新能源汽車快充行業(yè)專題報(bào)告

發(fā)布日期:2023-11-06

核心提示:  01 充電問題仍是核心痛點(diǎn),快充技術(shù)有望迎來機(jī)遇充電問題是新能源車核心痛點(diǎn),快充樁建設(shè)有望緩解補(bǔ)能焦慮充電不便、充電慢
  01 充電問題仍是核心痛點(diǎn),快充技術(shù)有望迎來機(jī)遇

充電問題是新能源車核心痛點(diǎn),快充樁建設(shè)有望緩解補(bǔ)能焦慮

充電不便、充電慢仍是新能源汽車痛點(diǎn),加快快充樁建設(shè)逐步成為共識(shí)。 隨著國家購車補(bǔ)貼政策的逐步退出,新能源汽車發(fā)展由政策驅(qū)動(dòng)逐步向市場(chǎng)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)變,用戶對(duì)新能源汽車功能、性價(jià)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(jìn)而提升新能源汽車的用車體驗(yàn),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(bào)告(2023-2025)》,影響電動(dòng)汽車購買的因素涵蓋充電、電池壽命、安全性等多個(gè)方面,其中充電問題 是影響用戶選擇電動(dòng)汽車的核心障礙。當(dāng)前電動(dòng)汽車平均充電時(shí)長(zhǎng)普遍在1小時(shí)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(bǔ)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(shí)。

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(dòng)汽車高電壓快充平臺(tái)技術(shù)趨勢(shì)》,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(shí)現(xiàn)車端快速補(bǔ)能。 據(jù)聯(lián)合電子公眾號(hào),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(shí)捷推出了全球首款搭載800V高壓平臺(tái)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(tái)的車型。

政策與技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)陸續(xù)出臺(tái),推動(dòng)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(tái)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(jìn)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(jìn)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(dòng)零件升級(jí),電池成本增量最為顯著

高壓架構(gòu)推動(dòng)多系統(tǒng)升級(jí),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(huì)給整車各系統(tǒng)帶來的變動(dòng)。目前,電動(dòng)汽車的整體架構(gòu)主要包括 三電系統(tǒng)(電池、電機(jī)、電控)、小三電系統(tǒng)(OBC、DC-DC變換器、PDU)等。其中,電機(jī)、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(jī))和DC-DC轉(zhuǎn)換器也可統(tǒng)稱為車載電源。 電壓平臺(tái)升級(jí)將帶來系統(tǒng)終端價(jià)值量提升。電動(dòng)汽車高壓架構(gòu)的應(yīng)用下,電池、電機(jī)電控、OBC、DC-DC轉(zhuǎn)換器等多個(gè)部件也隨之 更新升級(jí)。據(jù)《中國高壓快充產(chǎn)業(yè)發(fā)展報(bào)告(2023-2025)》,以較為成熟的2C和采用150kW前驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)為例,若將450V電壓平臺(tái)更換 為950V電壓平臺(tái),單車零件成本合計(jì)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(jī)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(tái)升級(jí)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(shí)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(shí)現(xiàn);倍率的提升同時(shí)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(shí)放電完畢,而以1C倍率放電僅需1小時(shí)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(jìn)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(hào),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(shí)也需要保證不會(huì)損失過多能量或發(fā)生過熱。

快充核心在于鋰離子傳輸,負(fù)極和電解液等材料升級(jí)有望改善

鋰離子傳輸是影響快充核心,重點(diǎn)聚焦負(fù)極和電解液等材料。據(jù) 《鋰離子電池快速充電研究進(jìn)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(jìn)入電 解液,并以溶劑化的形式移動(dòng)至負(fù)極,在去溶劑化后穿過 負(fù)極表面的固體/電解質(zhì)界面(SEI)嵌入負(fù)極層狀結(jié)構(gòu)中并 與電子結(jié)合。 對(duì)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(kuò)散的重要因素,其 中負(fù)極相較正極受影響更大。對(duì)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(shì),快充會(huì)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(dòng)力學(xué);同 時(shí),傳統(tǒng)電解液的溶劑化結(jié)構(gòu)去溶劑化勢(shì)壘較高,對(duì)鋰離 子的擴(kuò)散形成阻礙。 因此,如何顯著提升鋰離子在負(fù)極、電解液等材料中的擴(kuò) 散動(dòng)力學(xué)成為當(dāng)下研究的重點(diǎn)。

負(fù)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(kuò)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(kuò)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(jìn)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(duì)基底材料(瀝青)進(jìn)行改性(高溫?cái)嚢杌旌系?,而后對(duì)石墨進(jìn)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(jìn)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(dòng)碳納米管導(dǎo)電劑應(yīng)用升級(jí)

導(dǎo)電劑加速離子&電子移動(dòng)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(dòng)速率,同時(shí)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(chǎng)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(zhǎng)徑比的特性,相較于炭黑能夠進(jìn)一步提高鋰電池的倍率性能。據(jù)GGII預(yù)計(jì),在高倍率電池需求增加等因素的推動(dòng)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(chǎng)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?yàn)殚L(zhǎng)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(diǎn)發(fā)展方向。

03 高壓架構(gòu)推動(dòng)零件升級(jí),碳化硅應(yīng)用有望逐步擴(kuò)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(shì)明顯,電機(jī)和電控等通常集成為電驅(qū)系統(tǒng)。 除電池系統(tǒng)外,電機(jī)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(shì)。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(jī)控制器、驅(qū)動(dòng)電機(jī)和減 速器,其工作原理為:電機(jī)控制器基于整車控制指令和實(shí)時(shí)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(dòng)作,實(shí)現(xiàn)對(duì)驅(qū)動(dòng) 電機(jī)的控制,最終通過減速器中精密機(jī)械零部件實(shí)現(xiàn)對(duì)外傳輸動(dòng)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(jī)控制器主要功能是將來自動(dòng)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(dòng)電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn),或者 將電機(jī)制動(dòng)時(shí)的動(dòng)能轉(zhuǎn)換為直流電,為動(dòng)力電池充電。電機(jī)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(hào),逆變器是電控中實(shí)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(shí)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(gè)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(dòng)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(dòng)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(jī)(On-board charger,OBC)是指固定安裝在新能源汽車上的 充電機(jī),主要應(yīng)用于交流電充電方式的場(chǎng)景中。在充電過程中,車載充電機(jī)依據(jù)電池管理系統(tǒng)(BMS)的控制信號(hào),將單相交流電 (220V)或三相交流電(380V)轉(zhuǎn)換為動(dòng)力電池可以使用的高壓直流電,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)新能源汽車動(dòng)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(dòng)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(dòng)車窗、電動(dòng)座椅等常見低壓用電設(shè)備在運(yùn)行時(shí)無法直接從高壓動(dòng)力電池取電,需要從低壓 蓄電池取電或借助DC/DC變換器進(jìn)行高低壓變換后才能從高壓動(dòng)力電池取電,同時(shí)低壓蓄電池中儲(chǔ)存的能量同樣是通過DC/DC變換器從 高壓動(dòng)力電池取電獲得。

04 快充技術(shù)普及,推動(dòng)充電設(shè)施技術(shù)升級(jí)

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(diǎn)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(duì)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(bào)稿),充電模塊對(duì)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(yù)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(gè)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(duì)較高。 根據(jù)優(yōu)優(yōu)綠能招股說明書(申報(bào)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(gè)充電模塊內(nèi)含超過2500個(gè)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(duì)模塊的性能提出更高的要求,隨著電壓和功率等級(jí)的提升,關(guān)于模塊的電路拓?fù)?、控制算法?高頻磁性元件、散熱結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)難度提高,與此同時(shí)還要保證模塊的安全性和可靠性。因此,充電模塊具有相對(duì)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(shì)

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(hào),直流充電是電動(dòng)車最大的產(chǎn)熱工作模式,在該工作場(chǎng)景下充電高壓回路會(huì)產(chǎn)生大量的熱。熱損耗會(huì)隨著功率變大而 變大,大功率快充會(huì)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(bào)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(dú)立風(fēng)道散熱方式,通過對(duì)風(fēng)道設(shè)計(jì)進(jìn)行 優(yōu)化,將電子元器件設(shè)計(jì)在模塊上方密閉箱體中,密閉箱體下側(cè)放置散熱器,對(duì)散熱器和密閉箱體四周進(jìn)行防水防塵設(shè)計(jì),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(duì)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(dá)到減少產(chǎn)品故障率的目的。 

 
 
[ 新聞搜索 ]  [ 加入收藏 ]  [ 告訴好友 ]  [ 打印本文 ]  [ 違規(guī)舉報(bào) ]  [ 關(guān)閉窗口 ]

 
0條 [查看全部]  相關(guān)評(píng)論


網(wǎng)站首頁 | 關(guān)于我們 | 聯(lián)系方式 | 使用協(xié)議 | 版權(quán)隱私 | 網(wǎng)站地圖 | 排名推廣 | 廣告服務(wù) | 網(wǎng)站留言 | RSS訂閱 | 滬ICP備16055099號(hào)-3

充電樁網(wǎng) 版權(quán)所有 © 2016-2018 咨詢熱線:021-6117 0511  郵箱:sina@heliexpo.cn 在線溝通:

本網(wǎng)中文域名:充電樁網(wǎng).本站網(wǎng)絡(luò)實(shí)名:充電樁網(wǎng)-最專業(yè)的充電樁行業(yè)信息網(wǎng)站