新能源汽車(chē)快充行業(yè)專(zhuān)題報(bào)告

: 電力網(wǎng); 2023-11-06; 來(lái)源：未來(lái)智庫(kù); 瀏覽：

　　01 充電問(wèn)題仍是核心痛點(diǎn)，快充技術(shù)有望迎來(lái)機(jī)遇

　　充電問(wèn)題是新能源車(chē)核心痛點(diǎn)，快充樁建設(shè)有望緩解補(bǔ)能焦慮

　　充電不便、充電慢仍是新能源汽車(chē)痛點(diǎn)，加快快充樁建設(shè)逐步成為共識(shí)。隨著國(guó)家購(gòu)車(chē)補(bǔ)貼政策的逐步退出，新能源汽車(chē)發(fā)展由政策驅(qū)動(dòng)逐步向市場(chǎng)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)變，用戶對(duì)新能源汽車(chē)功能、性價(jià)比等要求也在不斷提升。未來(lái)如何解決用戶購(gòu)用車(chē)過(guò)程中遇到的問(wèn)題，進(jìn)而提升新能源汽車(chē)的用車(chē)體驗(yàn)，成為下一階段新能源汽車(chē)的重要發(fā)展方向。

　　據(jù)《中國(guó)高壓快充產(chǎn)業(yè)發(fā)展報(bào)告(2023-2025)》，影響電動(dòng)汽車(chē)購(gòu)買(mǎi)的因素涵蓋充電、電池壽命、安全性等多個(gè)方面，其中充電問(wèn)題是影響用戶選擇電動(dòng)汽車(chē)的核心障礙。當(dāng)前電動(dòng)汽車(chē)平均充電時(shí)長(zhǎng)普遍在1小時(shí)及以上，且匹配快充需求的直流充電樁數(shù)量不足，無(wú)法滿足用戶快速補(bǔ)能需求。因此，加大充電樁規(guī)模建設(shè)并提升快充樁比例正逐步成為業(yè)界共識(shí)。

　　快充主流路線為高電壓，國(guó)內(nèi)外車(chē)企積極布局

　　高電壓快充路線成為主流。據(jù)《純電動(dòng)汽車(chē)高電壓快充平臺(tái)技術(shù)趨勢(shì)》，充電速度的提升意味著充電功率的提升，充電功率則由充電電壓乘以充電電流決定 (P=UI);目前，行業(yè)內(nèi)大多采用高電壓路線以實(shí)現(xiàn)車(chē)端快速補(bǔ)能。據(jù)聯(lián)合電子公眾號(hào)，目前主流新能源整車(chē)高壓電氣系統(tǒng)電壓范圍一般為230V-450V，統(tǒng)稱(chēng)為400V系統(tǒng);快充應(yīng)用下，整車(chē)高壓電氣系統(tǒng) 電壓范圍提升到550-930V，可統(tǒng)稱(chēng)為800V系統(tǒng)。繼2019年保時(shí)捷推出了全球首款搭載800V高壓平臺(tái)的量產(chǎn)車(chē)型Taycan后，包括比亞迪、小鵬、理想、現(xiàn)代、奧迪、奔馳、大眾等國(guó)內(nèi)外知名車(chē)企均已推出或即將推出搭載高壓平臺(tái)的車(chē)型。

　　政策與技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)陸續(xù)出臺(tái)，推動(dòng)快充發(fā)展持續(xù)完善

　　“快充為主、慢充為輔”政策引領(lǐng)，技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)持續(xù)完善。政策層面，2021年11月，國(guó)家發(fā)改委發(fā)布《新能源汽車(chē)產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃(2021—2035年)》，規(guī)劃提出“加快形成適度超前、快充為主、慢充為輔的高速公路和城鄉(xiāng)公共充電網(wǎng)絡(luò)”。此外，北京、重慶等地也陸續(xù)出臺(tái)有關(guān)快充樁以及大功率充電樁的相關(guān)政策。技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)層面，相關(guān)部門(mén)積極推進(jìn)充電標(biāo)準(zhǔn)的制定，以此適應(yīng)新能源汽車(chē)高壓化、大功率充電等發(fā)展需求，進(jìn)一步提升充電連接裝置產(chǎn) 品的適用性和規(guī)范性。

　　02 快充技術(shù)引領(lǐng)電池變革，材料體系有望持續(xù)完善

　　高壓架構(gòu)帶動(dòng)零件升級(jí)，電池成本增量最為顯著

　　高壓架構(gòu)推動(dòng)多系統(tǒng)升級(jí)，電池占成本增量比例過(guò)半。由于現(xiàn)有技術(shù)大多采用高壓快充路線，因此這里著重探討高壓架構(gòu)會(huì)給整車(chē)各系統(tǒng)帶來(lái)的變動(dòng)。目前，電動(dòng)汽車(chē)的整體架構(gòu)主要包括三電系統(tǒng)(電池、電機(jī)、電控)、小三電系統(tǒng)(OBC、DC-DC變換器、PDU)等。其中，電機(jī)、電控以及減速器等部件也可合并稱(chēng) 為電驅(qū)系統(tǒng)，OBC(車(chē)載充電機(jī))和DC-DC轉(zhuǎn)換器也可統(tǒng)稱(chēng)為車(chē)載電源。電壓平臺(tái)升級(jí)將帶來(lái)系統(tǒng)終端價(jià)值量提升。電動(dòng)汽車(chē)高壓架構(gòu)的應(yīng)用下，電池、電機(jī)電控、OBC、DC-DC轉(zhuǎn)換器等多個(gè)部件也隨之更新升級(jí)。據(jù)《中國(guó)高壓快充產(chǎn)業(yè)發(fā)展報(bào)告(2023-2025)》，以較為成熟的2C和采用150kW前驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)為例，若將450V電壓平臺(tái)更換為950V電壓平臺(tái)，單車(chē)零件成本合計(jì)增加約6500元;其中，電芯單車(chē)成本增加3500元，占成本增量比例過(guò)半;電機(jī)電控/OBC+DCDC 成本分別增加2000/800元，和電芯一起構(gòu)成高壓平臺(tái)升級(jí)的主要成本增量來(lái)源。

　　電池快充技術(shù)持續(xù)提升，可體現(xiàn)為倍率性能優(yōu)異

　　快充性能涉及充電速度和電池容量保持等多方面。就電池層面而言，快充的實(shí)現(xiàn)通常與高電流密度下的倍率性能有關(guān)。據(jù)格瑞普電池官網(wǎng)，倍率可表示為C值，用公式可表示為充放電電流/電池額定容量，即倍率的提升可以通過(guò)提升充放電電流或降低電池額定容量實(shí)現(xiàn);倍率的提升同時(shí)也代表著電池充放電速度提升，例如以0.2C倍率放電需5小時(shí)放電完畢，而以1C倍率放電僅需1小時(shí)即可放電完畢，充電亦如此。據(jù)《Fast Charging of Lithium-Ion Batteries: A Review of Materials Aspects》，USABC(美國(guó)先進(jìn)電池聯(lián)盟)將快充目標(biāo)設(shè)定在15分鐘內(nèi)將電池充至80%的荷電狀態(tài)(SOC)。此外，據(jù)北交新源公眾號(hào)，良好的倍率性能不僅代表著高倍率下的電池保持高能量傳輸速度，同時(shí)也需要保證不會(huì)損失過(guò)多能量或發(fā)生過(guò)熱。

　　快充核心在于鋰離子傳輸，負(fù)極和電解液等材料升級(jí)有望改善

　　鋰離子傳輸是影響快充核心，重點(diǎn)聚焦負(fù)極和電解液等材料。據(jù) 《鋰離子電池快速充電研究進(jìn)展》：鋰電池也被稱(chēng)為“搖椅”式電池，鋰離子傳輸是影響充電過(guò)程的重要因素。在充電過(guò)程中，鋰離子的路徑大致為：從正極材料中脫出，通過(guò)正極/電解質(zhì)界面(CEI)進(jìn)入電解液，并以溶劑化的形式移動(dòng)至負(fù)極，在去溶劑化后穿過(guò) 負(fù)極表面的固體/電解質(zhì)界面(SEI)嵌入負(fù)極層狀結(jié)構(gòu)中并與電子結(jié)合。對(duì)于電極材料而言，材料內(nèi)部離子傳輸通道及材料顆粒的形態(tài)、形狀和取向等是影響鋰離子的擴(kuò)散的重要因素，其中負(fù)極相較正極受影響更大。對(duì)于電解液而言，由于傳統(tǒng) 的電解液在氧化還原穩(wěn)定性上具備劣勢(shì)，快充會(huì)使其不斷分解并形成EEI層，導(dǎo)致鋰離子呈現(xiàn)較慢的傳輸動(dòng)力學(xué);同時(shí)，傳統(tǒng)電解液的溶劑化結(jié)構(gòu)去溶劑化勢(shì)壘較高，對(duì)鋰離子的擴(kuò)散形成阻礙。因此，如何顯著提升鋰離子在負(fù)極、電解液等材料中的擴(kuò) 散動(dòng)力學(xué)成為當(dāng)下研究的重點(diǎn)。

　　負(fù)極包覆材料具備較大層間距，有效提升快充性能

　　包覆材料通常為無(wú)定形碳，可改善鋰離子擴(kuò)散性能。除二次造粒外，包覆工序也可提升石墨材料快充性能。據(jù)翔豐華招股書(shū)，包覆碳化是指以石墨類(lèi)碳材料作為“核芯”，在其表面包覆一層均勻的無(wú)定形碳材料，形成類(lèi)似“核-殼”結(jié)構(gòu)的顆粒;通常用的無(wú)定形碳材料的前軀體有酚醛樹(shù)脂、瀝青、檸檬酸等低溫?zé)峤馓疾?料，由于無(wú)定形碳材料的層間距比石墨大，因此可改善鋰離子在其中的擴(kuò)散性能，從而提高石墨材料的大電流充放電性能。此外，為了避免瀝青等材料在碳化過(guò)程中可能出現(xiàn)的各向異性并進(jìn)而影響倍率性能的問(wèn)題，現(xiàn)有專(zhuān)利提出通過(guò)改性劑(酚醛樹(shù)脂、殼聚糖、聚酰亞胺、聚酰胺或PET等)對(duì)基底材料(瀝青)進(jìn)行改性(高溫?cái)嚢杌旌系?，而后對(duì)石墨進(jìn)行包覆，此后在熱處理過(guò)程中便可構(gòu)筑具有各向同性的碳包覆層結(jié)構(gòu)，從而進(jìn)一步提升材料的快充性能。

　　電池倍率性能需求提升，有望驅(qū)動(dòng)碳納米管導(dǎo)電劑應(yīng)用升級(jí)

　　導(dǎo)電劑加速離子&電子移動(dòng)速率，碳納米管較常規(guī)導(dǎo)電劑性能更優(yōu)。除鋰電池主材外，導(dǎo)電劑作為鋰電池的材料構(gòu)成中的關(guān)鍵輔材，同樣影響著鋰電池的倍率性能。據(jù)GGII，導(dǎo)電劑在活性物質(zhì)之間、活性物質(zhì)與集流體之間起到收集微電流的作用，以減小電極的接觸電阻并加速電子的移動(dòng)速率，同時(shí)也能有效提高鋰離子在電極材料中的遷移速率，從而提高電極的充放電效率。據(jù)GGII，目前市場(chǎng)上應(yīng)用的鋰電池導(dǎo)電劑包括以炭黑、導(dǎo)電石墨為代表的常規(guī)導(dǎo)電劑和以碳納米管、石墨烯為代表的新型導(dǎo)電劑。據(jù)天奈科技招股書(shū)，相較于常規(guī)導(dǎo)電劑的代表炭黑，碳納米管具有更好的導(dǎo)電性能，并能夠使鋰電池保持良好的電子和離子傳導(dǎo);此外，碳納米管憑借其較高長(zhǎng)徑比的特性，相較于炭黑能夠進(jìn)一步提高鋰電池的倍率性能。據(jù)GGII預(yù)計(jì)，在高倍率電池需求增加等因素的推動(dòng)下，新型導(dǎo)電劑將在未來(lái)幾年逐步替代傳統(tǒng)導(dǎo)電劑，其中碳納米管有望成為市場(chǎng)主流。此外，碳納米管一般分為單壁和多壁碳納米管，單壁碳納米管因?yàn)殚L(zhǎng)徑比更大，從而擁有更優(yōu)的理化性能和導(dǎo)電性能，有望成為碳納米管未來(lái)的重點(diǎn)發(fā)展方向。

　　03 高壓架構(gòu)推動(dòng)零件升級(jí)，碳化硅應(yīng)用有望逐步擴(kuò)大

　　電驅(qū)系統(tǒng)核心為電控，功率器件是電控關(guān)鍵部件

　　輕量化集成化趨勢(shì)明顯，電機(jī)和電控等通常集成為電驅(qū)系統(tǒng)。除電池系統(tǒng)外，電機(jī)和電控部分也是整車(chē)高壓架構(gòu)下成本提升較多的部分之一。目前，隨著新能源汽車(chē)在輕量化、空間布局優(yōu)化等方面要求逐步提升，電驅(qū)系統(tǒng)集成產(chǎn)品逐步成為行業(yè)發(fā)展趨勢(shì)。據(jù)威邁斯招股書(shū)，新能源汽車(chē)電驅(qū)系統(tǒng)主要包括電機(jī)控制器、驅(qū)動(dòng)電機(jī)和減速器，其工作原理為：電機(jī)控制器基于整車(chē)控制指令和實(shí)時(shí)響應(yīng)的軟件算法，高頻精確地控制電力電子元器件的開(kāi)關(guān)動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)對(duì)驅(qū)動(dòng) 電機(jī)的控制，最終通過(guò)減速器中精密機(jī)械零部件實(shí)現(xiàn)對(duì)外傳輸動(dòng)力。

　　電控為電驅(qū)系統(tǒng)核心部件，功率器件則是電控的關(guān)鍵部分。據(jù)威邁斯招股書(shū)，電機(jī)控制器主要功能是將來(lái)自動(dòng)力電池的直流電轉(zhuǎn)換成三相交流電，根據(jù)整車(chē)控制指令來(lái)控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)，或者將電機(jī)制動(dòng)時(shí)的動(dòng)能轉(zhuǎn)換為直流電，為動(dòng)力電池充電。電機(jī)控制器包含大量的控制理論、濾波算法、空間矢量控制、PID 控制器、傳感器理論、電磁兼容等技術(shù)，是電驅(qū)系統(tǒng)中的核心部件。據(jù)聯(lián)合電子公眾號(hào)，逆變器是電控中實(shí)現(xiàn)能量交直流轉(zhuǎn)化的關(guān)鍵部件，而功率器件又是逆變器實(shí)現(xiàn)高傳輸效率、高功率密度的關(guān)鍵，因此功率器件是整個(gè)電驅(qū)系統(tǒng)較為核心的部件。

　　車(chē)載電源用于電壓轉(zhuǎn)換和變換，功率器件亦為重要部分

　　車(chē)載電源產(chǎn)品包括OBC和DC-DC變換器等，功率器件為重要原材料之一。除電動(dòng)汽車(chē)的電驅(qū)系統(tǒng)外，承擔(dān)交直流電轉(zhuǎn)換、高低電壓轉(zhuǎn)換等功能的功率器件也是車(chē)載電源的組成部分。車(chē)載電源包括OBC、DC-DC 變換器等，是電動(dòng)汽車(chē)架構(gòu)的重要組成部分。據(jù)威邁斯招股書(shū)，車(chē)載充電機(jī)(On-board charger，OBC)是指固定安裝在新能源汽車(chē)上的充電機(jī)，主要應(yīng)用于交流電充電方式的場(chǎng)景中。在充電過(guò)程中，車(chē)載充電機(jī)依據(jù)電池管理系統(tǒng)(BMS)的控制信號(hào)，將單相交流電 (220V)或三相交流電(380V)轉(zhuǎn)換為動(dòng)力電池可以使用的高壓直流電，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)新能源汽車(chē)動(dòng)力電池的充電。 DC/DC變換器則用于高低電壓的變換。據(jù)威邁斯招股書(shū)，車(chē)載DC/DC變換器的輸入端為動(dòng)力電池，輸出端口連接整車(chē)低壓用電設(shè)備和低壓蓄電池。新能源汽車(chē)中的車(chē)燈、儀表、電動(dòng)車(chē)窗、電動(dòng)座椅等常見(jiàn)低壓用電設(shè)備在運(yùn)行時(shí)無(wú)法直接從高壓動(dòng)力電池取電，需要從低壓蓄電池取電或借助DC/DC變換器進(jìn)行高低壓變換后才能從高壓動(dòng)力電池取電，同時(shí)低壓蓄電池中儲(chǔ)存的能量同樣是通過(guò)DC/DC變換器從高壓動(dòng)力電池取電獲得。

　　04 快充技術(shù)普及，推動(dòng)充電設(shè)施技術(shù)升級(jí)

　　快充通常指直流樁充電，目前提升空間較大

　　從公共充電樁的結(jié)構(gòu)來(lái)看，直流樁仍有較大提升空間。交流充電系統(tǒng)一般被稱(chēng)為“慢充”，而直流充電系統(tǒng)一般被稱(chēng)為“快充”。據(jù)中國(guó)充電聯(lián)盟數(shù)據(jù)，從2022年到2023年9月，直流公共充電樁的占比整體保持穩(wěn)定，且總體低于交流公共充電樁的占比;截至2023年9月，公共直流樁保有量占公共充電樁保有量的比例為43.1%。考慮到充電難、充電慢依然是當(dāng)前使用新能源汽車(chē)過(guò)程中需要解決的痛點(diǎn)之一，在之后的充電基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)過(guò)程中，直流公共充電樁的占比有望持續(xù)提升。

　　充電模塊是直流樁核心，成本占比與技術(shù)壁壘相對(duì)較高

　　充電模塊是直流充電樁的核心設(shè)備，成本占比高。根據(jù)優(yōu)優(yōu)綠能招股說(shuō)明書(shū)(申報(bào)稿)，充電模塊對(duì)電能起到控制、轉(zhuǎn)換的作用，是直流充電樁、充電柜等新能源汽車(chē)直流充電設(shè)備中最為重要的部件，其性能不僅直接影響直流充電設(shè)備的整體性能，同樣也關(guān)聯(lián)著充電安全等問(wèn)題，被譽(yù)為直流充電設(shè)備的“心臟”;從成本角度考慮，充電模塊占據(jù)整個(gè)直流充電樁成本的45%至55%左右。

　　充電模塊環(huán)節(jié)技術(shù)壁壘相對(duì)較高。根據(jù)優(yōu)優(yōu)綠能招股說(shuō)明書(shū)(申報(bào)稿)，充電模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，內(nèi)含電子元器件眾多，單個(gè)充電模塊內(nèi)含超過(guò)2500個(gè)電子元器件，是影響直流充電設(shè)備性能的重要部件;而快充對(duì)模塊的性能提出更高的要求，隨著電壓和功率等級(jí)的提升，關(guān)于模塊的電路拓?fù)?、控制算法?高頻磁性元件、散熱結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)難度提高，與此同時(shí)還要保證模塊的安全性和可靠性。因此，充電模塊具有相對(duì)較高的技術(shù)壁壘。

　　大功率快充產(chǎn)熱較多，液冷充電模塊具備優(yōu)勢(shì)

　　大功率快充產(chǎn)熱較多，傳統(tǒng)直通風(fēng)的風(fēng)冷模式易發(fā)生故障。據(jù)芝能汽車(chē)公眾號(hào)，直流充電是電動(dòng)車(chē)最大的產(chǎn)熱工作模式，在該工作場(chǎng)景下充電高壓回路會(huì)產(chǎn)生大量的熱。熱損耗會(huì)隨著功率變大而變大，大功率快充會(huì)帶來(lái)發(fā)熱量的大幅增加。根據(jù)優(yōu)優(yōu)綠能招股說(shuō)明書(shū)(申報(bào)稿)，目前直通風(fēng)的風(fēng)冷模式應(yīng)用較為廣泛，但由于充電樁安裝在室外，而室外較為惡劣的環(huán)境易導(dǎo)致充電模塊發(fā)生故障;因此，當(dāng)前行業(yè)內(nèi)已發(fā)展出獨(dú)立風(fēng)道散熱方式，通過(guò)對(duì)風(fēng)道設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化，將電子元器件設(shè)計(jì)在模塊上方密閉箱體中，密閉箱體下側(cè)放置散熱器，對(duì)散熱器和密閉箱體四周進(jìn)行防水防塵設(shè)計(jì)，將發(fā)熱電子元器件集中貼在散熱器內(nèi)側(cè)，風(fēng)扇僅對(duì)散熱器外側(cè)吹風(fēng)散熱，使電子元器件免于粉塵污染和腐蝕，可以達(dá)到減少產(chǎn)品故障率的目的。

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