新能源汽車充電系統(tǒng)趨勢研究

新能源汽車充電系統(tǒng)趨勢研究一、新能源車快充介紹1.1、快充有望成為新能源車補能的重要模式新能源車的補能模式主要包括換電和充電。換電模式是在換電站將新能源車電池進行更換，目前典型代表車企是蔚來，對于車型類型較少、電池系統(tǒng)規(guī)格較為單一的主機廠，換電模式具備一定應用前景；二是充電模式，分別有家用樁常見的交流慢充模式以及公共樁的直流快充模式，而快充模式又分兩條路線，一個是以特斯拉為代表的大電流快充，另一個是以比亞迪等為代表的高壓快充路線?？斐淠Ｊ秸幵诳焖偕壓脱葸M過程中，充電倍率正在由2C向4C提升，充電時長正在從30分鐘縮短為15分鐘，多數(shù)主機廠在積極布局快充技術(shù)，發(fā)展前景較為廣闊?？斐渎肪€分為大電流快充和高電壓快充?？斐渎肪€目的是提高電動車充電效率，其本質(zhì)是提高充電功率，目前有增大充電電流和提高充電電壓這兩種路線，具體來看：大電流快充可支持200kW級快充，充電10分鐘可續(xù)航200-300km。根據(jù)國家推薦標準電動汽車傳導充電系統(tǒng)，搭載400V電壓平臺時，100kW級功率充電10min大約補充16.7kWh的電量，對應續(xù)航約100km（假設百公里耗電量13kWh）。當充電電流提升至500A以上時，充電功率可以達到200kW級，充電10min補充電量約33kWh，對應續(xù)航約200-300km（假設百公里耗電量13kWh），有效提高充電效率，緩解充電焦慮。高電壓快充可實現(xiàn)400kW級超充，充電5分鐘可續(xù)航200-300km，同時高壓架構(gòu)有利于降低熱損耗和減輕整車重量。實現(xiàn)400kW級充電則須將電動車從400V升級至800V級高電壓平臺，當電流為500A時即能夠?qū)⒊潆姽β侍嵘?00kW，實現(xiàn)充電5min，續(xù)航200-300km。采用800V高壓架構(gòu)除了能夠提高充電功率，在整車電機輸出功率不變的情況下，能夠顯著減小電流，從而有效降低熱損耗；大幅降低的電流帶來車內(nèi)線束線徑的減小，有利于車內(nèi)空間布局的優(yōu)化，同時減輕整車重量、提升續(xù)航里程。ChaoJi快充標準加速落地，推動快充發(fā)展。國家電網(wǎng)創(chuàng)立并統(tǒng)一國內(nèi)充電設施和充電接口的ChaoJi充電標準，并在2021年9月宣布加速落地。立項標準預計2021年底完成，并開啟試點示范，預計2025年普遍安裝。在2015年時充電樁標準支持的最高充電電壓為950V,充電電流為250A；而Chaoji快充標準可支持350kW-900KW大功率充電，充電電壓1000-1500V，充電電流500-600A，10分鐘增加續(xù)航300公里以上。ChaoJi快充標準兼容性強，有望成為重要的電動汽車接口和系統(tǒng)標準。ChaoJi充電能夠向前兼容中國、日本、美國、歐洲的GB/T、CHAdeMO、CCS1、CCS2老標準，向后兼容具有可擴展性，也可以支持慢充，目前已被日本和IEC采納了ChaoJi方案，如果能得到歐洲認可就會成為重要的電動汽車接口和系統(tǒng)標準之一。1.2、大功率快充引領(lǐng)高壓架構(gòu)變革全棧高壓架構(gòu)由于其能量轉(zhuǎn)換效率高的優(yōu)勢有望成為主流。大電流快充技術(shù)會導致電氣系統(tǒng)發(fā)熱加劇，對散熱的要求很高，使得當前高壓快充成為行業(yè)的多數(shù)選擇。目前預計能實現(xiàn)大功率快充的高壓系統(tǒng)架構(gòu)共有全棧高壓架構(gòu)、多電壓架構(gòu)、全棧低壓架構(gòu)三類。全棧高壓架構(gòu)：電池包、電機以及充電接口均達到800V，車中只有800V和12V兩種電壓級別的器件，OBC、空調(diào)壓縮機、DC/DC以及PTC均重新適配以滿足800V高電壓平臺。多電壓架構(gòu)：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。全棧低壓架構(gòu)：1）采用兩個400V的電池組，通過高壓配電盒的設計進行組合使用。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。2）采用單個400V的電池，充電接口與電池之間通過DC/DC降壓。二、快充樁市場規(guī)模有望超千億，高電壓、大功率、液冷是重要趨勢2.1、快充需求量快速增長，2025年快充樁市場規(guī)模有望超千億充電樁屬于電動車的重要基礎設施。隨著新能源車保有量的不斷增加，充電樁需求也會不斷提高。按照安裝條件分類，充電樁可分為立式充電樁和壁掛充電樁；按照安裝地點分類，可分為室內(nèi)充電樁和室外充電樁；按充電接口分類，可分為一樁一充和一樁多充；

按充電類型分類，可分為交流充電樁和直流充電樁。直流充電樁是未來行業(yè)的重要發(fā)展方向。交流充電樁輸出單相/三相交流電，通過車載充電機轉(zhuǎn)換成直流電給電池充電，功率較小，充電速度較慢。而直流充電樁直接輸出直流電給電池充電，功率較大，充電速度較快，是未來行業(yè)的重要發(fā)展方向。充電樁建設有望持續(xù)快速增長。截止2021年底中國新能源車保有量約798萬輛，車樁比約3：1。今年以來充電樁建設加速，車樁比下降，目前約2.7:1，車樁比仍較高。未來三年新能源車銷量有望繼續(xù)維持高速增長態(tài)勢，疊加車樁比存在進一步下降的潛力，預計充電樁的建設有望持續(xù)爆發(fā)式增長。2025年全國新增快充樁需求量有望超過290萬根，快充樁市場規(guī)模在2025年或?qū)⒊^1450億元。國內(nèi)電動車銷量持續(xù)超預期，而國內(nèi)目前車樁比約2.7:1，尤其是上海、深圳等新能源汽車保有量較大的地區(qū)經(jīng)常出現(xiàn)充電排隊的現(xiàn)象，充電樁數(shù)量明顯不足。政府有望對充電樁領(lǐng)域開展新的刺激政策，預計2021-2025年中國新能源汽車銷量CAGR在36%左右。同時，預計2025年車樁比可達1.5:1。此外，我們假設目前快充樁的滲透率為20%，至2025年提升至41%，快充樁平均價格為4萬元/根，隨充電樁的功率不斷提升，超充的滲透率不斷提升，預計到2025年快充樁的平均價格有望達到5.1萬元。預計2025年全國充電樁保有量有望超過2000萬根，全國新增快充樁需求量有望超過290萬根，對應快充樁市場空間有望超過1450億元。2.2、充電模塊價值量占比大、壁壘高、市場規(guī)模增長迅速充電樁的零部件主要包括：充電模塊、交流配電單元、監(jiān)控單元、防雷單元、熔斷器、繼電器，外部結(jié)構(gòu)包括充電槍、高壓絕緣檢測板、顯示屏等。其中充電模塊是充電樁的核心，模塊的性能直接決定了充電樁的輸出能力。充電模塊在整個充電樁的成本中占比最高，約為40%。充電模塊又稱功率模塊，在模塊內(nèi)部進行交直流轉(zhuǎn)換、直流放大隔離等工作，決定了充電樁的性能和效率，是充電樁行業(yè)具有較高技術(shù)門檻的核心產(chǎn)品，目前其重要技術(shù)只掌握在行業(yè)少數(shù)企業(yè)手中。充電模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)復雜，內(nèi)含元器件眾多，是影響充電樁性能的重要部件，成本占充電樁建設總成本的40%左右。充電模塊核心技術(shù)壁壘在于模塊內(nèi)部拓撲結(jié)構(gòu)的設計水平和集成化能力。充電模塊的關(guān)鍵元器件在于MOS管開關(guān)，當充電模塊工作時，三相交流電源經(jīng)過整流濾波后，變成直流輸入電壓供給DC/DC變換電路?？刂破魍ㄟ^驅(qū)動電路作用于功率開關(guān)MOS管，使整流濾波后的直流電壓轉(zhuǎn)換成交流電壓，這時的交流電壓是脈寬調(diào)制的。交流電壓經(jīng)高頻變壓器的變壓隔離，再次經(jīng)整流濾波得到直流脈沖，進而對電池組充電。單個充電模塊涵蓋1000多個核心原件，同時其拓撲結(jié)構(gòu)的設計直接決定效率和性能，具備較高技術(shù)門檻。快充/超充樁要求更大功率的充電模塊，推動充電模塊技術(shù)門檻進一步提高。充電樁的快充能力主要是通過高壓化來實現(xiàn)大功率的電能輸出，這對充電模塊的質(zhì)量和數(shù)量都提出了更高的要求。隨著功率等級的提升，充電模塊的內(nèi)部結(jié)構(gòu)設計難度和內(nèi)部原件集成化難度也隨之提高，在保證充電模塊能夠適配高電壓平臺的同時也要保證其安全性和可靠性，對充電模塊廠家提出了新的要求，進一步提高了充電模塊的技術(shù)門檻?？斐涑潆娔K2025年市場空間有望超過500億元。當前充電模塊的成本占比約為40%，隨著技術(shù)進步和產(chǎn)業(yè)規(guī)模帶來的降本，預計到2025年充電模塊成本占比約為35%。隨著快充樁廣泛快速建設的拉動，預計到2025年快充充電模塊市場空間有望超過500億元。2.3、充電模塊向大功率化、標準化發(fā)展2.3.1、充電模塊大功率化已成為發(fā)展趨勢隨著快充需求的不斷增大，充電模塊的功率等級也隨之不斷提高。隨著新能源車的發(fā)展，車載平臺電壓等級不斷提高，續(xù)航里程不斷延長，車主對充電速度的需求也在上升。充電樁正處于從過去以交流慢充為主轉(zhuǎn)變?yōu)槲磥硪灾绷骺斐錇橹鞯陌l(fā)展路徑上，充電模塊的功率等級不斷提升。目前中國市場主流充電模塊已經(jīng)發(fā)展了三代，從一開始2016年以前的7.5kW到目前普遍的第二代15/20kW，2020年開始普及的第三代30/40kW模塊目前正在逐漸成為市場主流。充電樁體積空間有限，充電模塊功率密度提高是必然趨勢。提高充電樁的輸出功率主要方式就是提高模塊的總功率，一般途徑有兩個：一是增加模塊的數(shù)量，二是提高模塊的功率密度。充電樁的體積是有限的，隨著快充技術(shù)的不斷發(fā)展，單純的增加模塊數(shù)量已經(jīng)不能滿足功率提升的要求，模塊功率密度的提升是必然趨勢。相同的模塊尺寸下，功率密度越大，模塊總的輸出功率就越大。目前中國頭部模塊廠商的功率密度已達到較高水平，超過第三代45W/in3的標準。國內(nèi)廠商在模塊功率密度提升方面做了很多嘗試，從不同廠商的30KW模塊目前達到的最高功率密度看，華為電源模塊的功率密度遙遙領(lǐng)先，達到58.6W/in3，目前優(yōu)優(yōu)綠能的20/30KW充電模塊功率密度接近45W/in3，較2017年的32.8W/in3（15kW）提升了37%。模塊的功率提升必須考慮快充的功率提升和充電樁規(guī)格多樣化的需求。主要原因是不同系統(tǒng)功率，不同充電槍功率分配需求的充電樁，需要不同的最合適功率顆粒度的充電模塊。當前市場主流快充樁功率范圍從單槍30kW到4槍240kW，規(guī)格多樣，而因此在充電模塊的標準規(guī)格上，宜制定不同容量的系列化的充電模塊。大功率模塊市場占比逐漸提升。當前國內(nèi)市場，20kW及以下功率等級的模塊占據(jù)市場容量比例約為60%左右，其余容量大比例由30kW占據(jù)，及部分40kW模塊。隨著近年來電動汽車電池容量的提升，充電倍率的提升，已經(jīng)有明顯的市場發(fā)展趨勢：20kW較大份額市場正在逐漸向30kW，40kW，甚至更大功率多元化規(guī)格發(fā)展。目前英飛源，永聯(lián)，優(yōu)優(yōu)綠能、電王快充等企業(yè)均已批量生產(chǎn)使用40kW充電模塊。2.3.2、標準化模塊設計已成為行業(yè)共識過去模塊行業(yè)標準化程度低，模塊尺寸和接口規(guī)格沒有實現(xiàn)統(tǒng)一。當前在中國模塊市場上，廠家眾多，行業(yè)內(nèi)尚未建立標準化統(tǒng)一化的規(guī)范和標準，不同廠家的不同廠家的模塊尺寸和接口標準各不兼容。即便是同一廠家的不同模塊產(chǎn)品，由于功率等級和規(guī)格的不同，尺寸和體積也有差異。同樣是15kW的模塊，華為的產(chǎn)品只有1種尺寸，為206mm*470mm*83mm，英飛源的產(chǎn)品則有2種不同的尺寸215/226mm*395mm*84mm。模塊尺寸和接口的不兼容會增加后期充電樁升級的成本。過去在充電樁標準升級演進過程中，由于模塊廠商和充電樁廠商都未充分考慮到未來發(fā)展的兼容性，造成了充電樁由于模塊規(guī)格迭代而進行的重復化設計工作，增加了充電樁的升級換代成本，不利于充電樁的長期可持續(xù)利用。由于兼容性差的問題，現(xiàn)存大部分老舊的充電樁已經(jīng)無法通過更換模塊直接升級，必須進行整個樁體內(nèi)外結(jié)構(gòu)的重新設計更換。國內(nèi)部分廠商已經(jīng)開始關(guān)注尺寸和接口規(guī)格的統(tǒng)一標準化設計，實現(xiàn)了30kW向40kW模塊的平滑升級。隨著充電模塊技術(shù)的發(fā)展演進和市場應用規(guī)模的逐漸成熟，充電模塊產(chǎn)品的設計方向也在持續(xù)向高可靠性，高功率密度方向提升。對于市場上已經(jīng)明確的30kW/40kW充電模塊需求，已有廠家在設計之初就向同結(jié)構(gòu)尺寸、同接口尺寸的目標進行設計。以優(yōu)優(yōu)綠能為例，其30kW和最新的40kW模塊在同樣的電壓范圍下實現(xiàn)了尺寸統(tǒng)一，均為300mm*437.5mm*84mm，使用30kW模塊的舊充電樁可以在不改變內(nèi)部結(jié)構(gòu)只更換新的大功率模塊的條件下實現(xiàn)平滑升級。以360kW雙槍快充樁為例，原有設計包含12個30kW模塊，現(xiàn)在在同樣接口上直接更換為12個40kW的模塊后，充電樁總功率達到480kW，大幅提升33%。國家政策層面也開始制定行業(yè)的統(tǒng)一標準。國家電網(wǎng)公司推出了國網(wǎng)三統(tǒng)一標準的充電模塊，統(tǒng)一模塊外形尺寸、統(tǒng)一模塊安裝接口、統(tǒng)一模塊通訊協(xié)議，為充電樁系統(tǒng)集成商及充電運營企業(yè)提供了更好的選擇。國網(wǎng)三統(tǒng)一型充電模塊可推動行業(yè)進一步規(guī)范化標準化，該標準已成為當下各企業(yè)的主流產(chǎn)品設計參考標準。2021年2月，廣東省充電設施協(xié)會出臺了關(guān)于組建電動汽車充電樁連接裝置、直流充電樁充電模塊接口團體標準起草工作組的公告，未來將推出系列相關(guān)的充電模塊接口標準，推動行業(yè)的規(guī)范化發(fā)展。2.4、液冷充電樁優(yōu)勢明顯充電樁傳統(tǒng)的散熱方式多采用直通風冷，防護等級低，可靠性差。市場發(fā)展早期采用成熟的IP20直通風技術(shù)的充電樁難以滿足惡劣環(huán)境應用要求。此外，直通風散熱的弊端在于空氣于模塊內(nèi)部元器件并不隔離，而空氣會夾雜著灰塵、鹽霧及水氣并吸附在模塊內(nèi)部器件表面，同時易燃易爆氣體與導電器件接觸，導致模塊故障風險的增大。傳統(tǒng)的直通風散熱會產(chǎn)生巨大的噪音，居民投訴導致充電站正常運行時間的縮短。風冷散熱模塊采用高轉(zhuǎn)速風扇強力排風，再加上樁體的散熱風扇，噪聲疊加起來甚至>70dB，超過了國家的噪音限制范圍。截止2020年底，北京全市各類充電樁數(shù)量已經(jīng)達到21.85萬，停運比例約10.3%，其中充電樁噪聲擾民是運營商被投訴次數(shù)最多的問題。液冷散熱技術(shù)可以同時解決模塊故障率高及噪聲大的問題。充電模塊及系統(tǒng)內(nèi)部的發(fā)熱器件通過冷卻液與散熱器進行熱交換，與外部環(huán)境完全隔絕，與灰塵、易燃易爆氣體等無接觸。故液冷充電系統(tǒng)可靠性遠高于傳統(tǒng)的風冷充電系統(tǒng)，同時液冷充電模塊無散熱風扇，通過水泵驅(qū)動冷卻液散熱，模塊自身零噪聲，系統(tǒng)則采用大風量低頻風扇噪聲低。液冷散熱相比風冷性能更優(yōu)，目前成本較高，未來將逐漸成為模塊散熱主流趨勢。液冷模塊的散熱能力相較強制風冷模塊低10~20℃，智能降噪控制可滿足對噪聲敏感場景安裝使用。液冷模塊還擁有更高IP等級的防護，適應多粉塵等惡劣場景應用，壽命延長1~2倍，后期維護和檢修減少，降低運營成本。液冷散熱的難點主要在于冷卻液和電纜的密封。液冷需要在電纜和充電槍之間設置一個專門的循環(huán)通道，在通道內(nèi)加入冷卻液，通過動力泵推動液體循環(huán)把熱量帶出，起到散熱作用。但充電樁安裝和使用的環(huán)境可能會面臨極端天氣、惡劣環(huán)境等因素，若因線纜密封性較差導致管路發(fā)生泄露，就容易導致冷卻系統(tǒng)失效從而導致事故發(fā)生。所以使用的液冷電纜都需要通過耐高溫、耐腐蝕、抗爆破、耐氣候、耐低溫等測試。特斯拉超充樁V3率先使用液冷技術(shù)，其他廠商也在跟進。其充電功率達到了250kW，同時線纜直徑較V2版充電槍減少44%，至23.87mm。其他整車廠如比亞迪、廣汽、小鵬、嵐圖、理想等為配合其即將推出的800V高壓架構(gòu)車型，大功率快充樁為必需品。目前小鵬超充站支持180kW雙槍直流快充樁，單槍最高功率可達120kW；蔚來推出超充補能方案，其超充站210kW主機1拖4配置功率可隨時升級至270kW。同時，國內(nèi)部分廠家如英飛源、盛弘股份、英可瑞等已有相關(guān)產(chǎn)品推出。三、緊跟快充發(fā)展趨勢，廠商紛紛開始布局3.1、盛弘股份：充電樁產(chǎn)品覆蓋廣泛盛弘股份借電力電子領(lǐng)域深厚積淀切入充電樁，產(chǎn)品覆蓋領(lǐng)域廣泛。電能質(zhì)量業(yè)務與充電樁均以電力電子技術(shù)為基礎，技術(shù)同源（在充電樁將交流電轉(zhuǎn)化為直流充電過程中，電流量過大會產(chǎn)生諧波和無功的問題）。公司在將三電平模塊化技術(shù)運用于電能質(zhì)量產(chǎn)品后，憑借自身技術(shù)儲備切入充電樁業(yè)務，于2011年研制推出了充電樁模塊，用于對電動汽車蓄電池充電，同時也可有效治理諧波。目前，公司電動汽車充換電服務業(yè)務已擁有分體式及一體式充電設備、交流充電樁、恒功率充電模塊、充電站建設及運營管理服務等產(chǎn)品，覆蓋高壓直流快充、交流慢充等領(lǐng)域。產(chǎn)品性能優(yōu)異，已有較多經(jīng)典應用案例。公司生產(chǎn)的直流充電樁，采用有源APFC技術(shù)進行諧波治理和無功補償，使得系統(tǒng)效率達到95%以上，功率因數(shù)達到0.99，諧波電流總畸變率降低到5%以下，無需安裝額外的電能治理設備即可保證充電站的使用安全，且不影響同一電網(wǎng)中其他用戶的正常用電。公司依靠領(lǐng)先的技術(shù)方案，在2018年收獲合肥公交、鄭州公交等充電樁建設項目，在充電樁領(lǐng)域已有較多經(jīng)典應用案例，與行業(yè)內(nèi)主要企業(yè)建立了良好的合作關(guān)系。公司推出第五代恒功率直流充電模塊，性