2022年高功率快充行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀及未來(lái)趨勢(shì)分析

1、2022年高功率快充行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀及未來(lái)趨勢(shì)分析1. 電池變革：2C 及以上高倍率電池實(shí)現(xiàn) 200kW 級(jí)快充需要 2C+電芯，400kW 級(jí)快充需要 4C+電芯。400kW 級(jí)快充還需在電 池模組層面通過(guò)串聯(lián)實(shí)現(xiàn) 800V 電壓?？傮w來(lái)說(shuō)，高電壓/大電流快充帶來(lái)電池系統(tǒng)成本提 高；相同充電功率下，800V 高壓的電池系統(tǒng)成本比大電流方案更優(yōu)。1.1. 電芯層面：電池材料和結(jié)構(gòu)創(chuàng)新提高充電倍率電池在充電的過(guò)程中，鋰離子從正極出發(fā)，經(jīng)過(guò)隔膜電解液到達(dá)負(fù)極，包括了脫出、遷移 和嵌入三個(gè)過(guò)程。單位時(shí)間內(nèi)遷移和嵌入的鋰離子越多，充電的速度越快。通過(guò)降低鋰離 子遷移過(guò)程中的內(nèi)阻或提高鋰離子的嵌入效率能夠有

2、效提高電池的充電效率。充電效率可 用 C（充電倍率表示），即充電電流相對(duì)電芯額定容量的倍數(shù)。例如，2C 充電倍率表示 100kWh 容量電池的充電功率為 200kW，即 0.5 小時(shí)即可將 SOC0%-100%。目前大部分電 動(dòng)車的快充電池倍率為 1C 左右，實(shí)現(xiàn) 200kW 級(jí)快充需要 2C+電池，400kW 級(jí)快充需要 4C+電池。廣汽和蜂巢等通過(guò)電池材料和結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新開(kāi)發(fā)出 2C+高倍率電池。廣汽超倍速電池廣汽埃安超倍速電池首先應(yīng)用了高孔隙涂覆陶瓷隔膜和輕型低粘度、高功率電解液，降低 電解液離子的遷移阻力，提高遷移速率。第二，在負(fù)極采用特有的軟碳/硬碳/石墨烯包覆/改 性技術(shù)，提高嵌入的速

3、率。第三，通過(guò)三維石墨烯新型導(dǎo)電劑，搭建高效的立體導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)， 提高導(dǎo)電能力。此外，廣汽埃安超倍速電池通過(guò)大量的材料配方和工藝設(shè)計(jì)驗(yàn)證，解決石 墨烯材料傳統(tǒng)制備的一致性差、成本高、不宜規(guī)?；慨a(chǎn)的局限性，形成了獨(dú)創(chuàng)的三維石 墨烯制備技術(shù)，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定量產(chǎn)，成本可控。廣汽快充電池共有兩個(gè)版本：（1）3C 快充電池已搭載在 AION V Plus 上，續(xù)航 500km，充 電 10min 實(shí)現(xiàn) SOC30%-80%SOC；（2）6C 快充電池最大充電電壓達(dá) 900V，最大充電電 流500A，完成 0%-80%SOC 僅需 8min。蜂巢蜂速快充電池2021 年 12 月蜂巢能源發(fā)布短刀電池，其中的 L3

4、00 產(chǎn)品主打 2.2-4C 快充體系，適配 800V 高端車型，未來(lái)通過(guò)低鎳高錳 5V 尖晶石體系能有效提高安全性同時(shí)降低成本。此外，蜂巢 能源為短刀電池提供包括電池包 4C 全氣候快充技術(shù)、適應(yīng) 800V 高壓平臺(tái)的高效熱管理技 術(shù)、冷蜂熱阻隔技術(shù)、云端安全預(yù)警技術(shù)等系統(tǒng)性技術(shù)及產(chǎn)品創(chuàng)新，保障短刀電池產(chǎn)品的 高安全、高性能及制造的高效率。蜂巢 4C 快充電池充電 10min 可實(shí)現(xiàn) 20%-80%SOC，能 量密度為 240Wh/kg，電池容量 149Ah，快充循環(huán)1300 次，有望于 2022Q4 量產(chǎn)。1.2. 模組層面：多模組串聯(lián)實(shí)現(xiàn) 800V 充電電壓400kW 級(jí)采用 800V

5、電壓平臺(tái)，電池系統(tǒng)除了在電芯層面進(jìn)行升級(jí)外，還需要在模組層面 通過(guò)串聯(lián)實(shí)現(xiàn) 800V 電壓。一般來(lái)說(shuō)，單個(gè)電芯的電壓僅 3-4V，400V 的電池需要 100 個(gè)以 上電芯串聯(lián)，800V 的電池則需要約 200 個(gè)左右的電芯串聯(lián)。例如保時(shí)捷 Taycan 800V 電 池總電量為 93.4kWh，單個(gè)電芯電壓為 3.65V，每 12 個(gè)電芯以 6s2p（6 個(gè)電芯串聯(lián)成一組， 兩組電芯并聯(lián)，共 12 個(gè)電芯）的形式組成一個(gè)模組，模組電壓為 22V；再由 33 個(gè)模組串 聯(lián)，放臵在兩層：上層包含 3 個(gè)模組，下層包含 30 個(gè)模組。800A 保險(xiǎn)絲串聯(lián)在 18 號(hào)模組 和 19 號(hào)模組之間。在發(fā)

6、生短路電流的情況下，將會(huì)中斷高壓蓄電池的供電，以保證電池安 全。1.3. 系統(tǒng)層面：成本提高，高壓方案比大電流方案成本更優(yōu)根據(jù)華為測(cè)算，與 400V/250A 相比，400V/500A 和 800V/250A 的電池系統(tǒng)成本（充電功 率均為 200kW）增加分別帶來(lái)整車成本增加約 3%和 2%。與 800V/250A 相比， 400V/500A 在相同功率下，電池模組成本和 BMS 成本持平，由于電流更小，電池系統(tǒng)散熱 更少，熱管理難度降低，同時(shí)線徑更小、成本也更低?？傮w來(lái)說(shuō)，高電壓/大電流快充帶來(lái) 電池系統(tǒng)成本提高；相同充電功率下，800V 高壓的電池系統(tǒng)成本比大電流方案更優(yōu)。圖：相同充電功

7、率下，800V 高壓的電池系統(tǒng)成本比大電流方案更優(yōu)2. 高壓架構(gòu)變革： 400kW 級(jí)快充需要 800V 高壓架構(gòu)800V 高壓架構(gòu)下，相比 400V 電機(jī)，800V 電機(jī)的軸承防腐蝕和絕緣性要求提升；隨著電機(jī) 功率提升，主機(jī)廠紛紛布局扁線+油冷電機(jī)；電控采用耐高壓的 SiC 功率半導(dǎo)體，帶來(lái)器件 熱損耗大幅降低（50%+），整車?yán)m(xù)航提升約 5%；為兼容 400V 快充樁，800V 架構(gòu)須配備 升壓裝臵，目前主要有升壓 DCDC 和復(fù)用電驅(qū)系統(tǒng)兩種方案。2.1. 多電壓平臺(tái)有望成為短期主流選擇目前 800V 高壓架構(gòu)主要有三種實(shí)現(xiàn)方案：（1）全棧高壓 。電池包、電機(jī)以及充電接口均達(dá)到 800V

8、，車中只有 800V 和 12V 兩種電壓級(jí)別的器件， OBC、空調(diào)壓縮機(jī)、DCDC 以及 PTC 均重新適配以滿足 800V 高電壓平臺(tái)。該架構(gòu)不僅對(duì) 電池系統(tǒng)安全要求很高，而且需要車上主要高壓部件的功率器件全部由 Si 基 IGBT 替換成 SiC MOSFET，短期成本較高。（2）電池串并聯(lián)。 采用兩個(gè) 400V 的電池組，通過(guò)高壓配電盒的設(shè)計(jì)進(jìn)行組合使用。大功率快充時(shí)，兩個(gè)電池 組可串聯(lián)成 800V 平臺(tái)；在汽車運(yùn)行時(shí)，兩個(gè)電池組并聯(lián)成 400V 平臺(tái)，該方案的優(yōu)勢(shì)在于 不需要 OBC、空調(diào)壓縮機(jī)、DC/DC 以及 PTC 等部件在短時(shí)間內(nèi)重新適配，成本相對(duì)較低。 但由于兩個(gè)電池組可能

9、有不同的阻抗和溫度條件，從而導(dǎo)致充電狀態(tài)不平衡，因此該架構(gòu) 需要較為復(fù)雜的電池管理系統(tǒng)和電子技術(shù)將電池組在串聯(lián)、并聯(lián)之間轉(zhuǎn)換。（3）多電壓平臺(tái)。整車搭載一個(gè) 800V 電池組，通過(guò)在電池組和其他高壓部件之間增加 DCDC 轉(zhuǎn)換器將 800V 電壓降至 400V，車上其他高壓部件均采用 400V 電壓平臺(tái)；此外，為兼容 400V 充電樁， 采用升壓裝臵將 400V 充電電壓提升至 800V。以保時(shí)捷 Taycan 為例，Taycan 搭載了 800V、400V、48V、12V 共四個(gè)電壓平臺(tái)，并且配備多個(gè) DCDC 轉(zhuǎn)換器將 800V 電壓轉(zhuǎn)換 成其余低電壓。另外，為兼容 400V 充電樁，保時(shí)

10、捷采用升壓 Boost 將 400V DC 轉(zhuǎn)換為 800V DC 用于充電。保時(shí)捷 Taycan 的高壓架構(gòu)對(duì)于當(dāng)前高電壓平臺(tái)車型具有借鑒意義，當(dāng)前配套 800V 電壓平 臺(tái)車型的基礎(chǔ)設(shè)施尚未完全普及，短期量產(chǎn)的高電壓平臺(tái)車型通常會(huì)選擇搭配多個(gè)電壓平 臺(tái)以匹配現(xiàn)有零部件供應(yīng)鏈和充電設(shè)施。我們預(yù)計(jì) 2023 年前多電壓平臺(tái)方案將成為主流， 2023 年后，隨著高壓部件成本下降，全棧高壓將成為趨勢(shì)。2.2. 高壓架構(gòu)變革之電驅(qū)動(dòng)：電機(jī)和電控升級(jí)相比 400V 電機(jī)，800V 電機(jī)的軸承防腐蝕和絕緣性能需要提升。同時(shí)，隨著電機(jī)功率的提 高，主機(jī)廠紛紛選擇 800V 電機(jī)配合扁線+油冷的方案以提高電

11、機(jī)效率。此外，800V 電控 采用 SiC 功率半導(dǎo)體，提高耐壓等級(jí)的同時(shí)降低器件損耗（50%+）、提升續(xù)航里程（5%）。電機(jī)：軸承防腐蝕和絕緣要求提高800V 高壓對(duì)電機(jī)的軸承防腐蝕和絕緣等提出更高的要求。在電機(jī)運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)軸兩端之間或 軸與軸承之間產(chǎn)生的電位差稱為軸電壓，若軸兩端通過(guò)電機(jī)機(jī)座等構(gòu)成回路，軸電壓則形 成軸電流。正常情況下軸電壓較低，當(dāng)軸電壓較高時(shí)容易擊穿油膜，形成軸電流，導(dǎo)致軸 承腐蝕。此外，800V 電機(jī)還面臨局部放電的挑戰(zhàn)。局部放電指在定子絕緣系統(tǒng)中，電壓應(yīng) 力超過(guò)臨界值時(shí)導(dǎo)體之間絕緣的瞬時(shí)擊穿。因此，軸承防腐蝕和增強(qiáng)絕緣性能是電機(jī)設(shè)計(jì) 以及材料選擇的關(guān)鍵。例如，華為 80

12、0V 電機(jī)應(yīng)用了高等級(jí)的絕緣系統(tǒng)一對(duì)一認(rèn)證、專利軸承導(dǎo)流防擊穿結(jié)構(gòu)等多 項(xiàng)核心創(chuàng)新技術(shù)解決上述難題，其中，“富蘭克林”引流技術(shù)可將軸承上的近 60V-80V 電壓 的電流導(dǎo)出，較好的解決了其對(duì)軸承之間潤(rùn)滑膜耐壓性能的沖擊，從而大幅降低軸承失效 的風(fēng)險(xiǎn)。電機(jī)：扁線+油冷勢(shì)頭明顯400V 架構(gòu)下，由于永磁電機(jī)在大電流高轉(zhuǎn)速下容易發(fā)熱退磁，難以大幅提升電機(jī)功率； 800V 架構(gòu)下，在不提升電流的情況下電機(jī)功率也能夠相應(yīng)提高，例如，保時(shí)捷 Taycan 雙 永磁電機(jī)最大功率達(dá)到 560kW，最高車速可以達(dá)到 260km/h。隨著高壓架構(gòu)下電機(jī)功率的 提升，大部分主機(jī)廠選擇采用扁線+油冷的方案以提高電機(jī)

13、功率密度和效率。扁線即采用扁平銅包線繞組定子。與普通圓線電機(jī)相比，其優(yōu)點(diǎn)包括：1）更高的槽滿率：相比傳統(tǒng)圓線電機(jī)，裸銅槽滿率可提升 20%-30%，有效降低繞組電阻 進(jìn)而降低銅損耗；與圓線電機(jī)繞組相比，扁線電機(jī)端部總高度縮短 5-10mm，可有效降低端 部繞組銅耗。槽滿率提高+端部尺寸縮短，帶來(lái)電機(jī)最高效率對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速范圍和扭矩范圍更 大：在 WLTC 工況下和全域平均情況下，扁線電機(jī)效率較傳統(tǒng)圓線電機(jī)分別高 1.12%和2.02%。圖：扁線電機(jī)槽滿率高于圓線電機(jī)2）更高的功率密度：相同功率下，由于扁線占用空間更小，可以減小電機(jī)外徑和體積，提 升電機(jī)的功率密度。目前，國(guó)內(nèi)采用扁線繞組的電機(jī)最高功

14、率密度達(dá)到 5kW/kg，而普通圓 線電機(jī)的功率密度最高僅能做到 3kw/kg。3）更好的 NVH 表現(xiàn)：扁線結(jié)構(gòu)繞組有更好的剛度，同時(shí)扁線繞組通過(guò)鐵芯端部插線，電 磁設(shè)計(jì)上可以選擇更小的槽口設(shè)計(jì)，有效降低齒槽轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。相較于圓線電機(jī)，扁線電機(jī) NV 下降 12%，電機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩減少 81%。4）散熱性能更好：與圓線相比，扁線形狀更規(guī)則，在定子槽內(nèi)緊密貼合，熱傳導(dǎo)效率更高， 提升電機(jī)峰值和持續(xù)性能，溫升相對(duì)圓線電機(jī)降低約 10%。電機(jī)冷卻方面，由于油具備沸點(diǎn)高、凝點(diǎn)低、能夠直接冷卻等優(yōu)勢(shì)，冷卻效率比水冷更佳。 油冷相對(duì)于水冷的優(yōu)勢(shì)在于絕緣性能良好、機(jī)油沸點(diǎn)比水高、凝點(diǎn)比水低，使冷卻液在低 溫下不

15、易結(jié)冰、高溫下不易沸騰；同時(shí)油冷方式有利于電機(jī)與變速箱的集成，油本身因?yàn)?局部不導(dǎo)磁和不導(dǎo)電的特性，對(duì)電機(jī)磁路無(wú)影響，能夠作為直接冷卻的介質(zhì)。電控：SiC 功率半導(dǎo)體800V 高壓架構(gòu)下，電控的功率半導(dǎo)體須從 Si 基 IGBT 切換成耐高壓的 SiC MOSFET。傳 統(tǒng) Si 基 IGBT 通常適應(yīng)的高壓平臺(tái)在 600-700V 左右，如果直流母線電壓提升到 800V 以上， 那么對(duì)應(yīng)的功率半導(dǎo)體耐壓則需要提高到 1200V 左右。 SiC 由于其高耐壓的特性，在 1200V 的耐壓下阻抗遠(yuǎn)低于 Si，對(duì)應(yīng)的導(dǎo)通損耗會(huì)相應(yīng)降低；同時(shí)，由于 SiC 可以在 1200V 耐壓下選擇 MOSFE

16、T 封裝，可以大幅降低開(kāi)關(guān)損耗，從而大幅提高功率器件的效率。例如，保時(shí)捷 Taycan 使用 SiC 功率器件，降低熱損耗約 60%；現(xiàn)代 E-GMP 平臺(tái)的后軸驅(qū) 動(dòng)電機(jī)和逆變器均使用 SiC 功率半導(dǎo)體模塊，使系統(tǒng)效率提升 2-3%，整車?yán)m(xù)航能力提升約 5%。據(jù)比亞迪公眾號(hào)，漢 EV 采用碳化硅電控模塊，將電控系統(tǒng)的過(guò)流能力提升 58%，使得零百公里加速最快達(dá)到 3.9 秒。800V 高壓架構(gòu)下，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)向扁線+油冷+SiC 功率器件升級(jí)。例如，現(xiàn)代 E-GMP 平臺(tái)的 PE 電驅(qū)系統(tǒng)應(yīng)用扁線+油冷+SiC 功率器件，同時(shí)采用電機(jī)、電控和減速器三合一設(shè)計(jì)，電 機(jī)的最高轉(zhuǎn)速較現(xiàn)代的上一代電機(jī)

17、產(chǎn)品提升了 30-70%，減速比增加了 33%。大眾 PPE 平 臺(tái)電機(jī)系統(tǒng)采用扁線+油冷+SiC 功率器件，比奧迪 etron（油改電）尺寸減少 30%，重量減 少 20%，電機(jī)尺寸減少 35%，降低能耗損失約 50%。PPE 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)搭載在整車上可實(shí)現(xiàn) 功率提升 33%，價(jià)格減少 15%，能耗減少 30%。2.3. 高壓架構(gòu)變革之車載電源：耐高壓功率器件+升壓裝臵800V 高壓架構(gòu)下，以 DCDC 和 OBC為核心的車載電源也需要采用 SiC功率器件以提高耐 壓等級(jí)。DCDC 變換器能夠?qū)?dòng)力電池輸出的高壓直流電轉(zhuǎn)換為 12V、24V、48V 等低壓直 流電，為儀表盤、車燈、音響等車載低壓

18、用電設(shè)備和各類控制器提供電能。OBC（車載充 電機(jī)）是指安裝在電動(dòng)車上的充電設(shè)備，其功能是通過(guò)電池管理系統(tǒng)的控制信號(hào)，將交流 電轉(zhuǎn)換為直流電從而對(duì)動(dòng)力電池進(jìn)行充電。DCDC 和 OBC 的主要構(gòu)成均為功率器件，在 800V 高壓架構(gòu)下應(yīng)用 SiC 器件可提高耐壓等級(jí)，同時(shí)降低損耗、提高功率密度。根據(jù) Wolfspeed，OBC 采用 SiC 器件，與 Si 基器件相比，損耗降低 30%，功率密度可提升 50%。SiC 功率器件應(yīng)用在 DCDC 也帶來(lái)器件的耐高壓、低損耗和輕量化。為兼容現(xiàn)有的 400V 直流快充樁，800V 架構(gòu)須配備升壓裝臵將 400V 直流電升壓至 800V 向電池組充電，

19、目前有升壓 DCDC 和復(fù)用電驅(qū)系統(tǒng)兩種方案。保時(shí)捷 Taycan 采用升壓 DCDC 方案， 800V 直流電可直接通過(guò) PDU（高壓配電箱）充入動(dòng)力電池，實(shí)現(xiàn) 270kW 的 充電功率；400V 直流電則需要通過(guò)升壓 DCDC 轉(zhuǎn)換為 800V 直流電流，實(shí)現(xiàn) 150kW 級(jí)的 充電功率?，F(xiàn)代 E-GMP 平臺(tái)和比亞迪 e 平臺(tái) 3.0 同樣支持 400V 和 800V 兩種充電電壓， 但不同于保時(shí)捷采用升壓 DCDC，而是采用復(fù)用電驅(qū)系統(tǒng)升壓的方案。E-GMP 平臺(tái)通過(guò)后 軸驅(qū)動(dòng)電機(jī)和升壓逆變器將 400V 升壓為 800V。比亞迪 e 平臺(tái) 3.0 利用停止的電機(jī)定子繞 組充當(dāng)電感，將

20、電驅(qū)系統(tǒng)的三相 IGBT 或 SiC、續(xù)流二極管等重要器件反向復(fù)用，組成升壓 充電拓?fù)?，?shí)現(xiàn)將充電樁的 500V 電壓升到 750V。復(fù)用電驅(qū)系統(tǒng)升壓的優(yōu)勢(shì)在于不需要額 外的零部件和散熱回路，節(jié)省成本和體積。3. 充電樁變革：車企提前布局高功率樁目前我國(guó)公共充電樁中低功率充電樁占比較大，2020M5-2021M5，我國(guó)新建設(shè)的公共充電 樁中，180kW 及以上的占比僅 7.6%。我國(guó)有望于 2025 年在部分城市實(shí)現(xiàn) 2-3C 公共充電 樁的初步覆蓋。高功率樁的散熱要求和成本提高，目前特斯拉、北汽極狐、廣汽等車企已 提前布局 200kW 級(jí)快充樁，預(yù)計(jì)未來(lái)更多主機(jī)廠將自主布局快充樁。3.1. 目前公共充電樁以低功率為主目前我國(guó)公共充電樁中低功率充電樁占比較大。根據(jù)中國(guó)電動(dòng)汽車充電基礎(chǔ)設(shè)施促進(jìn)聯(lián)盟 的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，2020 年 5 月-2021 年 5 月期間，我國(guó)新建設(shè)的公共充電樁中，功率為 180kW 及以上的充電樁占比僅達(dá)到 7.6%（選擇 180kW 及以上功率充電樁的用戶占比超 11%）；國(guó) 家電網(wǎng)是國(guó)內(nèi)最