颠覆商用电动汽车：兆瓦级充电技术及其影响

随着世界加速迈向可持续的未来，商用车辆的电气化已变得愈发重要。本技术报告探讨了电动商用车辆行业对兆瓦级充电解决方案的日益增长的需求、面临的技术障碍、成本效益以及性能优势。

我们将探讨在商用车上实现兆瓦级充电所需承担的成本。在评估车辆期望的性能与充电速度时，必须了解这些技术支撑条件。我们的报告将逐一分析这些关键的技术要求，包括大容量电池、高故障电流保护系统以及先进的温度管理系统。这些因素都可能限制车辆的充电速度，而解决这些问题则需要额外的成本。通过分析不同商业模式下商用车的使用时间，我们将确定实现该商业模式电气化所需的充电速度。更快充电的主要优势在于能够灵活选择充电的时间和地点。我们提出了三种可能需要不同充电解决方案的潜在商业模式：

本地配送——能耗较低且可用停机时间较长，可通过相对较慢的150千瓦充电方式实现电气化。

中距离运输——能耗中等且可用停机时间也处于中等水平，目前350千瓦的充电速度已足以实现电气化。

长途运输——能耗高且可用停机时间较短，在实现电气化之前需要普及1兆瓦级的充电设施。

虽然所有纯电汽车应用都能从更快的充电速度带来的灵活性中受益，实际上大多数应用通过现有的1兆瓦充电设施就能实现电气化。但需明白，并非所有应用都需要兆瓦级充电。许多商业模式可以通过使用较慢的充电速度来实现全面电气化，并控制车辆成本。

通过创新的研究与开发，伊顿始终处于

处于开发可扩展且高效的车载充电解决方案的前沿，能够帮助汽车制造商和车队了解不同车辆应用场景下成本与收益之间的权衡关系。

更快充电的成本

这一讨论的核心是充电速度的概念，它是影响电动车辆实际应用和推广的关键因素。充电速度决定了车辆的运营模式，进而影响各种商业模式向电动化转型的可行性。虽然某些应用场景能够将电动汽车无缝整合到现有的业务框架中，但其他场景则可能需要新的技术或全新的商业模式，才能充分发挥电动化的优势。

认为快速充电等同于更优性能的观点确实有一定道理；然而，必须对汽车制造商和车队运营商所面临的种种限制进行全面分析。这包括评估车辆电气化带来的技术与经济影响，确保这一转型不仅在技术上可行，而且在长期市场环境中也能持续发展。

电池单元

电池单元就像人类偏爱恒温环境一样，在特定的温度范围内才能发挥最佳性能。理想情况下，这些电池单元在15至35摄氏度的温度区间内能高效运行。值得注意的是，其最佳工作温度范围可能会因电池单元所处的环境而有所不同

充电或放电的过程。图1展示了电池单体的温度与其相对性能之间的关系。在电池放电时的性能变化范围比充电时更广。

这一类比凸显了电动汽车中采用先进热管理系统的必要性。这类系统旨在将电池单体维持在“理想状态”，从而确保其性能稳定。此外，通过集成路线规划等智能功能，车辆能够提前预判即将进行的充电环节，从而对电池进行预先调节。这种主动式的处理方式有助于实现最佳的充电效率。

影响电池吸收能量的第二个因素是其当前的充电状态。这可以与人们进入电影院寻找座位的情景类比——给电池组充电也可以用类似的方式来理解。当“电影院”或电池组尚未被占用时，充电过程十分简单。但随着占用率上升，寻找可用的“座位”或电池内的充电接口就会变得越来越困难。图2以图形方式展示了这种关系。当充电状态接近满容量时，充电速度会下降到不再具有经济性的程度。与其缓慢等待，司机还不如驱车前往另一个充电地点，在电池电量较低时进行充电，这样效果会更好。

这种充电状态与驱动电机作为辅助制动装置的功能密切相关。因此，车辆必须在电池组中保留足够的电量储备，以确保具备充足的充电速率和储能能力来实现再生制动。一套先进的路线规划工具应能够预测能量消耗及能量回收情况，从而优化效率。

电池容量与C值

电池化学特性的一个关键方面在于电池组的理论最大充电速度与其容量之间的关系。

追求更快的电池化学反应速度是可行的，但往往会导致成本上升以及使用寿命的折损。目前商用电动汽车市场更倾向于采用磷酸铁锂（LFP）电池技术，因为它能在成本效益与耐用性之间取得平衡。

LFP电池技术的最新进展使其电芯的C率从大约2提升到了3到4之间。不过，即便C率为3，要达到兆瓦级充电标准（MCS）规定的3.75MW充电功率，车辆的电池容量也需要接近1000千瓦时。相反，400千瓦时的电池即可实现1MW的充电功率。虽然这一容量远大于轻型车辆所用的电池，但仍属于较为易管理的范围。

示例显示，当电池容量低于350千瓦时时，连接到1兆瓦充电器的3C电池其充电速度会受到限制；只有当电池容量超过这一数值时，才能发挥充电器的最大功率。

需要指出的是，更大的电池不仅能提升车辆的续航里程，并通过再生制动实现更高的能量回收率，还会影响车辆的载货能力。这种权衡凸显了在提升电动汽车性能与保持实际实用性之间的微妙平衡。

潜在的热管理瓶颈

在充电过程中，热限制是一个需要重点考虑的因素。电池及充电设施中的每个组件都可能成为热量积聚的瓶颈。电气系统中的损耗遵循I2r定律，即电阻损耗与电流的平方成正比。当电流在800到3000安培之间时，即使是微小的电阻增加，尤其是在接触器附近，也会导致大量热量产生。

图4展示了伊顿Breaktor®电路保护技术的热分析结果。该分析揭示了该技术的运行特性：能够持续承载350安的电流，而在短时间内可承受更高的电流。通过引入主动冷却机制，可以延长组件在安全温度范围内的工作时间。认清每个组件的各自局限，并在系统层面控制温度阈值，对于确保安全高效的运行至关重要。在车辆上实现这一管理的最佳方式是运用温度传感器和传递函数来监测组件的内部温度。借助主动监控系统，车辆便能在始终处于温度限制范围内的前提下，尽可能长时间地输出最大功率。

电力分配

高压系统设计不仅涉及运行参数，还包括为确保安全运行并最大限度降低故障影响而必需的保护策略。在采用多个电池组的场景中，每个电池组可能仅需管理部分充电电流，并承受相应比例的潜在故障风险。正因如此，每个电池组的电池断开单元（BDU）的设计要求可能类似于轻型车辆的应用标准。

如图5所示，Breaktor 900是针对单个电池组而言的最佳保护方案。它能够单独承受500千瓦的充电功率且持续时间有限，同时可抵御高达20千安的故障电流，在MCS电源被均匀分配后仍能满足单个电池组的需求。不过，其性能无法应对MCS端口处出现的高电流。

在MCS端口，系统必须具备抵御来自充电器或多个电池组同时引发的全面故障的能力。此类故障可能产生的电流高达70kA。因此，此处需要采用限流保护机制来有效保护车辆系统。正是在这种场景下，伊顿的卡车系列电动汽车保险丝显得尤为重要。这些保险丝可以并联使用，从而形成一种可扩展的保护策略，覆盖整个MCS电流范围。不过，这些保险丝必须与尺寸合适的接触器精确配合，以确保正常的开关操作，进而实现强大且可靠的高压系统设计。

充电过程

综合这些要素，让我们来具体描绘一次电动汽车充电过程。充电时间的计算取决于曲线下的面积。大多数充电系统都有限流机制，即充电器有最大电流输出限制。将这一数值乘以系统电压即可得到最大的峰值充电功率。通过采用降温策略或升级接触器等方式提高充电器或车辆的电流限制，可以提升峰值充电速度，从而缩短充满电所需的时间。

在1MW和500kW的充电场景中，系统仅在短时间内能保持最高充电速率，随后就会遇到热限制或电池本身的固有缺陷，从而不得不降低充电速度。相反，低于这些阈值的低功率充电模式则能在大部分充电时间内维持最高速率。这三种充电方式虽然都能输出相同的600kWh电量，但所需时间却大相径庭。

这些充电方案对于原始设备制造商（OEM）和车队运营商而言至关重要。他们必须将车辆的充电能力与其预定的使用场景相匹配。只有做到这种匹配，才能确保车辆性能符合其预期用途的要求。接下来，我们将探讨这些考量如何为OEM和车队运营商带来实际应用价值。

所需充电速度

要了解多快的充电速度才算足够，我们首先需要研究一些商用车辆的应用场景。通过结合NACFE“减少燃料消耗”计划中的实际数据以及一种理论上的长途卡车运输场景，我们来分析车辆一天内所需的能量与可用的充电时间之间的关系。

本地配送应用

第一个应用案例是由彭斯克公司提供的、用于NACFE数据的本地配送车辆。在这种应用中，该车辆每天单班次需完成约200公里的短途本地配送任务。这意味着它仅需消耗大约250千瓦时的电量，且在仓库中有超过15小时的停机时间用于补充电量。理论上，这可以通过市面上的二级交流充电方式来实现，但车辆在非行驶状态下必须始终处于接电状态。实际上，彭斯克公司采用150千瓦的直流快速充电技术，能够在车辆单班次结束后的2小时内为其补满电量，之后再将车辆移至仓库的常规停车位，这种方式能够集中所需的基础设施来应对多辆车辆，同时保持其运营灵活性。表2和图7展示了这一应用案例。

区域配送应用

第二个案例同样来自Run on Less Electric Depot。百事公司在此使用特斯拉半挂卡车执行区域配送任务。这些车辆在两个驾驶班次中，每24小时可行驶最多965公里。因此，在每个班次结束后的3小时内仅有有限时间用于补充电量。通过分析所有可用时间，理论上采用250千瓦的充电功率即可满足需求，但这意味着车辆在静止的每一刻都必须进行最大功率充电。

实际应用中，百事公司使用600千瓦的充电功率为卡车补电

通过两次各两小时的充电过程，不仅提升了灵活性，还增加了车辆可用时间。表3和图8展示了这一应用情况。

长途运输应用

最后要探讨的是长途卧铺式驾驶室的理论示例。这类车型通常被视为最难实现电气化的应用之一，因为目前它依赖的是分散的加氢站网络，而非由车队或运营商拥有的集中式充电站。

在大多数国家，法律要求长途卡车司机必须每隔一定时间休息。理想情况下，10小时的休息时间以及白天的所有常规停靠点都可以用于为车辆充电，这样运营商每天可行驶965公里，且仅需150千瓦的充电功率。但由于充电点分布极为分散，每当卡车停止行驶时都难以找到充电接口，这几乎是不可能做到的。

因此，我们必须假设这辆卡车在一天中只能找到充电接口的次数有限，并且在夜间休息期间不会充电，这样一来，每天可用于充电的时间仅约为3小时。这一设定更贴近当前依靠休息站和柴油加注站的模式。根据这个可用时间，再加上车辆所需的行驶里程，理论上需要666千瓦的充电功率。综合考虑我们所了解的关于高峰充电限制及灵活性方面的因素，就需要1兆瓦或更高功率的充电器。表4和图9展示了这一理论场景。

这并不是说兆瓦级充电就能解决与长途卡车电动化相关的所有问题，充电器的供应和电网连接仍将面临挑战。但这项分析表明，如果1兆瓦级充电能够广泛普及，即便是最困难的应用场景也有可能实现电动化。

多快才算足够快？

最后，让我们把整体情况梳理一下。不同应用在一天中所需的能量与可充电时间各不相同。图10通过阴影区域直观展示了所研究的三种应用情况。通过绘制不同峰值充电率的曲线，我们可以确定一个阈值，低于该阈值的场景才有可能由特定的充电器来支持。

将我们分析过的三个案例纳入该图表后，可以清晰看出每种场景都能通过不同的充电网络来满足需求。同时这也表明，大多数应用都可以依靠广泛存在的1MW充电基础设施得到充分支持。

MCS标准虽允许

最高3.75MW的充电功率，但需注意的是，实现如此高功率充电所带来的成本往往会呈指数级上升。因此，只有少数特定应用才有理由采用这种高功率充电方式。这样的设计能够在运营效率与成本效益之间实现平衡。

结论

每款商用车的应用场景都是独特的，因此需要对其能源需求以及电动化的商业可行性进行单独评估。了解提升充电性能的局限性与成本，有助于车队和原始设备制造商分析快速充电所带来的成本与灵活性优势。并不存在适用于所有情况的解决方案。许多应用场景已能通过现有的充电技术得到满足，而大功率充电设施的普及将为当今大多数商用车应用开启电动化的大门。

关于伊顿：伊顿长期以来一直是商用车领域的领先供应商。随着我们面向电气化推出的产品阵容不断扩展，伊顿成为 OEM 客户了解成本效益平衡的理想合作伙伴。我们在电源分配与保护方面的专业能力，能够帮助 OEM 厂商设计出符合客户需求且具有成本效益的高压架构。

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