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    新能源汽車快充行業專題報告

    未來智庫發布時間:2023-11-06 12:10:27  作者:楊睿、李唯嘉、哈成宸

      01 充電問題仍是核心痛點,快充技術有望迎來機遇

      充電問題是新能源車核心痛點,快充樁建設有望緩解補能焦慮

      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,新能源汽車發展由政策驅動逐步向市場驅動轉變,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展方向。

      據《中國高壓快充產業發展報告(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量不足,無法 滿足用戶快速補能需求。因此,加大充電樁規模建設并提升快充樁比例正逐步成為業界共識。

      快充主流路線為高電壓,國內外車企積極布局

      高電壓快充路線成為主流 。據《純電動汽車高電壓快充平臺技術趨勢》,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,行業內大多采用高電壓路線以實現車端快速補能。 據聯合電子公眾號,目前主流新能源整車高壓電氣系統電壓范圍一般為230V-450V,統稱為400V系統;快充應用下,整車高壓電氣系統 電壓范圍提升到550-930V,可統稱為800V系統。繼2019年保時捷推出了全球首款搭載800V高壓平臺的量產車型Taycan后,包括比亞迪、 小鵬、理想、現代、奧迪、奔馳、大眾等國內外知名車企均已推出或即將推出搭載高壓平臺的車型。

      政策與技術標準陸續出臺,推動快充發展持續完善

      “快充為主、慢充為輔”政策引領,技術標準持續完善。 政策層面,2021年11月,國家發改委發布《新能源汽車產業發展規劃(2021—2035年)》,規劃提出“加快形成適度超前、快充為主、 慢充為輔的高速公路和城鄉公共充電網絡”。此外,北京、重慶等地也陸續出臺有關快充樁以及大功率充電樁的相關政策。 技術標準層面,相關部門積極推進充電標準的制定,以此適應新能源汽車高壓化、大功率充電等發展需求,進一步提升充電連接裝置產 品的適用性和規范性。

      02 快充技術引領電池變革,材料體系有望持續完善

      高壓架構帶動零件升級,電池成本增量最為顯著

      高壓架構推動多系統升級,電池占成本增量比例過半。 由于現有技術大多采用高壓快充路線,因此這里著重探討高壓架構會給整車各系統帶來的變動。目前,電動汽車的整體架構主要包括 三電系統(電池、電機、電控)、小三電系統(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 為電驅系統,OBC(車載充電機)和DC-DC轉換器也可統稱為車載電源。 電壓平臺升級將帶來系統終端價值量提升。電動汽車高壓架構的應用下,電池、電機電控、OBC、DC-DC轉換器等多個部件也隨之 更新升級。據《中國高壓快充產業發展報告(2023-2025)》,以較為成熟的2C和采用150kW前驅動系統為例,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,和電芯一起構成高壓平臺升級的主要成本增量來源。

      電池快充技術持續提升,可體現為倍率性能優異

      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,快充的實現通常與高電流密度下的倍率性能有關。據格瑞普電池官網,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;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《Fast Charging of Lithium-Ion Batteries: A Review of Materials Aspects》,USABC(美國先進電池聯盟)將快充目標設定在15分鐘內將電池充至80%的荷電狀態(SOC)。此外, 據北交新源公眾號,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 《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/電解質界面(SEI)嵌入負極層狀結構中并 與電子結合。 對于電極材料而言,材料內部離子傳輸通道及材料顆粒的 形態、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 的電解液在氧化還原穩定性上具備劣勢,快充會使其不斷 分解并形成EEI層,導致鋰離子呈現較慢的傳輸動力學;同 時,傳統電解液的溶劑化結構去溶劑化勢壘較高,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”結構的顆粒;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的各向異性并進而影響倍率性能的問題,現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 構筑具有各向同性的碳包覆層結構,從而進一步提升材料的快充性能。

      電池倍率性能需求提升,有望驅動碳納米管導電劑應用升級

      導電劑加速離子&電子移動速率,碳納米管較常規導電劑性能更優。除鋰電池主材外,導電劑作為鋰電池的材料構成中的關鍵輔材,同樣影響著鋰電池的倍率性能。據GGII,導電劑在活性物質之間、活性 物質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GGII,目前市場上應用的鋰電池導電劑包括以炭黑、導電石墨為代表的常規導電劑和以碳納米管、石墨烯為代表的新型導電劑。據天 奈科技招股書,相較于常規導電劑的代表炭黑,碳納米管具有更好的導電性能,并能夠使鋰電池保持良好的電子和離子傳導;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GGII預計,在高倍率電池需求增加等因素的推動下, 新型導電劑將在未來幾年逐步替代傳統導電劑,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,從而擁有更優的理化性能和導電性能,有望成為碳納米管未來的重點發展方向。

      03 高壓架構推動零件升級,碳化硅應用有望逐步擴大

      電驅系統核心為電控,功率器件是電控關鍵部件

      輕量化集成化趨勢明顯,電機和電控等通常集成為電驅系統。 除電池系統外,電機和電控部分也是整車高壓架構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、空間布局優化等方面 要求逐步提升,電驅系統集成產品逐步成為行業發展趨勢。據威邁斯招股書,新能源汽車電驅系統主要包括電機控制器、驅動電機和減 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的軟件算法,高頻精確地控制電力電子元器件的開關動作,實現對驅動 電機的控制,最終通過減速器中精密機械零部件實現對外傳輸動力。

      電控為電驅系統核心部件,功率器件則是電控的關鍵部分。 據威邁斯招股書,電機控制器主要功能是將來自動力電池的直流電轉換成三相交流電,根據整車控制指令來控制驅動電機的運轉,或者 將電機制動時的動能轉換為直流電,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,是電驅系統中的核心部件。據聯合電子公眾號,逆變器是電控中實現能量交直流轉化的關鍵部件,而功率器 件又是逆變器實現高傳輸效率、高功率密度的關鍵,因此功率器件是整個電驅系統較為核心的部件。

      車載電源用于電壓轉換和變換,功率器件亦為重要部分

      車載電源產品包括OBC和DC-DC變換器等,功率器件為重要原材料之一。 除電動汽車的電驅系統外,承擔交直流電轉換、高低電壓轉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,是電動汽車架構的重要組成部分。據威邁斯招股書,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,車載充電機依據電池管理系統(BMS)的控制信號,將單相交流電 (220V)或三相交流電(380V)轉換為動力電池可以使用的高壓直流電,從而實現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 快充技術普及,推動充電設施技術升級

      快充通常指直流樁充電,目前提升空間較大

      從公共充電樁的結構來看,直流樁仍有較大提升空間。 交流充電系統一般被稱為“慢充”,而直流充電系統一般被稱為“快充”。據中國充電聯盟數據,從2022年到2023年9月,直流公共充 電樁的占比整體保持穩定,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,在之后的充電基礎設施的建設過程中,直流公共充電樁 的占比有望持續提升。

      充電模塊是直流樁核心,成本占比與技術壁壘相對較高

      充電模塊是直流充電樁的核心設備,成本占比高。 根據優優綠能招股說明書(申報稿),充電模塊對電能起到控制、轉換的作用,是直流充電樁、充電柜等新能源汽車直流充電設備中最 為重要的部件,其性能不僅直接影響直流充電設備的整體性能,同樣也關聯著充電安全等問題,被譽為直流充電設備的“心臟”;從成 本角度考慮,充電模塊占據整個直流充電樁成本的45%至55%左右。

      充電模塊環節技術壁壘相對較高。 根據優優綠能招股說明書(申報稿),充電模塊內部結構復雜,內含電子元器件眾多,單個充電模塊內含超過2500個電子元器件,是影 響直流充電設備性能的重要部件;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,關于模塊的電路拓撲、控制算法、 高頻磁性元件、散熱結構的設計難度提高,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壁壘。

      大功率快充產熱較多,液冷充電模塊具備優勢

      大功率快充產熱較多,傳統直通風的風冷模式易發生故障。據芝能汽車公眾號,直流充電是電動車最大的產熱工作模式,在該工作場景下充電高壓回路會產生大量的熱。熱損耗會隨著功率變大而 變大,大功率快充會帶來發熱量的大幅增加。根據優優綠能招股說明書(申報稿),目前直通風的風冷模式應用較為廣泛,但由于充電 樁安裝在室外,而室外較為惡劣的環境易導致充電模塊發生故障;因此,當前行業內已發展出獨立風道散熱方式,通過對風道設計進行 優化,將電子元器件設計在模塊上方密閉箱體中,密閉箱體下側放置散熱器,對散熱器和密閉箱體四周進行防水防塵設計,將發熱電子 元器件集中貼在散熱器內側,風扇僅對散熱器外側吹風散熱,使電子元器件免于粉塵污染和腐蝕,可以達到減少產品故障率的目的。

      報告節選:





























      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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