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澳门天空彩免费资料彩票 新能源汽车快充行业专题报告

未来智库发布时间:2023-11-06 12:10:27  作者:杨睿、李唯嘉、哈成宸

01 充电问题仍是核心痛点,快充技术有望迎来机遇

充电问题是E利博在线娱乐核心痛点,快充桩建设有望缓解补能焦虑

充电不便、充电慢仍是新能源汽车痛点,加快快充桩建设逐步成为共识。 随着国家购车补贴政策的逐步退出,新能源汽车发展由政策驱动逐步向市场驱动转变,用户对新能源汽车功能、性价比等要求也在不断 提升。未来如何解决用户购用车过程中遇到的问题,进而提升新能源汽车的用车体验,成为下一阶段新能源汽车的重要发展方向。

据《中国高压快充产业发展报告(2023-2025)》,影响电动汽车购买的因素涵盖充电、电池寿命、安全性等多个方面,其中充电问题 是影响用户选择电动汽车的核心障碍。当前电动汽车平均充电时长普遍在1小时及以上,且匹配快充需求的直流充电桩数量不足,无法 满足用户快速补能需求。因此,加大充电桩规模建设并提升快充桩比例正逐步成为业界共识。

快充主流路线为高电压,国内外车企积极布局

高电压快充路线成为主流 。据《纯电动汽车高电压快充平台技术趋势》,充电速度的提升意味着充电功率的提升,充电功率则由充电电压乘以充电电流决定 (P=UI);目前,行业内大多采用高电压路线以实现车端快速补能。 据联合电子公众号,目前主流新能源整车高压电气系统电压范围一般为230V-450V,统称为400V系统;快充应用下,整车高压电气系统 电压范围提升到550-930V,可统称为800V系统。继2019年保时捷推出了全球首款搭载800V高压平台的量产车型Taycan后,包括比亚迪、 小鹏、理想、现代、奥迪、奔驰、大众等国内外知名车企均已推出或即将推出搭载高压平台的车型。

政策与技术标准陆续出台,推动快充发展持续完善

“快充为主、慢充为辅”政策引领,技术标准持续完善。 政策层面,2021年11月,国家发改委发布《新能源汽车产业发展规划(2021—2035年)》,规划提出“加快形成适度超前、快充为主、 慢充为辅的高速公路和城乡公共充电网络”。此外,北京、重庆等地也陆续出台有关快充桩以及大功率充电桩的相关政策。 技术标准层面,相关部门积极推进充电标准的制定,以此适应新能源汽车高压化、大功率充电等发展需求,进一步提升充电连接装置产 品的适用性和规范性。

02 快充技术引领电池变革,材料体系有望持续完善

高压架构带动零件升级,电池成本增量最为显著

高压架构推动多系统升级,电池占成本增量比例过半。 由于现有技术大多采用高压快充路线,因此这里着重探讨高压架构会给整车各系统带来的变动。目前,电动汽车的整体架构主要包括 三电系统(电池、电机、电控)、小三电系统(OBC、DC-DC变换器、PDU)等。其中,电机、电控以及减速器等部件也可合并称 为电驱系统,OBC(车载充电机)和DC-DC转换器也可统称为车载电源。 电压平台升级将带来系统终端价值量提升。电动汽车高压架构的应用下,电池、电机电控、OBC、DC-DC转换器等多个部件也随之 更新升级。据《中国高压快充产业发展报告(2023-2025)》,以较为成熟的2C和采用150kW前驱动系统为例,若将450V电压平台更换 为950V电压平台,单车零件成本合计增加约6500元;其中,电芯单车成本增加3500元,占成本增量比例过半;电机电控/OBC+DCDC 成本分别增加2000/800元,和电芯一起构成高压平台升级的主要成本增量来源。

电池快充技术持续提升,可体现为倍率性能优异

快充性能涉及充电速度和电池容量保持等多方面。 就电池层面而言,快充的实现通常与高电流密度下的倍率性能有关。据格瑞普电池官网,倍率可表示为C值,用公式可表示为充放电电 流/电池额定容量,即倍率的提升可以通过提升充放电电流或降低电池额定容量实现;倍率的提升同时也代表着电池充放电速度提升,例 如以0.2C倍率放电需5小时放电完毕,而以1C倍率放电仅需1小时即可放电完毕,充电亦如此。据《Fast Charging of Lithium-Ion Batteries: A Review of Materials Aspects》,USABC(美国先进电池联盟)将快充目标设定在15分钟内将电池充至80%的荷电状态(SOC)。此外, 据北交新源公众号,良好的倍率性能不仅代表着高倍率下的电池保持高能量传输速度,同时也需要保证不会损失过多能量或发生过热。

快充核心在于锂离子传输,负极和电解液等材料升级有望改善

锂离子传输是影响快充核心,重点聚焦负极和电解液等材料。据 《锂离子电池快速充电研究进展》: 锂电池也被称为“摇椅”式电池,锂离子传输是影响充电 过程的重要因素。在充电过程中,锂离子的路径大致为: 从正极材料中脱出,通过正极/电解质界面(CEI)进入电 解液,并以溶剂化的形式移动至负极,在去溶剂化后穿过 负极表面的固体/电解质界面(SEI)嵌入负极层状结构中并 与电子结合。 对于电极材料而言,材料内部离子传输通道及材料颗粒的 形态、形状和取向等是影响锂离子的扩散的重要因素,其 中负极相较正极受影响更大。对于电解液而言,由于传统 的电解液在氧化还原稳定性上具备劣势,快充会使其不断 分解并形成EEI层,导致锂离子呈现较慢的传输动力学;同 时,传统电解液的溶剂化结构去溶剂化势垒较高,对锂离 子的扩散形成阻碍。 因此,如何显著提升锂离子在负极、电解液等材料中的扩 散动力学成为当下研究的重点。

负极包覆材料具备较大层间距,有效提升快充性能

包覆材料通常为无定形碳,可改善锂离子扩散性能。 除二次造粒外,包覆工序也可提升石墨材料快充性能。据翔丰华招股书,包覆碳化是指以石墨类碳材料作为“核芯”,在其表面包覆一 层均匀的无定形碳材料,形成类似“核-壳”结构的颗粒;通常用的无定形碳材料的前躯体有酚醛树脂、沥青、柠檬酸等低温热解碳材 料,由于无定形碳材料的层间距比石墨大,因此可改善锂离子在其中的扩散性能,从而提高石墨材料的大电流充放电性能。 此外,为了避免沥青等材料在碳化过程中可能出现的各向异性并进而影响倍率性能的问题,现有专利提出通过改性剂(酚醛树脂、壳聚 糖、聚酰亚胺、聚酰胺或PET等)对基底材料(沥青)进行改性(高温搅拌混合等),而后对石墨进行包覆,此后在热处理过程中便可 构筑具有各向同性的碳包覆层结构,从而进一步提升材料的快充性能。

电池倍率性能需求提升,有望驱动碳纳米管导电剂应用升级

导电剂加速离子&电子移动速率,碳纳米管较常规导电剂性能更优。除锂电池主材外,导电剂作为锂电池的材料构成中的关键辅材,同样影响着锂电池的倍率性能。据GGII,导电剂在活性物质之间、活性 物质与集流体之间起到收集微电流的作用,以减小电极的接触电阻并加速电子的移动速率,同时也能有效提高锂离子在电极材料中的迁 移速率,从而提高电极的充放电效率。 据GGII,目前市场上应用的锂电池导电剂包括以炭黑、导电石墨为代表的常规导电剂和以碳纳米管、石墨烯为代表的新型导电剂。据天 奈科技招股书,相较于常规导电剂的代表炭黑,碳纳米管具有更好的导电性能,并能够使锂电池保持良好的电子和离子传导;此外,碳 纳米管凭借其较高长径比的特性,相较于炭黑能够进一步提高锂电池的倍率性能。据GGII预计,在高倍率电池需求增加等因素的推动下, 新型导电剂将在未来几年逐步替代传统导电剂,其中碳纳米管有望成为市场主流。此外,碳纳米管一般分为单壁和多壁碳纳米管,单壁 碳纳米管因为长径比更大,从而拥有更优的理化性能和导电性能,有望成为碳纳米管未来的重点发展方向。

03 高压架构推动零件升级,碳化硅应用有望逐步扩大

电驱系统核心为电控,功率器件是电控关键部件

轻量化集成化趋势明显,电机和电控等通常集成为电驱系统。 除电池系统外,电机和电控部分也是整车高压架构下成本提升较多的部分之一。目前,随着新能源汽车在轻量化、空间布局优化等方面 要求逐步提升,电驱系统集成产品逐步成为行业发展趋势。据威迈斯招股书,新能源汽车电驱系统主要包括电机控制器、驱动电机和减 速器,其工作原理为:电机控制器基于整车控制指令和实时响应的软件算法,高频精确地控制电力电子元器件的开关动作,实现对驱动 电机的控制,最终通过减速器中精密机械零部件实现对外传输动力。

电控为电驱系统核心部件,功率器件则是电控的关键部分。 据威迈斯招股书,电机控制器主要功能是将来自动力电池的直流电转换成三相交流电,根据整车控制指令来控制驱动电机的运转,或者 将电机制动时的动能转换为直流电,为动力电池充电。电机控制器包含大量的控制理论、滤波算法、空间矢量控制、PID 控制器、传感 器理论、电磁兼容等技术,是电驱系统中的核心部件。据联合电子公众号,逆变器是电控中实现能量交直流转化的关键部件,而功率器 件又是逆变器实现高传输效率、高功率密度的关键,因此功率器件是整个电驱系统较为核心的部件。

车载电源用于电压转换和变换,功率器件亦为重要部分

车载电源产品包括OBC和DC-DC变换器等,功率器件为重要原材料之一。 除电动汽车的电驱系统外,承担交直流电转换、高低电压转换等功能的功率器件也是车载电源的组成部分。车载电源包括OBC、DC-DC 变换器等,是电动汽车架构的重要组成部分。据威迈斯招股书,车载充电机(On-board charger,OBC)是指固定安装在新能源汽车上的 充电机,主要应用于交流电充电方式的场景中。在充电过程中,车载充电机依据电池管理系统(BMS)的控制信号,将单相交流电 (220V)或三相交流电(380V)转换为动力电池可以使用的高压直流电,从而实现对新能源汽车动力电池的充电。 DC/DC变换器则用于高低电压的变换。据威迈斯招股书,车载DC/DC变换器的输入端为动力电池,输出端口连接整车低压用电设备和低 压蓄电池。新能源汽车中的车灯、仪表、电动车窗、电动座椅等常见低压用电设备在运行时无法直接从高压动力电池取电,需要从低压 蓄电池取电或借助DC/DC变换器进行高低压变换后才能从高压动力电池取电,同时低压蓄电池中储存的能量同样是通过DC/DC变换器从 高压动力电池取电获得。

04 快充技术普及,推动充电设施技术升级

快充通常指直流桩充电,目前提升空间较大

从公共充电桩的结构来看,直流桩仍有较大提升空间。 交流充电系统一般被称为“慢充”,而直流充电系统一般被称为“快充”。据中国充电联盟数据,从2022年到2023年9月,直流公共充 电桩的占比整体保持稳定,且总体低于交流公共充电桩的占比;截至2023年9月,公共直流桩保有量占公共充电桩保有量的比例为43.1%。 考虑到充电难、充电慢依然是当前使用新能源汽车过程中需要解决的痛点之一,在之后的充电基础设施的建设过程中,直流公共充电桩 的占比有望持续提升。

充电模块是直流桩核心,成本占比与技术壁垒相对较高

充电模块是直流充电桩的核心设备,成本占比高。 根据优优绿能招股说明书(申报稿),充电模块对电能起到控制、转换的作用,是直流充电桩、充电柜等新能源汽车直流充电设备中最 为重要的部件,其性能不仅直接影响直流充电设备的整体性能,同样也关联着充电安全等问题,被誉为直流充电设备的“心脏”;从成 本角度考虑,充电模块占据整个直流充电桩成本的45%至55%左右。

充电模块环节技术壁垒相对较高。 根据优优绿能招股说明书(申报稿),充电模块内部结构复杂,内含电子元器件众多,单个充电模块内含超过2500个电子元器件,是影 响直流充电设备性能的重要部件;而快充对模块的性能提出更高的要求,随着电压和功率等级的提升,关于模块的电路拓扑、控制算法、 高频磁性元件、散热结构的设计难度提高,与此同时还要保证模块的安全性和可靠性。因此,充电模块具有相对较高的技术壁垒。

大功率快充产热较多,液冷充电模块具备优势

大功率快充产热较多,传统直通风的风冷模式易发生故障。据芝能汽车公众号,直流充电是电动车最大的产热工作模式,在该工作场景下充电高压回路会产生大量的热。热损耗会随着功率变大而 变大,大功率快充会带来发热量的大幅增加。根据优优绿能招股说明书(申报稿),目前直通风的风冷模式应用较为广泛,但由于充电 桩安装在室外,而室外较为恶劣的环境易导致充电模块发生故障;因此,当前行业内已发展出独立风道散热方式,通过对风道设计进行 优化,将电子元器件设计在模块上方密闭箱体中,密闭箱体下侧放置散热器,对散热器和密闭箱体四周进行防水防尘设计,将发热电子 元器件集中贴在散热器内侧,风扇仅对散热器外侧吹风散热,使电子元器件免于粉尘污染和腐蚀,可以达到减少产品故障率的目的。

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精选报告来源:未来智库

报告出品方/作者:华西证券,杨睿、李唯嘉、哈成宸


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