新能源汽車比拼“含新量”
動態(tài)2023-11-06
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(dāng)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(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)層面，相關(guān)部門積極推進充電標(biāo)準(zhǔn)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(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，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(xué);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(xué)成為當(dāng)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?zé)峤馓疾?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(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(dāng)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(fēng)的風(fēng)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(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)展出獨立風(fēng)道散熱方式，通過對風(fēng)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(fēng)扇僅對散熱器外側(cè)吹風(fēng)散熱，使電子元器件免于粉塵污染和腐蝕，可以達到減少產(chǎn)品故障率的目的。
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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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