2022年高功率快充行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀及未來趨勢分析

1、2022年高功率快充行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀及未來趨勢分析1. 電池變革：2C 及以上高倍率電池實現(xiàn) 200kW 級快充需要 2C+電芯，400kW 級快充需要 4C+電芯。400kW 級快充還需在電 池模組層面通過串聯(lián)實現(xiàn) 800V 電壓?？傮w來說，高電壓/大電流快充帶來電池系統(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程中，鋰離子從正極出發(fā)，經(jīng)過隔膜電解液到達負極，包括了脫出、遷移 和嵌入三個過程。單位時間內(nèi)遷移和嵌入的鋰離子越多，充電的速度越快。通過降低鋰離 子遷移過程中的內(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 小時即可將 SOC0%-100%。目前大部分電 動車的快充電池倍率為 1C 左右，實現(xiàn) 200kW 級快充需要 2C+電池，400kW 級快充需要 4C+電池。廣汽和蜂巢等通過電池材料和結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新開發(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大量的材料配方和工藝設(shè)計驗證，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，形成了獨創(chuàng)的三維石 墨烯制備技術(shù)，實現(xiàn)穩(wěn)定量產(chǎn)，成本可控。廣汽快充電池共有兩個版本：（1）3C 快充電池已搭載在 AION V Plus 上，續(xù)航 500km，充 電 10min 實現(xiàn) SOC30%-80%SOC；（2）6C 快充電池最大充電電壓達 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，未來通過低鎳高錳 5V 尖晶石體系能有效提高安全性同時降低成本。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)實現(xiàn) 800V 充電電壓400kW 級采用 800V

5、電壓平臺，電池系統(tǒng)除了在電芯層面進行升級外，還需要在模組層面 通過串聯(lián)實現(xiàn) 800V 電壓。一般來說，單個電芯的電壓僅 3-4V，400V 的電池需要 100 個以 上電芯串聯(lián)，800V 的電池則需要約 200 個左右的電芯串聯(lián)。例如保時捷 Taycan 800V 電 池總電量為 93.4kWh，單個電芯電壓為 3.65V，每 12 個電芯以 6s2p（6 個電芯串聯(lián)成一組， 兩組電芯并聯(lián)，共 12 個電芯）的形式組成一個模組，模組電壓為 22V；再由 33 個模組串 聯(lián)，放臵在兩層：上層包含 3 個模組，下層包含 30 個模組。800A 保險絲串聯(lián)在 18 號模組 和 19 號模組之間。在發(fā)

6、生短路電流的情況下，將會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，同時線徑更小、成本也更低?？傮w來說，高電壓/大電流快充帶來 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 級快充需要 800V 高壓架構(gòu)800V 高壓架構(gòu)下，相比 400V 電機，800V 電機的軸承防腐蝕和絕緣性要求提升；隨著電機 功率提升，主機廠紛紛布局扁線+油冷電機；電控采用耐高壓的 SiC 功率半導(dǎo)體，帶來器件 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. 多電壓平臺有望成為短期主流選擇目前 800V 高壓架構(gòu)主要有三種實現(xiàn)方案：（1）全棧高壓 。電池包、電機以及充電接口均達到 800V

8、，車中只有 800V 和 12V 兩種電壓級別的器件， OBC、空調(diào)壓縮機、DCDC 以及 PTC 均重新適配以滿足 800V 高電壓平臺。該架構(gòu)不僅對 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 400V 的電池組，通過高壓配電盒的設(shè)計進行組合使用。大功率快充時，兩個電池 組可串聯(lián)成 800V 平臺；在汽車運行時，兩個電池組并聯(lián)成 400V 平臺，該方案的優(yōu)勢在于 不需要 OBC、空調(diào)壓縮機、DC/DC 以及 PTC 等部件在短時間內(nèi)重新適配，成本相對較低。 但由于兩個電池組可能

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。整車搭載一個 800V 電池組，通過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；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。以保時捷 Taycan 為例，Taycan 搭載了 800V、400V、48V、12V 共四個電壓平臺，并且配備多個 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

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

11、機效率。此外，800V 電控 采用 SiC 功率半導(dǎo)體，提高耐壓等級的同時降低器件損耗（50%+）、提升續(xù)航里程（5%）。電機：軸承防腐蝕和絕緣要求提高800V 高壓對電機的軸承防腐蝕和絕緣等提出更高的要求。在電機運行時，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，若軸兩端通過電機機座等構(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)軸電壓較高時容易擊穿油膜，形成軸電流，導(dǎo)致軸 承腐蝕。此外，800V 電機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) 力超過臨界值時導(dǎo)體之間絕緣的瞬時擊穿。因此，軸承防腐蝕和增強絕緣性能是電機設(shè)計 以及材料選擇的關(guān)鍵。例如，華為 80

12、0V 電機應(yīng)用了高等級的絕緣系統(tǒng)一對一認(rèn)證、專利軸承導(dǎo)流防擊穿結(jié)構(gòu)等多 項核心創(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，較好的解決了其對軸承之間潤滑膜耐壓性能的沖擊，從而大幅降低軸承失效 的風(fēng)險。電機：扁線+油冷勢頭明顯400V 架構(gòu)下，由于永磁電機在大電流高轉(zhuǎn)速下容易發(fā)熱退磁，難以大幅提升電機功率； 800V 架構(gòu)下，在不提升電流的情況下電機功率也能夠相應(yīng)提高，例如，保時捷 Taycan 雙 永磁電機最大功率達到 560kW，最高車速可以達到 260km/h。隨著高壓架構(gòu)下電機功率的 提升，大部分主機廠選擇采用扁線+油冷的方案以提高電機

13、功率密度和效率。扁線即采用扁平銅包線繞組定子。與普通圓線電機相比，其優(yōu)點包括：1）更高的槽滿率：相比傳統(tǒng)圓線電機，裸銅槽滿率可提升 20%-30%，有效降低繞組電阻 進而降低銅損耗；與圓線電機繞組相比，扁線電機端部總高度縮短 5-10mm，可有效降低端 部繞組銅耗。槽滿率提高+端部尺寸縮短，帶來電機最高效率對應(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，扁線電機效率較傳統(tǒng)圓線電機分別高 1.12%和2.02%。圖：扁線電機槽滿率高于圓線電機2）更高的功率密度：相同功率下，由于扁線占用空間更小，可以減小電機外徑和體積，提 升電機的功率密度。目前，國內(nèi)采用扁線繞組的電機最高功

14、率密度達到 5kW/kg，而普通圓 線電機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，同時扁線繞組通過鐵芯端部插線，電 磁設(shè)計上可以選擇更小的槽口設(shè)計，有效降低齒槽轉(zhuǎn)矩脈動。相較于圓線電機，扁線電機 NV 下降 12%，電機齒槽轉(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， 提升電機峰值和持續(xù)性能，溫升相對圓線電機降低約 10%。電機冷卻方面，由于油具備沸點高、凝點低、能夠直接冷卻等優(yōu)勢，冷卻效率比水冷更佳。 油冷相對于水冷的優(yōu)勢在于絕緣性能良好、機油沸點比水高、凝點比水低，使冷卻液在低 溫下不

15、易結(jié)冰、高溫下不易沸騰；同時油冷方式有利于電機與變速箱的集成，油本身因為 局部不導(dǎo)磁和不導(dǎo)電的特性，對電機磁路無影響，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)的高壓平臺在 600-700V 左右，如果直流母線電壓提升到 800V 以上， 那么對應(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 的耐壓下阻抗遠低于 Si，對應(yīng)的導(dǎo)通損耗會相應(yīng)降低；同時，由于 SiC 可以在 1200V 耐壓下選擇 MOSFE

16、T 封裝，可以大幅降低開關(guān)損耗，從而大幅提高功率器件的效率。例如，保時捷 Taycan 使用 SiC 功率器件，降低熱損耗約 60%；現(xiàn)代 E-GMP 平臺的后軸驅(qū) 動電機和逆變器均使用 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，漢 EV 采用碳化硅電控模塊，將電控系統(tǒng)的過流能力提升 58%，使得零百公里加速最快達到 3.9 秒。800V 高壓架構(gòu)下，驅(qū)動系統(tǒng)向扁線+油冷+SiC 功率器件升級。例如，現(xiàn)代 E-GMP 平臺的 PE 電驅(qū)系統(tǒng)應(yīng)用扁線+油冷+SiC 功率器件，同時采用電機、電控和減速器三合一設(shè)計，電 機的最高轉(zhuǎn)速較現(xiàn)代的上一代電機

17、產(chǎn)品提升了 30-70%，減速比增加了 33%。大眾 PPE 平 臺電機系統(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%，電機尺寸減少 35%，降低能耗損失約 50%。PPE 驅(qū)動系統(tǒng)搭載在整車上可實現(xiàn) 功率提升 33%，價格減少 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。DCDC 變換器能夠?qū)恿﹄姵剌敵龅母邏褐绷麟娹D(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）是指安裝在電動車上的充電設(shè)備，其功能是通過電池管理系統(tǒng)的控制信號，將交流 電轉(zhuǎn)換為直流電從而對動力電池進行充電。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，同時降低損耗、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。保時捷 Taycan 采用升壓 DCDC 方案， 800V 直流電可直接通過 PDU（高壓配電箱）充入動力電池，實現(xiàn) 270kW 的 充電功率；400V 直流電則需要通過升壓 DCDC 轉(zhuǎn)換為 800V 直流電流，實現(xiàn) 150kW 級的 充電功率。現(xiàn)代 E-GMP 平臺和比亞迪 e 平臺 3.0 同樣支持 400V 和 800V 兩種充電電壓， 但不同于保時捷采用升壓 DCDC，而是采用復(fù)用電驅(qū)系統(tǒng)升壓的方案。E-GMP 平臺通過后 軸驅(qū)動電機和升壓逆變器將 400V 升壓為 800V。比亞迪 e 平臺 3.0 利用停止的電機定子繞 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 充電拓撲，實現(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公共充電樁中低功率充電樁占比較大，2020M5-2021M5，我國新建設(shè)的公共充電 樁中，180kW 及以上的占比僅 7.6%。我國有望于 2025 年在部分城市實現(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 級快充樁，預(yù)計未來更多主機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公共充電樁中低功率充電樁占比較大。根據(jù)中國電動汽車充電基礎(chǔ)設(shè)施促進聯(lián)盟 的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，2020 年 5 月-2021 年 5 月期間，我國新建設(shè)的公共充電樁中，功率為 180kW 及以上的充電樁占比僅達到 7.6%（選擇 180kW 及以上功率充電樁的用戶占比超 11%）；國 家電網(wǎng)是國內(nèi)最