27 变电站容量为 1 * 31.5MVA(视在功率)、D31 变电站容量为 2 * 10MVA,该区域有 19 个负荷节点,包括 3 个重要负荷节点,包括精密制造或医院等。

由于快充需要瞬时强大的功率,当充电需求较大时,可能会引起馈线的电压波动,影响重要负荷的正常运行

因此,当馈线中含有重要负荷时,需要对充电站接入配电网进行容量约束。

e10、e13、e14、e18 四座充电站,均从现有的馈线引入支路进行供电,只有 e5 充电站,紫星圈起处需要新建馈线。

e5 充电站预计建设 26 台充电桩,每台 120kW,充电最大功率为 3.12MW,接入电网任一馈线均会过载,D31 虽然离 e5 较近,但容量较小,因此需要从 D27 新建馈线。

馈线建设除了需要考虑馈线路径年总成本最小外,还要尽可能使馈线资源的可用裕度最大,为未来预留容量,避免重复建设浪费资源。

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路径编号 1 的馈线成本和可用裕度皆是最优选项,自然是首选,但如果两者各有优劣,则需就个案进行分析。

充电桩的数量越多,充电站的服务成本越高,但用户等待的时间成本越少,综合成本即是「服务成本与等待时间成本之和的最小值」。

综合成本最小也就意味着,「充电使用功率最优,此时充电站的容量也会是最优。」

对电网而言,1 组 360kW 的超充,不如 3 组 120kW 的快充,因为 1 组 360kW 在单位时间内能服务的车主,不可能比得上 3 组 120kW 快充。

简单说就是,同样容量下,电网会偏向设置更多的快充,而不是大功率超充,更重要的是,除了综合成本的考虑外,800V 超充会放大充电过程中的问题。

什么问题呢?接着往下看。


03、充电桩对配电网的影响

充电桩对配电网有以下影响:

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负荷峰谷与线路重载、变压器负载

负荷峰谷差对配电网的影响最大。

由于无序的电动车充电行为,往往与居民日常负荷曲线高度重合,根据国网北京经济技术研究院研究高达 85%,简单理解,居民用电和电动车用电都赶到一起了,电网短时间承担不了这么大功率。

所以,就会造成峰上加峰,这跟电网希望用电车来削峰填谷的思路正好相反。

以某典型居民区基础用电负荷为例,在下班晚高峰时,不论是在小区用家充或回家顺便到充电站充电,都会造成负荷高峰迭加。

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如果充电行为不改变,几年后总负荷峰值会提升 49.3%,峰谷差高达 73.6%。而这种负荷高峰会严重影响供电的安全与平稳,需要改进线路与变压器,电网要多花额外的成本铺设新的馈线与添置变压器。

配电网中的电能损耗主要来自变压器损耗,分为空载(有功与无功)损耗、负载(有功与无功)损耗。

在变压器费用与使用时间已知的情况下,根据变压器未使用率(未使用容量/总容量的比值),就能得出配电网的资源闲置成本。

由于峰谷差巨大,尖峰负荷具有时间短、幅度高的特点,代表配电网的资源闲置成本很高,设备的使用率偏低。

在城市配电网内,本就存在部份区域变电站容量不足的问题,由于配电网建设阻力大、变电站扩容难,更没法闲置浪费。

800V 超充的充电功率更大,峰值更高,更会加剧负荷峰谷的差距,使容量更加紧张,对电网的闲置浪费更大。


电压偏移与电压越限

电压偏移会影响电能质量,当严重到电压越限时,则会影响配电网安全。

供电系统由于负荷的变化,系统中各节点的电压会随之改变,偏离系统电压额定值,称之为:「电压偏移」。

电压偏移(%)= (电压测量值 - 系统标称电压)/ 系统标称电压 * 100%

照规定,20kV 及以下三相供电电压偏移为标称电压的 ±7% (0.93pu 到 1.07pu 之间)。

由于充电桩充电的瞬时功率很大,会引起电压偏移加大,甚至超过规定限值,超过限值即是:「电压越限」。

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因此,充电桩的馈线,最好别跟对电能质量有高要求的用户,如精密制造或医院的馈线放在一起,容易有问题。

根据国家电网的仿真模型可以看到,当接入充电负荷后,出现电压越限的现象,蓝色框起处,时间是早上上班 8 点到午休前电压降到 0.93pu 以下,威胁配电网安全运行。

电压偏移跟电压越限也会增加电能通过输电线路传输而产生的能量损耗(线损),线损率是电网评估经济性的重要指标。线损率 =(线损电量/供电量)* 100%

从原本的 7.85% 上升到 10.14%。

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比起一般充电桩,800V 超充造成的电压偏移情况会严重很多,更容易电压越限。

说人话则是,如果按照现有的配电系统基础设施,如果一整城市全都是 800V 的超充站,集中使用的话,最夸张的可能会导致整个城市瞬间停电,各种电用设备烧毁。

这就和你在家,同时用十几个电吹风,导致停电的概念差不多。

各家立志要发展 800V 超充的车企当然知道这个问题的存在,而它们提出的统一解方是「配置储能」,用储能化解对配电网的冲击。

但事情真那么简单吗?


03、800V 超充的成本

上面聊到了 800V 对电网的潜在威胁,不过我们都知道企业和电网一定会有对应的解决方案,而目前这个方案则是:「配置储能」。

而要聊清楚这件事,就必须要了解「换电站」。

很多人提到蔚来换电,最常见的关键词是:「重资产、布置慢、规模化难」。

总结则是:换电站的布置成本太高,C 端的运营很难,规模化的潜力不足,迟早会拖垮蔚来。

那来看看 800V 超充的成本,会出乎很多人的意料。

目前充电桩的采购成本在 0.35 - 0.4 元 / W 居多。

800V 超充由于电压太高,充电模块采用 IGBT 损耗会太高,要换用 SiC。SiC 现在的价格是 IGBT 的 2.5 - 3 倍之间,由于 SiC 的散热跟耐热比 IGBT 性能更佳、损耗更低、体积更小,会有部份的成本降低。

预估 SiC 充电模块的费用会比 IGBT 贵 1.5 - 2 倍之间。

由于 800V 超充要达到 360kW 甚至 480kW,电流要 450A 到 600A,不能像一般充电桩用风冷,势必要用液冷,成本也会上升。

因此,充电桩的采购成本会上升 1.8 倍左右,估 0.63 - 0.72 元 / W。

一个 360kW 超充的成本估算约为 23 万到 26 万之间。

根据中国充电联盟技术和认证部主任刘锴所言:

在电网侧,以电力报装这一细节为例,仅「不允许使用箱变,需要建配电房」的单台变压器容量的上限值,在不同地区就有 630kVA、1250kVA、1600kVA 等不同要求。」

kVA 是视在功率,kW 是有功功率,视在功率乘以功率因子 cosФ = 有功功率

按照《功率因子调整电费办法》,功率因子标准 0.90,适用于 160kVA 以上的高压供电用户,为避免过低被处罚,采取更保守的 0.85 计算:

630kVA * 0.85 = 535kW

1250kVA * 0.85 = 1062.5kW

1600kVA * 0.85 = 1360kW

以上计算什么意思呢?

以 360kW 超充桩为例,630kVA 只要安装 2 台就超过,1250kVA 可以勉强安装 3 台,1600kVA 只能 4 台以下。

箱变跟配电房的占地不同,申请难度也不同,因此,刘锴希望制定统一的快速申报流程跟的管理列表。这也是为何很多高速服务区内国网充电桩是 4 座,充电总功率可以压在 630kVA 以下用箱变就行。

以巨湾技研(广汽子公司)的 XFC 超充站为例,是 1 个 480kW + N 个 120kW 组成(通常 4 - 5 个)。

宣传说采用柔性充电,何谓柔性充电?

充电站内,全部智能充电模块及智能监控系统结合在一起,利用计算机控制技术,对智能充电模块进行集中的控制管理,并且动态分配充电。

简单讲,就是充电总功率固定,要达到充电桩理论上限,需要天时地利人和,只要不止一人充电,就要共享充电功率。

好处是,可以减少容量、降低变压器需求,因为功率并不是全部充电桩功率的迭加,而是先看当地能给多少总功率再分配给充电桩。

比如 1 个 480kW + 5 个 120kW 的 XFC 超充站,总功率是 480 +120 * 5 = 1080(kW),功率因子采 0.9,容量需求为 1080/0.9 = 1200(kVA),变压器应选 1250kVA。

可是当地容量无法负荷这么高的需求,比如只有 630kVA,功率因子一样采用 0.9,总功率只有 630 * 0.9 = 567(kW)。

采用柔性充电的意思:「就是拿这 567kW 去分,就算全部充电桩都有人使用,充电总功率最大依然只有 567kW。」

况且 A480 必须得用埃安 V plus 70 超级快充版,要专用车型才有机会达到 200kW 以上,目前量产只有 3C 版,电压只有 400V,厂家宣传的 6C 版,目前未量产。

对其它车而言,只是电流上限更高的快充桩,功率比一般的 120kW 更大些。

以一座 A480 + 5 座 120kW 充电桩的 XFC 超充站试算:     假设 480kW 以 0.65 元 / W、120kW 以 0.35 元 / W 则无需扩容。

480 * 1000 * 0.65 = 312,000

120 * 1000 * 0.35 * 5= 210,000

施工安装费用粗估 60 万,包含变压器、电缆等其它设备。

结果则是:**一座 A480 + 5 座 120kW 充电桩的超充站总成本约为 31.2 + 21 + 60 = 112.2 万元,这还是不含地租的。

据巨湾科技与天枢能源合作的新闻,预计投资超 10 亿元共建 1000 座,与一座 XFC 超充站平均单位成本 100 多万元相近。

这是建立在不建储能、不用扩容、无需地租的情况下,单纯计算充电桩与其它建设成本。如果想要建设全是超充桩的超充站,那加上储能,一座站的成本至少是 200 万起。

那一座 2 代换电站成本是多少?

来看 2022 年 5 月蔚来被行政处罚的公告:

北京市顺义区住房城乡建设委员会责令停工并改正,同时对蔚来处以工程合同价款 1.25% 的罚款,罚款数额为 15,625 元。

工程款总额为 15625 / 1.25% = 125 万元。

也就是说,一座 2 代换电站不含电池跟地租情况下的成本约 125 万元,跟一座 XFC 超充站成本 112.2万元相差不远。这是一个广义上的推导,但据我从供应链了解到的情况,蔚来 2 代站的成本远低于上面推算的数字。

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重要的是,一座 XFC 占地要 12 个停车位,比换电站大的多,2 代换电站占地 4 个停车位,加上前面回旋估计需 2 个停车位,因此需要 6 个停车位。

也就是说,一旦将这些全部计入地租,那么换电站和超充站两者成本孰高孰低可就不一定了。并且 800V 超充对电网的冲击依然存在,柔性充电只是降低冲击,总究还是要电网扛下所有。

像小鹏明确讲 480kW 超充会配储能,为什么 XFC 不做呢?

很简单:贵!


04、储能的成本

XFC 的 800V 超充限制太多,很多是理论上可行,实际上做不到,大多时候跟普通充电桩一样,根本没厂家宣传的神速。

主要原因就是:成本。

巨湾自称它家的建超充站跟普通快充站一样,目前在广州的站,有 90% 使用现有电力容量。可见它很清楚,如果真要达到宣称的充电功率,不管是电网扩容或建储能的成本,远不止上面那些。

电网扩容涉及到很多单位,要根据当地情况决定需要扩容多少,容易扩容的地区在 1200 元 / kVA 上下,不好扩容的翻几倍都有可能。

扩容要看各地情况难度不一,车企没有自主权,相反,建储能决定权在车企手中,自主可控。

何小鹏在 2021 年 1024 科技日上提到:

「在高速的周边、在相对偏远的地方,它们很难有很大容量的电容,也就是你想超充,它没有足够的电力。

小鹏自研的储能充电技术,主要为了解决这些容量不足的事情。」

何小鹏说这句话很重要,只是当时没人在意,也正是因为小鹏汽车知道落地 800V 超充,现有电容一定不行,只有在超充站增加储能。

那储能的成本多少?

中国现在超充配储能的比例不高,不过在美国很多超充站已经标配储能。

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以美国的 Electrify America 为例,拥有 350kW 大功率超充的站点,将配置一套特斯拉 350kWh、功率为 210kW(210kW/350kWh)的储能系统。

特斯拉官网没有此种规格的售价,但在商用能源的选项中,有两种选项:

6.5MW / 12.8MWh 的售价为:7283,570 美元

3.9MW / 15.5MWh 的售价为:7740,790 美元

粗略计算,1MW 约 27 万美元、1MWh 约 43 万美元,此为预估值,由于款项内含施工费及其它费用,因此会有误差。

1MW = 1000 kW

也就是,Electrify America 一套特斯拉储能系统,价格约 21 万美元,按 6.7 汇率计算约为 140 万人民币。

跟中国比,还蛮贵的。

特斯拉电池 1kWh 约 430 美元、储能变流器(PCS) 1kW 约 270 美元,同样用汇率 6.7 计算,1kWh 约 2880 元、1kW 约 1800 元。

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从图可以看到,中国储能的成本磷酸铁锂 1kWh 在 1000 - 1300 元之间、三元锂 1kWh 在 1200 - 1600 元之间,只需特斯拉储能系统的一半。

储能变流器 PCS 的成本差异更大,1kW 的成本在 320 - 500 元之间,只有特斯拉 PCS 的 1/3 到 1/5。

各项成本全算进去,以华能黄台 100MW / 200MWh 储能电站为例,每 kWh 的投资额为 2136 元。

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以这为标准,175kW / 350kWh 的成本约为 75 万。

如果照小鹏宣传的可以满足 30 台车不间断充电,容量绝对不止 350 kWh。

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以小鹏 P7 后驱长续航版为例,电池是 71 度,充电区间从 30% 到 80%,每台车需充 35.5 kWh。

那么,30 台这是 35.5 * 30 = 1065 kWh。

差不多是一个 1MWh 的储能集装箱(图中红色圈起处)。

以 1MWh 计算,PCS 选 500kW,每 kWh 一样用 2136 元,500kW / 1MWh 的成本约为 213.6 万元。

结果则是:储能集装箱已经比建超充站的成本还高。

虽然可以利用充放电从电网辅助服务赚钱,但从上面的储能电站经济指标,能看到投资报酬率并不高。

储能的成本绝非大家想象的低,超充站绝非大家想象的容易建设。

因此,当大家批评蔚来的换电站是重资产时,有没有想过大功率超充配储能的资产更重?

何况蔚来已经通过 BaaS 将换电站电池的成本转嫁给消费者,而超充的储能只能通过每天的充放电,慢慢从辅助服务赚钱。

更何况从 Electrify America 大功率超充的实际充电效率,并没有大家想象的快。

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这是 Lucid Air 在 Electrify America 的 350kW 与 150kW 充电的功率。Lucid Air 使用 900V 平台,宣称利用 Wunderbox 的升压技术,可以让车主有最好的充电体验。

可以看到 Wunderbox 的升压技术在 150kW 的充电桩,充电功率甚至可以达到 173kW。

在 350kW 的超充,的确有 300kW 以上的功率,但在充电超过 20% 之后会一路下降,在 42% 时,充电功率已不足 200kW,在 50% 时,充电功率已经跟 150kW 充电桩相差无几。

也就是说,大功率超充桩的功率维持时间非常短,用户能享受到的大功率只有在特定桩、特定车、特定温度环境、电容环境良好的情况下才有。

最重要的充电时间差别呢?

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从充电时长来看,车企宣传的充电 5 分钟 200 公里能做到。

350kW 的超充在 5.5 分钟里面,增加续航 100 英里(约 161 公里),充进 21.7 度电(Lucid Air 电池包 113 度、EPA 续航 520 英里)。

以小鹏 P7 后驱超长续航版为例,81 度电 NEDC 续航 706 公里,同样充进 21.7度电量下,增加的 NEDC 续航为 189 公里。况且小鹏是 480kW 的超充桩,功率更大,因此充电 5 分钟,理论上的确能增加超过 200 公里的续航。

但注意,这要在最理想情况下才行。

在 200 英里的时候,两充电桩充电时长差距最大,差距是 6 分钟,结合前面说的,在充进 50% 电量时,两者的充电功率相差无几,50% 电量为 260 英里。可以说充电时长在充进 50% 之后,两者没有区别,充电时长一直保持在 6 分钟多。

也就是说,只充前 50% 大功率超充会非常强,一旦进入后 50%,充电时间差别不大。

前面的埃安 V plus 70 3C版,是用三维多孔石墨稀的负极材料,并且要用自家充电桩,才能达到这么快的充电效率。

但你肯定会说,我要的就是前 50%,用户不需要充满,但事实是前 50% 的大功率充电提升的时间可能比普通快充快十几分钟,而整个充电周期提升的速度可能只有不到 20 分钟,这 20 分钟很宝贵,对于车企来说是有动力去做的。

只不过,车企特别是新品牌、小车企,可能会出现心有余而力不足,第一是超充站里的桩站建设、配置储能、地租等综合成本已经超过了换电站,车企负担不起这么重的资产;第二是由于车企的地域性区别,很多车企可能在部分大城市根据无法进入城区。

除了车企,如果想要布置大功率充电站,大概率就要增加电容,但这个不受车企掌控,而且为了增加的十几分钟让电网花上千亿美金改造城市的电力基建,这个动力确实不够大。

你肯定又说,那大功率充电是趋势,如果从政策层面驱动呢?

这个方法倒是可行,因为我们国家进入 21 世纪以来,农村地区的电网已经经过了 3 轮系统性改造,国家层面推动大功率超充确实可行,但依然有一个现实问题,那就是:时间。


05、800V 平台的意义

很多时候,车企的宣传带偏了 800V 平台的意义,似乎大功率超充能很快把电充满,解决充电慢,就是 800V 平台的存在价值。

显然,这么理解不立体。

800V 平台对电车而言,最大的意义是「降低能耗」,800V 由于更高的电压,在同等功率下,电流只需 400V 的一半。

前面有写到发热量 = I²R,一半的电流,代表发热量只剩 1/4。

虽然电车的电机效率很高,发热量本就不大,但相对应的散热器件,依然要占据空间,现在发热量更小,散热器件相对应也能减少。

并且 800V 平台需要用 SiC 组件,SiC 的热导率跟耐热值比 IGBT 好上许多,散热器件可以进一步减少。

SiC 能进一步缩小电机、电控的体积,腾挪出更多的空间。

800V 平台有着更好的能源使用效率、更轻的重量,带来续航里程的增加,为车主带来实惠。

写到最后,我想说的是,就像开头提到的大功率超充补能确实是比较好的补能方案,从目前看来它确实也是车企主要发展的方向,从大趋势上来看我不用怀疑。

但问题在于,车企把大功率超充当成了产品销量的救命稻草,从而让消费者来负担车端的成本,但事实的结果是以 800V 为主的大功率超充落地存在着非常多的困难:

全超充桩的超充站在现有的电力基础设施条件下,需要配置储能,这会导致整个站的建设成本超过换电站;

越多的超充站布置,意味着城市电容压力巨大,电网有没有动力去做这么大投资去改造基础设施;

即使可以改造,南北电力集团怎么去做供电匹配;

在各个城市的布站位置同样是一大难题,核心区域的租地非常难拿。

即使以上问题都可以通过技术、政策解决,但这里面依然有一个时间的问题,也就是说,按照目前 800V 架构的纯电车来看,当前购买后在车的 1 - 5 年的黄金使用期内,用户很难真正意义上使用到 800V 带来的优势。

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