01 充電問題仍是核心痛點,快充技術(shù)有望迎來機遇
充電問題是新能源車核心痛點,快充樁建設(shè)有望緩解補能焦慮
充電不便、充電慢仍是新能源汽車痛點,加快快充樁建設(shè)逐步成為共識。 隨著國家購車補貼政策的逐步退出,新能源汽車發(fā)展由政策驅(qū)動逐步向市場驅(qū)動轉(zhuǎn)變,用戶對新能源汽車功能、性價比等要求也在不斷 提升。未來如何解決用戶購用車過程中遇到的問題,進而提升新能源汽車的用車體驗,成為下一階段新能源汽車的重要發(fā)展方向。
據(jù)《中國高壓快充產(chǎn)業(yè)發(fā)展報告(2023-2025)》,影響電動汽車購買的因素涵蓋充電、電池壽命、安全性等多個方面,其中充電問題 是影響用戶選擇電動汽車的核心障礙。當前電動汽車平均充電時長普遍在1小時及以上,且匹配快充需求的直流充電樁數(shù)量不足,無法 滿足用戶快速補能需求。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。
快充主流路線為高電壓,國內(nèi)外車企積極布局
高電壓快充路線成為主流 。據(jù)《純電動汽車高電壓快充平臺技術(shù)趨勢》,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現(xiàn)車端快速補能。 據(jù)聯(lián)合電子公眾號,目前主流新能源整車高壓電氣系統(tǒng)電壓范圍一般為230V-450V,統(tǒng)稱為400V系統(tǒng);快充應(yīng)用下,整車高壓電氣系統(tǒng) 電壓范圍提升到550-930V,可統(tǒng)稱為800V系統(tǒng)。繼2019年保時捷推出了全球首款搭載800V高壓平臺的量產(chǎn)車型Taycan后,包括比亞迪、 小鵬、理想、現(xiàn)代、奧迪、奔馳、大眾等國內(nèi)外知名車企均已推出或即將推出搭載高壓平臺的車型。
政策與技術(shù)標準陸續(xù)出臺,推動快充發(fā)展持續(xù)完善
“快充為主、慢充為輔”政策引領(lǐng),技術(shù)標準持續(xù)完善。 政策層面,2021年11月,國家發(fā)改委發(fā)布《新能源汽車產(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)出臺有關(guān)快充樁以及大功率充電樁的相關(guān)政策。 技術(shù)標準層面,相關(guān)部門積極推進充電標準的制定,以此適應(yīng)新能源汽車高壓化、大功率充電等發(fā)展需求,進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)帶動零件升級,電池成本增量最為顯著
高壓架構(gòu)推動多系統(tǒng)升級,電池占成本增量比例過半。 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)會給整車各系統(tǒng)帶來的變動。目前,電動汽車的整體架構(gòu)主要包括 三電系統(tǒng)(電池、電機、電控)、小三電系統(tǒng)(OBC、DC-DC變換器、PDU)等。其中,電機、電控以及減速器等部件也可合并稱 為電驅(qū)系統(tǒng),OBC(車載充電機)和DC-DC轉(zhuǎn)換器也可統(tǒng)稱為車載電源。 電壓平臺升級將帶來系統(tǒng)終端價值量提升。電動汽車高壓架構(gòu)的應(yīng)用下,電池、電機電控、OBC、DC-DC轉(zhuǎn)換器等多個部件也隨之 更新升級。據(jù)《中國高壓快充產(chǎn)業(yè)發(fā)展報告(2023-2025)》,以較為成熟的2C和采用150kW前驅(qū)動系統(tǒng)為例,若將450V電壓平臺更換 為950V電壓平臺,單車零件成本合計增加約6500元;其中,電芯單車成本增加3500元,占成本增量比例過半;電機電控/OBC+DCDC 成本分別增加2000/800元,和電芯一起構(gòu)成高壓平臺升級的主要成本增量來源。
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提升充放電電流或降低電池額定容量實現(xiàn);倍率的提升同時也代表著電池充放電速度提升,例 如以0.2C倍率放電需5小時放電完畢,而以1C倍率放電僅需1小時即可放電完畢,充電亦如此。據(jù)《Fast Charging of Lithium-Ion Batteries: A Review of Materials Aspects》,USABC(美國先進電池聯(lián)盟)將快充目標設(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,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,同時也需要保證不會損失過多能量或發(fā)生過熱。
快充核心在于鋰離子傳輸,負極和電解液等材料升級有望改善
鋰離子傳輸是影響快充核心,重點聚焦負極和電解液等材料。據(jù) 《鋰離子電池快速充電研究進展》: 鋰電池也被稱為“搖椅”式電池,鋰離子傳輸是影響充電 過程的重要因素。在充電過程中,鋰離子的路徑大致為: 從正極材料中脫出,通過正極/電解質(zhì)界面(CEI)進入電 解液,并以溶劑化的形式移動至負極,在去溶劑化后穿過 負極表面的固體/電解質(zhì)界面(SEI)嵌入負極層狀結(jié)構(gòu)中并 與電子結(jié)合。 對于電極材料而言,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散的重要因素,其 中負極相較正極受影響更大。對于電解液而言,由于傳統(tǒng) 的電解液在氧化還原穩(wěn)定性上具備劣勢,快充會使其不斷 分解并形成EEI層,導(dǎo)致鋰離子呈現(xiàn)較慢的傳輸動力學;同 時,傳統(tǒng)電解液的溶劑化結(jié)構(gòu)去溶劑化勢壘較高,對鋰離 子的擴散形成阻礙。 因此,如何顯著提升鋰離子在負極、電解液等材料中的擴 散動力學成為當下研究的重點。
負極包覆材料具備較大層間距,有效提升快充性能
包覆材料通常為無定形碳,可改善鋰離子擴散性能。 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,包覆碳化是指以石墨類碳材料作為“核芯”,在其表面包覆一 層均勻的無定形碳材料,形成類似“核-殼”結(jié)構(gòu)的顆粒;通常用的無定形碳材料的前軀體有酚醛樹脂、瀝青、檸檬酸等低溫熱解碳材 料,由于無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程中可能出現(xiàn)的各向異性并進而影響倍率性能的問題,現(xiàn)有專利提出通過改性劑(酚醛樹脂、殼聚 糖、聚酰亞胺、聚酰胺或PET等)對基底材料(瀝青)進行改性(高溫攪拌混合等),而后對石墨進行包覆,此后在熱處理過程中便可 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)動碳納米管導(dǎo)電劑應(yīng)用升級
導(dǎo)電劑加速離子&電子移動速率,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速率,同時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,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徑比的特性,相較于炭黑能夠進一步提高鋰電池的倍率性能。據(jù)GGII預(yù)計,在高倍率電池需求增加等因素的推動下, 新型導(dǎo)電劑將在未來幾年逐步替代傳統(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 碳納米管因為長徑比更大,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的重點發(fā)展方向。
03 高壓架構(gòu)推動零件升級,碳化硅應(yīng)用有望逐步擴大
電驅(qū)系統(tǒng)核心為電控,功率器件是電控關(guān)鍵部件
輕量化集成化趨勢明顯,電機和電控等通常集成為電驅(qū)系統(tǒng)。 除電池系統(tǒng)外,電機和電控部分也是整車高壓架構(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。據(jù)威邁斯招股書,新能源汽車電驅(qū)系統(tǒng)主要包括電機控制器、驅(qū)動電機和減 速器,其工作原理為:電機控制器基于整車控制指令和實時響應(yīng)的軟件算法,高頻精確地控制電力電子元器件的開關(guān)動作,實現(xiàn)對驅(qū)動 電機的控制,最終通過減速器中精密機械零部件實現(xiàn)對外傳輸動力。
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,電機控制器主要功能是將來自動力電池的直流電轉(zhuǎn)換成三相交流電,根據(jù)整車控制指令來控制驅(qū)動電機的運轉(zhuǎn),或者 將電機制動時的動能轉(zhuǎn)換為直流電,為動力電池充電。電機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,逆變器是電控中實現(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電驅(qū)系統(tǒng)較為核心的部件。
車載電源用于電壓轉(zhuǎn)換和變換,功率器件亦為重要部分
車載電源產(chǎn)品包括OBC和DC-DC變換器等,功率器件為重要原材料之一。 除電動汽車的電驅(qū)系統(tǒng)外,承擔交直流電轉(zhuǎn)換、高低電壓轉(zhuǎn)換等功能的功率器件也是車載電源的組成部分。車載電源包括OBC、DC-DC 變換器等,是電動汽車架構(gòu)的重要組成部分。據(jù)威邁斯招股書,車載充電機(On-board charger,OBC)是指固定安裝在新能源汽車上的 充電機,主要應(yīng)用于交流電充電方式的場景中。在充電過程中,車載充電機依據(jù)電池管理系統(tǒng)(BMS)的控制信號,將單相交流電 (220V)或三相交流電(380V)轉(zhuǎn)換為動力電池可以使用的高壓直流電,從而實現(xiàn)對新能源汽車動力電池的充電。 DC/DC變換器則用于高低電壓的變換。據(jù)威邁斯招股書,車載DC/DC變換器的輸入端為動力電池,輸出端口連接整車低壓用電設(shè)備和低 壓蓄電池。新能源汽車中的車燈、儀表、電動車窗、電動座椅等常見低壓用電設(shè)備在運行時無法直接從高壓動力電池取電,需要從低壓 蓄電池取電或借助DC/DC變換器進行高低壓變換后才能從高壓動力電池取電,同時低壓蓄電池中儲存的能量同樣是通過DC/DC變換器從 高壓動力電池取電獲得。
04 快充技術(shù)普及,推動充電設(shè)施技術(shù)升級
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)來看,直流樁仍有較大提升空間。 交流充電系統(tǒng)一般被稱為“慢充”,而直流充電系統(tǒng)一般被稱為“快充”。據(jù)中國充電聯(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、充電慢依然是當前使用新能源汽車過程中需要解決的痛點之一,在之后的充電基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)過程中,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)綠能招股說明書(申報稿),充電模塊對電能起到控制、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)著充電安全等問題,被譽為直流充電設(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)壁壘相對較高。 根據(jù)優(yōu)優(yōu)綠能招股說明書(申報稿),充電模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜,內(nèi)含電子元器件眾多,單個充電模塊內(nèi)含超過2500個電子元器件,是影 響直流充電設(shè)備性能的重要部件;而快充對模塊的性能提出更高的要求,隨著電壓和功率等級的提升,關(guān)于模塊的電路拓撲、控制算法、 高頻磁性元件、散熱結(jié)構(gòu)的設(shè)計難度提高,與此同時還要保證模塊的安全性和可靠性。因此,充電模塊具有相對較高的技術(shù)壁壘。
大功率快充產(chǎn)熱較多,液冷充電模塊具備優(yōu)勢
大功率快充產(chǎn)熱較多,傳統(tǒng)直通風的風冷模式易發(fā)生故障。據(jù)芝能汽車公眾號,直流充電是電動車最大的產(chǎn)熱工作模式,在該工作場景下充電高壓回路會產(chǎn)生大量的熱。熱損耗會隨著功率變大而 變大,大功率快充會帶來發(fā)熱量的大幅增加。根據(jù)優(yōu)優(yōu)綠能招股說明書(申報稿),目前直通風的風冷模式應(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,當前行業(yè)內(nèi)已發(fā)展出獨立風道散熱方式,通過對風道設(shè)計進行 優(yōu)化,將電子元器件設(shè)計在模塊上方密閉箱體中,密閉箱體下側(cè)放置散熱器,對散熱器和密閉箱體四周進行防水防塵設(shè)計,將發(fā)熱電子 元器件集中貼在散熱器內(nèi)側(cè),風扇僅對散熱器外側(cè)吹風散熱,使電子元器件免于粉塵污染和腐蝕,可以達到減少產(chǎn)品故障率的目的。
報告節(jié)選:
精選報告來源:未來智庫
報告出品方/作者:華西證券,楊睿、李唯嘉、哈成宸
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