2020年第三季度，中国新能源汽车销量连续三个月实现同比增长且创下历年新高，在逐渐走出补贴退坡、整体车市下滑以及新冠肺炎疫情的三重影响之后，新能源车市有望步入以个人用户购车为主的良性发展轨道。
如果要问，还有什么在阻碍电动汽车的发展驶入“快车道”，答案很可能是——充电。电动车主在公共区域“充电难”的问题虽已是老生常谈，但随着电动车渗透率的攀升，“充电难”问题甚至可能进一步凸显。
电动汽车接下来的发展，在很大程度上取决于充电网络；而要提升充电网络的效率，更大功率“超充”技术的应用已是弦上之箭。
一、“超充”的原理
什么是电动汽车的“超充”？它与“慢充”和常规“快充”有何不同？
所有电池（包括电动汽车中的动力电池）都使用直流电（DC）进行充电和放电。但是电网提供的是交流电（AC）。因此，来自电网的交流电需要转换为直流电，才可为电池充电。这项转换工作由AC/DC转换器完成，因此，AC/DC转换器是电动汽车充电装置不可或缺的一部分。
充电装置既可以作为车载充电器（OBC）集成到车辆中，也可以位于车辆外部。当前，几乎所有电动汽车都配有小型OBC，人们可以用电缆将OBC连接到常规的交流插座，也可以通过交流充电桩与OBC连接。因此，交流充电桩实际上不是充电器，而是可插入充电电缆的智能插座。
如果要更快速地充电，则需要更大的AC/DC转换器和更大的充电器，这意味着更大的重量、占用更多的车内空间，以及增加电动车的复杂性和成本。更重要的是，基于车规级要求，整车企业需要确保OBC在车辆全生命周期始终可靠运行。因此，平衡众多因素下，汽车制造商通常会选择较小（因此也速度较慢）的OBC。
与“OBC+交流充电桩”的组合相比，本身自带AC/DC转换器的直流充电桩，体积更大、重量更重、结构更复杂且成本更高，但充电速度也快得多。这就是为什么它们通常被称为“直流快充桩”的原因。
当前市面上常见的普通快充桩可提供50-70kW功率，其充电速度是普通OBC的5至10倍。
而“超充”（即超快速充电Ultra-Fast Charging）同样是快充的一种，是指充电功率达到150kW以上的快充。在当前最新一代产品当中，特斯拉V3 Supercharger最高功率达到250kW，而欧洲Ionity、美国Electrify America等充电运营商所使用的超充桩，最高功率可达350kW。葡萄牙初创公司i-Charging，甚至推出了最高600kW的充电桩。
更大功率的充电，究竟是如何实现的？又有哪些因素在影响、限制着电动车“超充”的实现？
电池构造
电动汽车所用的动力电池，由许多个“电芯”组成。以特斯拉Model 3长续航版（美国版）为例，其所用电芯为松下生产的直径21mm、高度70mm的“2170电芯”，其形状与人们平常使用的圆柱充电电池无异。
将共计多达4416个“2170电芯”平均分配在96个“电池块”中，将这些电池块放入4个模组（各模组中的电池块数量分别为25-23-23-25），再用电缆、壳体以及其他组件将各电池块连接起来，组成总容量约76kWh的动力电池包。
我们知道，电芯之间的连接方式分为串联和并联。2170电芯额定电压为3.7V，满电时电压约为4.2V。每个电池块中的46节电芯之间呈并联排布，因此单电池块的电压与单电芯相等，为满电时4.2V；而各电池块之间呈串联形式，因此总体电池包满电时的电压约为96*4.2V≈403V。
电流与电压
充电功率是由电压（单位：伏特V）和电流（单位：安培A）共同决定的。例如当前市面上以50kW功率充电的电动车，通常采用400V电压和125A电流的组合（400*125=50,000W）。
因此，充电速度的快慢，取决于电流和电压这两个变量。
可以将充电接口想象为水龙头，电压相当于水龙头出水的水压，而电流相当于水龙头的直径大小。如果加大水压，同一时间内流出的水量便会增多，而同样地，加粗水龙头的直径也会实现这样的效果。
如上所述，电压的高低取决于电池的属性和串、并联排布方式。当前主流的电动汽车，在电池充满状态下，电压普遍在400V的水平。而当电池处于未充满状态时，电压则低于此数值，随着电池被逐渐充满，电压会不断上升。
在电压一定的前提下，电流的大小，则由充电桩根据BMS的指示，在电缆所能支持的最大电流之内调节控制。一般而言，最高功率50kW的充电桩，可支持的最大电流约为125A，而175kW超充桩，则可提供高达375A的电流。
电池寿命
电动车动力电池中的电量，一般不会被全部耗尽。例如在Model 3超过76kWh的总体电量中，可用电量约为72.5kWh，即总电量的约95%。
剩余的5%电量，则用于“缓冲”充电与放电对电池的影响。在BMS的控制下，电池会自动在5%至95%之间充放循环。
有许多因素都会对电池寿命造成影响，包括温度、电池尺寸、化学构成、电池保持满充状态的时长，以及完全充放电循环的次数等。因此，充电技术和充电策略，会对电池寿命产生多个层面的影响。
通常来说，动力电池的容量越大，其寿命就可能越长，因为在行驶同样里程的前提下，更大的动力电池经历的完全充放电循环次数往往更少，从而有利于减缓电池的衰减。
影响电动车充电速度的其他因素：
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电池容量：通常情况下，电池容量越大越容易实现大功率充电。例如特斯拉Model 3（电池容量约76kWh）的最高充电功率就远高于宝马i3（电池容量22.5kWh），这也是插电式混动车型（PHEV）通常很难实现快充的原因之一。
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电池SoC（电荷状态）：当电池越接近充满时，充电功率越会降低，以避免电芯过热导致的安全隐患。这便是快充在SoC处于0%-80%区间时效率最高的原因。 -
电池温度：电芯在20-25℃时效率最高。当电池温度过高或过低时，BMS会降低电流以保护电芯。 -
电池化学成分：电池生产商通常会根据目标用户的使用场景，对电池的尺寸、重量、性能等进行有针对性的设计，在性能与成本之间寻求最佳平衡点。不同化学成分的电池，因其材料的电导率、锂离子扩散系数不同，充电的速度也不相同。 -
充电桩功率：充电设施本身所能提供的功率大小，决定了电动车充电功率的上限。例如一个额定功率为50kW的直流充电桩，不可能以超过50kW的功率对电动车充电。
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配电电容：除充电设备本身之外，其所连接电网的配电电容，也约束着充电功率的大小。例如，通常共享同一条配电线缆的两根特斯拉V2超充桩，尽管单桩最高功率为150kW，但当它们同时为电动车充电时，分别只能达到约最高功率的一半。
因此，为提高电动车充电速度所作的尝试，本质上是在综合考虑以上全部因素的前提下，提升充电电压或加大充电电流。
二、“超充”的发展
迄今为止，全球主要的汽车公司，分别发布了三种不同的快充标准：CHAdeMO、CCS和GB/T。
这些标准互不兼容，每个标准都有自己的工作电压和电流、物理连接器、控制逻辑以及汽车和充电器之间的通信协议。
CHAdeMO是日产和三菱引领的日本快充标准，该名称既是Charge de Move的缩写，同时也是日语中“一杯茶”的谐音，暗示为车辆充电只需喝一杯茶的时间。2010年，CHAdeMO标准最初设计的充电功率为50kW，充电电压400V。
CCS（Combined Charging System，联合充电系统）由美系和德系八大厂商福特、通用、克莱斯勒、奥迪、宝马、奔驰、大众和保时捷于2012年联合发布。其将当时现行的所有充电接口统一起来，用一种接口就能够完成单相交流充电、快速三相交流充电、家用直流充电和超速直流充电四种模式。
中国于2015年推出了GB/T 20234-2015，该标准规定交流额定电压不超过690V，频率50Hz，额定电流不超过250A；直流额定电压不超过1000V，额定电流不超过400A。
除以上三种标准之外，2012年推出的特斯拉超级充电桩采用其独有标准，但特斯拉在欧洲和中国市场销售的汽车，会分别匹配CCS和GB/T端口。
自2012年推出Model S车型开始，特斯拉就同步推出了“超级充电桩”（Supercharger）。此后至今的8年当中，特斯拉快充技术一直是引领行业的标杆。2019年，第三代V3 Supercharger投入使用，最高充电功率达到250kW。
2015年，德国大众集团在评估特斯拉和电动车的未来时，得出了“超快速充电是实现电动车普及的关键前提”的结论。在大众携奥迪和保时捷的推动下，宝马、戴姆勒、欧宝等欧洲车企也加入进来，成立CharIN组织，并于2017年发布更新版的CCS标准，将最高充电功率提升至350kW。
2015年法兰克福车展上，奥迪发布了Q6 e-tron纯电概念车。据当时介绍，该车充电功率可达150kW，并将在2018年量产（奥迪e-tron实际量产时间后被推迟至2019年5月）。
同样在此次车展上，保时捷公布了Mission-E计划，预计2019年实现量产，并承诺实现300kW以上充电功率——这便是保时捷Taycan的前身。
此后，随着捷豹i-Pace等其他支持100kW以上充电功率的车型相继发布，一时间，超充能力被欧美传统车企们视为在续驶里程和动力性能之外，又一个击败特斯拉的潜在突破口。
由戴姆勒、宝马、大众和福特在2017年合资成立的超充站运营商Ionity，目前已在欧洲建成287座超充站，尽管由ABB为其提供的充电桩最高功率已经可以达到350kW，但当前市面上还没有任何一款电动车，能够真正实现这样的充电功率。
最接近这一目标的车型，当数人们已熟知的保时捷Taycan。
作为大众集团“皇冠上的钻石”的高性能品牌，保时捷毫不掩饰要造出比特斯拉更出色的电动汽车的意图。
单从充电性能看，保时捷确实做到了这一点：根据保时捷官方宣传资料显示，Taycan当前最高可支持270kW充电功率，且将在2021年升级至350kW。
这一数据得到了欧洲充电运营商FASTNED的实测验证：Taycan 4S Plus版本（电池包容量93.4kWh）在SoC 15%-22%的短暂区间内，的确达到了约270kW的充电功率，而当SoC上升至25%以上之后，充电功率迅速下降至200kW，接着在SoC 35%之后进一步下降至150kW。
与Taycan相比，特斯拉Model 3在实测中的最高充电功率达到251kW，而与Taycan同一级别的Model S，因其使用的电池系统比Model3更旧，仅支持最高125kW充电功率。
与Taycan从5%充至80%用时22.5分钟相比，根据MotorTrend的实测数据，使用V3超充桩将Model 3从5%充至80%需要28分钟。
从上图可以看到，当Model 3充电启动时，充电功率很快达到250kW，并保持到SoC 15%；随后迅速下降至175kW，并在此功率下保持到SoC 40%，然后开始持续线性下降。
与保时捷Taycan相似地，当Model 3 SoC达到80%时，充电功率大约在50kW。
放眼当前市面上在售的其他电动车型，最高充电功率均无法超过155kW：
事实上，当前国内市面上所用的公共快充桩，绝大多数支持的最高功率仍在70kW上下，远未达到“超充”水准。
而唯一与特斯拉Model 3在充电功率上处于同一水平的Taycan，受制于过高的售价，加之进入市场时间较短，因此在销量上还无法与前者相提并论。
因此，Model 3之所以能够取得统治级的市场表现，除了其产品力本身之外，特斯拉充电技术的先进性、充电体验的友好性，也是一个不容忽视的原因。
通过在销售电动车的同时布局超级充电站，特斯拉为用户带来的充电体验远超行业平均水平，成为助推其销量一路飙升、冠绝市场的重要原因之一。
三、“超充”突破口：高压电平台？
为了“击败”特斯拉Model S，在开始Mission-E产品定义时，保时捷对其客户进行了一次问卷调查，询问在他们心目中，一辆昂贵的高性能电动轿车应该具备什么样的功能特征。
调查结果显示，除了优秀的电池性能和续航里程，人们还希望电动车的充电时间不比燃油车长出太多。于是，保时捷将首款电动车的充电时间设定为15分钟。
尽管，在燃油车的世界里，普通私家车单次加满油的时长通常不超过5分钟，但电化学储能的固有属性，决定了电池的能量密度无法达到液态燃料的水准。为锂电池充电的效率，无论如何提升，也难以追得上将汽油注入油箱的速度。
此外，考虑到私人充电桩将会是很多私家车主（特别是保时捷车主这样的高收入人群）日常充电的主要方式，而人们使用公共充电桩的体验，将逐渐趋近于在公共场合为手机充电——在时间有限的情况下，并不需要每次都充满电，而是即充即走。因此，用15分钟充电补充约400公里续航（或用5分钟补充约150公里），是可以满足日常需求的，电动车用户最终也会适应这样的使用习惯。
根据保时捷的规划，Taycan车型在2021年将实现350kW超大功率充电（15分钟充电≈400公里）。保时捷预计，其他车企的高端电动车也将跟随这一标准，但无论如何，Taycan将成为首个实现350kW充电的车型，从而击败特斯拉。
在一次采访中，负责保时捷高压电子系统开发的约阿希姆·克莱默（Joachim Kramer）介绍说，“工程师们需要解决的，实际上是在电池容量和充电速度之间的权衡问题。电池容量越大，需要充电的频率就越低，但车辆的价格也相应地更高。”
经过研究，保时捷研发团队得出的结论是，在未来几年里，高端昂贵的电动汽车电池容量将保持在90至100 kWh。“十年后，也许会达到200kWh？”克拉默猜测道。
随着电池容量的提升，充电的功率也需要继续提高。
在Taycan诞生之前，市面上主流的插电式混动和纯电动车型，普遍在300-400V电压下运行。若在电压不变的情况下，需要加大电流才能实现更快速的充电，但这意味着电缆中的铜线尺寸将变得更粗、更重。
考虑到充电桩对各年龄及不同性别人群的通用性，要采用更粗、更重的充电线缆似乎并不现实。
更重要的是，电流的增大，将会导致充电接口和电池的温度急剧上升，带来棘手的热管理和安全问题。
权衡之下，保时捷选择将动力电池的电压翻倍，采用的方式则是将更多电芯进行串联组合。亦即，在电芯总数不变的情况下，将串联连接的电芯数量提高一倍，并联连接的电芯数量则减少一半。
Taycan的电池组位于整车前后轴之间，共包含396个64.6Ah的锂离子电芯，被平均分配在33个模组中，每个模组包括12个电芯，在电气层面上，将396个电芯分为两组并联，每组包含198个串联电芯。
因此，电池组的最大电压达到约835V（198*4.2V）。
此外，Taycan电池组还配备了低温液体冷却回路，该回路可冷却汽车的DC-DC转换器和高压增压器（独立的中温冷却回路用于冷却后桥模块，加热回路则用于高压加热器和HVAC系统）。
通过将整车平台的电压提高至800V，保时捷团队得以在电池组壳体、电力电子设备、永磁电机的缠绕线、连接车轮的电缆等部件减少材料用量，据克拉默预计，这为Taycan整车减重约30kg——即使对一辆超过2吨的纯电动车而言，这样的减重效果依然是颇有价值的。
对车上的其他部件来说，更高的电压意味着需要增加额外的绝缘、部件之间需要更大的间隙，以及更强大的冷却系统。
传统的保时捷供应商们，大都没有能力提供这样的部件；而有能力提供类似部件的供应商则多来自其他领域——例如为电动机车供应MOSFET的半导体供应商——因此无法满足环境、温度、抗震、寿命等车规级要求。
市面上能够满足超高电压、同时又实现了大规模量产的产品少之又少，如在微波炉中使用的磁控管，工作电压达到1000V以上，但其所能承受的电流只有1-2A。
面对这样的“非典型供应链问题”，保时捷不得不选择与供应商密切合作，共同开发、试制、测试、修改、再测试这些新开发的部件。
例如，保时捷在Taycan开发初期进行的测试显示，市场上现有电动车的充电接口，无法承受800V高压充电，因此需要针对800V电压重新开发专用接口。
此外，根据法规要求，电动汽车必须能够将其储存的电从高压系统中快速排出，因为在发生碰撞的情况下，车内的电能可能会引发救助人员触电。因此，车辆中的储能设计，需要将电能快速转移到各个部件，并保证这些部件可以同时快速关闭。
2019年9月，保时捷Taycan正式上市，成为首个搭载800V电压平台的乘用车量产车型。
同月，现代-起亚集团宣布，将在2021年发布搭载支持800V充电系统的车型。此外，通用汽车电动悍马、新兴造车企业Rivian和Lucid，也都宣布了将在新车型上搭载800V-900V高压平台。高端电动车的“高电压化”，似乎已成趋势。
于此同时，特斯拉却在继续坚持400V电压路线。
对于不断上探的充电功率，特斯拉也持有自己的观点。一位不愿具名的特斯拉高管曾在采访中表示，根据其所做调查，用户们更看重在等待充电时的放松体验——例如享用一杯咖啡——而非不断减少充电所需的时长。
马斯克也曾在2018年的一次电话会议上指出，充电功率超过250kW，将会破坏电池的化学结构。
四、结语
如果将超充比作一列高速行驶的列车，我们将更容易理解电池和车辆设计对充电速度的影响——增加机车的功率是相对容易的，但决定列车速度的，是铁轨的性能。
增加充电桩的功率是相对容易的，但决定充电速度的，是电动车动力电池的性能。
超大功率充电桩设备已不是实现超充的障碍——除上文提到的海外超充桩产品之外，在国内，由星星充电开发的液冷型大功率充电机，已在2019年实现单枪高达500kW输出功率的充电示范。
星星充电董事长邵丹薇在接受《建约车评》等媒体采访时自信地表示，奥迪、奔驰、捷豹路虎等几乎所有豪华品牌，都将在未来几年推出高压平台车型，届时，星星充电开发的超大功率充电桩将迎来用武之地。
呼吁更多的汽车制造商，尽快推出更高电压平台的电动车产品。
参考资料：
1. Porsche Claims It Can Double Tesla’s Fast-Charging Rate
https://spectrum.ieee.org/transportation/efficiency/porsche-claims-it-can-double-teslas-fastcharging-rate
2. Everything You've Always Wanted to Know About Fast Charging
https://fastnedcharging.com/hq/everything-youve-always-wanted-to-know-about-fast-charging/
3.Why Did Porsche Go to the Trouble of Designing an 800V Taycan EV?
https://chargedevs.com/newswire/why-did-porsche-go-to-the-trouble-of-designing-an-800-v-taycan-ev/
4.Rapid Charging: Mission “15 Minutes”
https://www.daimler.com/sustainability/battery-life-cycle/use-charging/ionity-report.html
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报告简介请点击：《中国汽车科技趋势报告（2020版）》
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