新能车和传统燃油车相比最大的使用习惯差异即为补能体系，为接近燃油汽车补能速度，快充是必然趋势。国内目前新能源汽车渗透率超过 30%，已经跨过早期通过技术创新吸引消费者的阶段，快充提供的实用性成为扩展新客群的必由之路。随着2019-2021 各车企陆续发布 800V 快充车型，2022 年开始量产交付，2023 年为国内快充车型放量元年。本期的智能内参，我们推荐东北证券的报告《新能车发展“跨越鸿沟”，快充趋势渐起》，从充电桩、三电系统、电子元器件和电池等多方面解析电动车快充的发展现状。根据乘联会数据，2022 年 1-11 月，我国新能车国内新能车渗透率由 18.3%逐步提升至 35.8%，其中纯电车型渗透率由13.38%提升至 27.73%，目前阶段位于加速渗透阶段（5%-50%）中间点，根据创新扩散理论，新能源汽车作为新产品已经被国内创新者和早期接受者（合计占人群比例约 16%）群体中广泛接受，现阶段需要吸引 Early Majority 群体做出购买决策，跨越早期接受者和早期多数之间的“鸿沟”。为进一步提升早期产品的实用性，车企应围绕车辆基础功能进行“非连续创新”。续航里程和补能速度是早期产品面临的两大痛点，目前续航里程通过提高能量密度的问题已经解决，通过快充功能提高补能速度的趋势成为车企发力方向。▲2022 年 1-11 月国内乘用车批发量及新能车渗透率快充车型自 2021 年以来陆续发布，2022-2023 年迎大规模量产。目前已搭载 800V快充的车型超过 7 款，作为业内最早采用 800V 高电压平台的车型，海外车企保时捷早在 2019 年即推出 800V 车型 taycan,最大充电功率达 270kW，可在 22.5 分钟将93.4kWh 电池电量由 5%充至 80%；同年广汽 Aion V Plus 上市，现代 Ioniq5 于 2021年在海外首发上市，预计 2023 年在国内量产交付，其他车企高压快充车型发布及量产主要集中在 2022-2023 年。极狐阿尔法 S Hi 版 2022 年 5 月上市，小鹏 G9 2022年 9 月上市，小鹏 G9 配备三元锂电池，续航里程超过 700km。在充电方面，采用800V 高压快充技术，充电 5 分钟，续航 200km。路特斯基于 EPA 平台打造的 800V快充车型 eletre 于 2022 年 10 月正式上市，奥迪 GS e-tron GT 于 2022 年底上市。同时有通过提升电流加快充电时间的大电流方案，此方案对于充电枪、线缆以及电池核心部件等会产生较高的热损失，目前主流充电枪的最大电流限制 500A，所能达到的充电功率大约为 200kW，目前车企普遍使用 400V 电压系统，250A 电流，达到 100kW 的充电功率，按单车带电量 50kWh计算，电池由 30%SOC 充电至 80%SOC 需要 30 分钟，800V 高压可以达到 300-500kW 的充电功率，仅需 6-10 分钟就能迅速补能。依靠提升电流提高功率的路径存在上限，因此多数企业选择通过提高电压提高充电功率。根据保时捷 taycan 全球销量数据，在2019 年量产上市后 2020 年销量逐季增加，2021 年，保时捷总销量 301915 台，同比增长 11%，其中 Taycan 家族全球销量 41296 辆，同比增长 106%，占整体销量 13.7%。现代 Ioniq5 在 2021 年 4 月上市后当年销量约 65906 台，截止 2022 年 11 月，此车型全球销量 89416 台，在北美补贴法案之外仍保持正增长。广汽埃安 V 是国内较早发布量产 800V 快充的车型，2020 年埃安 V 批发销量 11173 辆，2021 年15825 辆，同比增长 41.63%，2022 年截止 11 月批发销量 30097 辆，同比增长 118%。其他车型预计将于 2023 年开启放量。根据创新扩散理论，30%渗透率后解决现有产品痛点的具备实用特性的产品有望进一步提高电动化渗透率。根据现有车型及售价，预计国内快充车型主要为 B/C 级车，由于 B 级电动化渗透率加速时间点早于其他车型，C 级车型对性能指标要求更高，因此配备快充功能的车型占比更高，预计 B 级快充车型 2023-2025 年占 B 级电动车比例为 30%/60%/80%；C 级快充车型 2023-2025 年占 C 级电动车比例为60%/100%/100%.据此 2023-2025 年快充车型销量为 67.2/165/228 万辆，在中国整体新能车中渗透率分别为 7.34%/13.95%/16.22%。根据中国充电联盟数据，新能源汽车充电车桩比达到 3：1 时可以基本满足新能源车充电需求。截至 2022 年 H1，我国公共充电桩保有量 152.8 万台，其中直流充电桩 66.5 万台、交流充电桩 86.3 万台。到 2022 年中预计新能源车保有量约 1001 万辆，公桩车桩比为 6：1，截止 2022H1中国私桩保有量为 239 万台，私桩车桩比为 4.18：1，随着新能车渗透率快速提升，2022H1 整体车桩比为 2.46：1。支持快充的车型充电峰值功率基本在 200kW 以上，目前国内公共直流充电桩的最大功率基本仅支持 120kW，快充车辆在使用现有公共直流快充桩充电也仅能将充电桩功率发挥至最大，无法发挥快充车型的充电速率优势。针对充电布局，2022 年 Q3，小鹏针对 G9 订单前 10 名城市，集中建设 S4 超快充站点，到 2023 年，将在重点城市，核心高速沿线上用 S4 场站提供补能，预计到 2025 年，除当前的 1000 座自营充电站之外，有望再建设 2000 个小鹏超快充站，目前单个站点配备 4 个快充桩，功率 480kW 在不同桩之间进行智能分配。广汽埃安 2021 年发布最高充电功率为 480kW 的快充桩，预计到 2025 年，将会在全国 300 个城市建设 2000 座超充站。蔚来在 12 月正式发布了 500kW 超快充桩，最大电流 660A，支持大功率充电，400V 车型最快仅 20 分钟，800V 车型最快12 分钟从 10%充至 80%。大功率充电桩电源的设计和生产国内外已不存在技术问题，需要解决由大功率充电桩电源到充电枪的线缆连接。国内和欧洲标准直流充电枪连接的电缆主要有 35 平方毫米软体导线和 50 平方毫米软体导线，分别可承载 125A 及 160A 电流，若将充电功率提升至 240kW-360kW，在充电电压 400V-800V 条件下，需要承载的电流为 300A-600A，使用目前线径电缆会出现温度过高损害充电装置的电子元件导致无法工作的问题，严重时会产生起火事故，而加大线缆线径理论可行，但实际中因为加大软体导线截面，会导致体积过大而不符合人体工程。现有《电动汽车传导充电用连接装置》（GB/T 20234—2015）定义的最大充电电流等级为 250 A，主要原因在于超过 250A 后更大的截面积的导体重量无法在实际操作中应用。液冷是一种解决此问题的优异方案，通过对线缆的软体导线和欧标直流充电枪插孔式液冷段子通入循环流动的冷却液，软体导线和插孔式液冷端子在充电过程中产生的热即可由循环流动的冷却液带走，同时线缆的体积较干式电缆不会增大，可以满足人体工程的要求。2021 年充电桩运营商中特来电、星星充电、国家电网分别以 23.9%、21.9%、21.3%市占率位居前三。从 2022 年国网快充桩招标结构来看，80kW 和 160kW 功率充电桩占主要份额，其中 240kW 及以上功率充电桩占比仅为 5%，我国高功率快充桩渗透率仍较低。根据公开信息，充电桩均价约为 0.4 元/W，推算 240kW 快充桩价格约 9.6 万元，根据日丰股份发布会中的液冷充电枪线价格 2 万元/套，推算液冷充电枪成本约占充电桩成本 21%，成为仅次于充电模块的成本最高组件。预计随着新能源快充车型保有量提升，2025 年我国高功率快充桩市场空间约 1334 亿元。汽车电气架构主要涉及包括电驱、电控、电池在内的三电系统。通过充电接口，交流电经过车载充电机（OBC）转化为直流电，通过电源分配单元（PDU）将电分配给电池或通过 DC/DC 转换器降压给其他车身电器设备用电，电池电源进一步通过电机控制器（MCU）驱动电机将电能转化成机械能。从 400V 过渡到 800V 的高压架构，通常有 6 种不同方案。主要有两种设计思路：第一种是将电池系统设计成能同时满足 400V 和 800V 的电池系统，其他部件选择400V 或 800V；第二种使用升压模块外搭电气电路进行升压。通过串联 400V 电池进行升压的方案，动力电池需要特殊设计，难点在于电池并环流的潜在问题。串联两个 400V 电池，其余部件全系 800V，通过改变电池的设计，400V 和 800V 灵活输出，或通过新增切换继电器灵活输出 400V 和 800V。若新增升压模块外搭电气电路，即将电池设计为 800V，其余部件不改动，整车的交流充电、电驱、高压部件均为400V，新增 400V-800V 的 DCDC 兼容 400V 直流充电。或者所有高压部件均为 800V，采用驱动复用方案，不需要增加额外的 DCDC。比亚迪和现代 E-GMP 平台采用 Boost升压电路升压，不需要额外的升压模块，车载部件全系 800V，电驱升压兼容 400V。由于充电过程中，不需要驱动，比亚迪采用复用后桥电机控制器中的功率器件的模式，用在 400V-800 升压 DCDC 中，可以在 300-750V 电压范围内进行直流快充。由于通过并联 400V 电池形成灵活输出 400V 和 800V 需要对电池进行重新设计，新增继电器等元器件，因此车企主要采用新增 DCDC 升压模块或利用 Boost 电路升压，通过外接 800V 储能电容，兼容 400V 充电设施。比亚迪和现代采用驱动升压方案，现代高压车型 Ioniq5电气架构采用后驱五合一，将车载电源和永磁同步电机集成在一起，通过动力电机逆变器将 400V 升压至 800V。保时捷主要新增高压转换器，核心是充电泵，外部的直流电压输入以后，进入主 EMI 的滤波器，然后连接直流电容，配合 IGBT 模块（开关和二极管）后可以进行升压动作。800V电机可以提高电机功率密度，800V 逆变器搭配 800 V 电机效率最高。从电机角度看，800V 电机存在强机械应力和设计复杂性增加的劣势，但电磁性能得到改善，800V 电机有利于提高电机功率密度。从逆变器的角度来看，在 800V 电池和 800V电机之间使用的逆变器将具有更高的效率、更好的 THD、更低的直流支撑电容器尺寸和成本。与之相对，运行 400 V 电机的 800 V 逆变器具有最高的总传导损耗、最高的开关损耗和最高的总功率损耗。由于相电流减半，运行 800V 电机的 800V逆变器的最低传导损耗。根据不同逆变器对输入电容器的要求，驱动 800V 电机的800V 逆变器需要最少的电容来执行相同的滤波效果。车载电源供应商主要配合车企进行产品配套研发，产品体积空间、设计、性能指标定制化属性较强，近年来随着车企轻量化、大功率、高频率要求的提升，车载电源逐步从分立器件向二合一、三合一及与驱动集成为五合一的集成产品发展。集成产品较单独车载电源单车价值量有所下降，但车型电气架构提升至 800V 高压后，集成产品的单车价值量较分立器件和低压集成产品均有所提高，按此前假设 800V 车型渗透率 2023-2025 年分别为7.34%/13.95%/16.22%，预计 2023-2025 年车载电源市场空间为 263 亿/337 亿/460 亿元。车载电源中OBC 典型线路结构是由 PFC 和 DC/DC 组成，其中半导体器件、五金结构件、电阻电容、磁性元件为主要的成本构成，分别占比为 23%、18%、16%、13%。其前级 PFC线 路 和 后 级 DC/DC 输出线路均会使用碳化硅二极管（拓扑线路中D1/D2/D3/D4/D5/D6），在 OBC 产品上使用碳化硅功率器件对于提升 OBC 产品的效率、功率密度和质量密度提升上发挥了重要作用。车压平台提升后，车载电源的半导体器件变化较大，配合目前 OBC 从单相 220V 到三相 380V 的发展趋势，PFC 输出级的电压会相应提高到 600V 以上，需选用 1200V 系列的 SiC MOS 材料，而传统硅基 IGBT，车压平台在 450V 时 IGBT 耐压强度仅为 650V，若升级至 800V，DC/DC次级器件会从目前的 650V 二极管转变成 1200V 的相关产品。车载变压模块初级侧开关所需的最小额定电压为 800 V，考虑 50%的安全裕度，应在初级侧使用具有 1.2-kV 额定电压的开关，但阻断电压高于 900V 的硅 MOSFET 价格昂贵且导通电阻高，会导致较高的传导损耗，因此会选择碳化硅 MOSFET 或 IGBT。根据高功率密度的要求，开关频率达 100kHz 以上可以降低无源元件如变压器和电容器的尺寸，而 IGBT 不适合在高于 20kHz 的频率下运行，但 SiC MOSFET 具有较低的开关损耗，且在使用 SiC MOSFET 的 DC/DC 输出功率由 1.3 kW 增加到 2kW 时，与400V APU 相比，800V APU 的总功率损耗更小。熔断器在新能源汽车中主要起电路过流保护作用，通常分为低压保护区域和高压保护区，低压保护区主要用在灯光、雨刷器、喇叭等线路中，单车用量约 2-3 只，单只价值量较低；高压保护区主要是车载电源及电机控制器、空调、PTC 等回路，其中主回路用量 2-3 只，辅助回路用量 3-5 只，主要为电力熔断器，单只价值约 15-60 元。800V 电压平台车型的熔断器在绝缘、耐压等级等方面需求均有提升，新型激励熔断器作为有主动断开功能的熔断器渗透率有望提升。激励熔断器主要通过接收控制信号激发保护动作，不必须承载过电流，因此可以有效提高整车安全性，激励熔断器单只价值量约为电力熔断器的 1.5-5 倍，若单只替换升级单车价值量提升约 46%。新能车在电池系统和逆变器之间配置直流接触器，当系统运行时起连接作用，连接电源与负载，其技术指标为约定发热电流；当系统停止运行后起到隔离作用，其重要技术指标为额定绝缘电压；当车辆关闭或发生故障时，能安全的将储能系统从车辆电气系统中分离，起到分断电路的作用，主要指标为最高运行电压。高压接触器在新能源汽车上的应用根据车型及动力系统的不同，单车用量有所差异，每台新能源乘用车约 4-6 只，商用车 4-8 只，一般包括 2 只主接触器、1 只预充接触器、2 只快充接触器、2 只普通充电接触器和 1 只高压系统辅助设备接触器；高压接触器在充电桩中通常配备 2-4 只，包括充电主线路切断用接触器与放电保护接触器；根据国力股份招股书，新能源乘用车用高压接触器单只均价约为 115 元，推算单车价值量为 460-700 元左右。800V 电压平台接触器的额定开关负载超过 400 安培，根据经销商调研数据，单只售价约为400-700 元，若升级 2 只主回路接触器，单车价值量约为 1145 元，较原来单车价值量提升约 63.5%。通常 800V 车型的电池充电倍率为 4C-6C，充电倍率提升后，快充电池可能会出现析锂效应，主要短板在负极。根据 Thomas Waldmann 等人的研究，当荷电状态（SOC）和充电电流密度越大，测试温度越低，石墨负极的电位就会越负，负极表面的锂沉积副反应也越容易发生。析锂效应的主要诱因是负极嵌锂空间不足、Li+嵌入负极阻力太大、Li+过快的从正极脱嵌但无法等量的嵌入负极等。锂离子在负极内的扩散速率、负极界面处电解质的浓度梯度、电极/电解质界面的副反应等因素均会影响电池的析锂效应。当锂离子电池在更高温度下（＞45 ℃），以较高电流倍率（≥1 C）进行充放电循环时，常常观察到金属锂仅沉积在负极表面局部区域。由于负极嵌锂空间不足、Li+嵌入负极阻力太大、Li+过快的从正极脱嵌但无法等量的嵌入负极，形成的金属锂随机分布在负极和隔膜表面，并与电解液反应生成较厚的 SEI 膜。Ansean 等研究发现，SEI 膜的生长堵塞了负极活性材料之间的孔隙，使负极嵌锂过程的动力学变慢，加快了锂沉积副反应。在这个过程中，电解液不断被消耗，束缚在 SEI 膜中的锂和沉积在负极表面的金属锂越来越多，使容量衰减速率越来越快。由于石墨是层状排布的二维结构材料，且石墨层间距较小（0.335nm），因此锂离子在垂直于石墨片层方向的迁移和扩散系数低于边缘平面。这个特性会影响电池的倍率性能，因此基于快充需求的负极材料需要调控锂离子在石墨晶格中的固相扩散。具体又分为两种策略：强化单一相扩散和增强界面动力学，旨在提高锂离子和石墨颗粒内部或电解液中的扩散能力和在 SEI 膜界面的迁移能力。在石墨颗粒表面预涂薄聚合物、无机化合物、和混合有机或无机层能有效抑制电解质分解，提高初始库伦效率，保证锂离子快速通过的同时避免溶剂分子共嵌入对石墨结构的破坏。Lee 等在石墨表面构筑了 MoOx-MoPx 复合无机涂层，在 6C 倍率下石墨电极的工作电位始终大于 0V，且MoPx 纳米颗粒可以提供更多的储锂点位，便于锂离子在相对较高电位实现快速插层。Kim 等设计合成了一种新颖的硅-石墨复合材料，通过镍催化氢化和化学气相沉积(CVD)制备了由边缘平面活化石墨和无定形硅纳米层组成的复合材料，镍纳米颗粒穿过石墨的表面进入体相，并在催化作用下产生气体，为石墨的构筑大量活性边缘位点。美国密歇根大学的 Kuan-Hung Chen等人通过石墨与硬碳混合的方式，显著提升了负极的快速充电能力，在 4C 和 6C 倍率下循环 500 次后，容量保持率仍然可达 87%和 82%。硬碳材料作为一种非石墨化的碳材料，具有高度无序的碳层结构，可以实现 Li+的快速嵌入，但由于硬碳的真密度较低，仅 1.6g /cm3，石墨为 2.2g/cm3，存在库伦效率低等劣势，因此将石墨和硬碳掺混作为负极材料，可能会取得较好测试结果。Kuan-Hung Chen 等人发现纯硬碳在 4C 快充倍率下循环性能最佳，100 次循环后容量保持率约为 96%，纯石墨负极和含有 25%硬碳的负极在循环后都出现了显著的析锂现象，电极表面覆盖了一层银白色的金属锂，但硬碳的掺混比例过高也会导致电池能量密度降低，Kuan Hung Chen 的研究表明通过在石墨负极中混入约 50%的硬碳能够显著降低过充条件下石墨负极表面的电流密度，且在 500 次循环后 50%石墨+50%硬碳的负极能量密度最高。
硅材料是目前已知的拥有最高理论比容量的负极材料，相比目前主流的石墨负极材料，硅基负极材料有 2 大优势：单位容量高，储量丰富。硅元素则可以抑制枝晶的生长，从而在更适配快充负极。硅基负极主要在负极中掺硅，但由于硅的体积膨胀容易导致电池发生形变爆炸，因此用硅的氧化物 SiOx 取代 Si，是目前硅基负极材料的重要研究方向之一。SiOx 并非由单一相组成，而是由许多均匀分布的纳米级 Si 团簇、SiO2 团簇以及介于 Si/SiO2 两相界面之间的 SiOx 过渡相组成，通过提高 SiOx 中的 x 值，可增加在充放电时生成不可逆 Li2O 相，同时动力学加快，体积膨胀产生的应力得到有效释放，从而实现更小的体积膨胀。硅在充放电时，由于硅晶体是正四面体结构（石墨是层状结构），所以更容易膨胀，膨胀率可达到 300%。这会让电池变得更加不稳定。硅充放电过程中体积膨胀收缩变化达 320%（石墨仅 12%），会产生较大的机械应力，多次循环后硅颗粒会发生断裂和粉化，造成负极失效。相较于单质硅颗粒，氧化亚硅（SiOx）在锂嵌入过程中发生的体积膨胀较小，因此相对纯硅负极，其循环稳定性有较为明显改善，但是氧化亚硅负极在充放电过程中会生产 Li2O 等非活性物质，导致 SiOx 材料首次效率较低（约 70%）。SiOx 材料目前主要存在两个问题：首次库仑效率低和循环性能的衰减。前者目前较为实际的解决办法主要是通过向添加少量的 Li 源，在充电的过程中利用这部分额外的 Li 补充首次充电过程中不可逆的 Li 消耗，以达到提升锂离子电池首次效率的目的；后者主要是通过碳包覆与 SiOx 纳米化来缓冲体积膨胀，提升循环稳定性。预计具备大电流快充功能的 4680 电池采用了高镍正极，需要使用比容量更高的硅负极与之匹配，最大限度的提升电池整体能量密度，其次，4680 圆柱形的体积相较于方形和软包结构，更容易控制硅负极的体积膨胀。特斯拉在 2022 年 2 月份宣布已生产了 100 万块 4680 电池，预计 4680电池会在 2022 年出货，在 2023 年迎来放量，带动硅负极增长。据 Electric VehicleDatabase，一辆Model Y的电池容量是75kWh，一辆Cybertruck的电池容量是250kWh，一辆 Semi 的电池容量是 500kWh。2022 年 4680 电池产量的需求约 75GWh，2030年 4680 电池产量的需求约 3160GWh（3.16TWh），较 2022 年增长约 4113%。车东西认为，电动车什么都好，除了“充电焦虑”带给大家的困扰。可喜的是，充电速度仍然处于不断地发展中，800V充电也逐渐大众化。但是，提高电压不是简单技术的升级，实际上这是一项繁杂的系统工程。电压架构下，不只是电池包、热管理系统、电驱动，甚至于空调、车载充电机等都需重新适配，这是关于整个产业链协同的大事情。
来源：车东西