2022年汽车快充行业发展现状及产业趋势分析 4C有望成为汽车快充产业趋势
- 来源:国盛证券
- 发布时间:2022/07/05
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1.汽车充电:能量的来源
新能源汽车市场表现强劲。目前新能源汽车增速加速明显,根据中汽协数据,我国在2016~2021年新能源汽车销量年复合增速高达47.34%。其中2021年全国新能源汽车销量为352.1万辆,同比增长157%,连续7年全球第一,新能源汽车总体汽车销量占比为13.4%。同时,未来我国新能源汽车将有望延续高速渗透架势,根据2019年12月工信部发布《新能源汽车产业发展规划(2021-2035年)征求意见稿》,明确提出纯电动乘用车为未来的主流,到2025年新能源汽车销量占比达到25%左右。
电动化加速落地:催生庞大充电需求。目前国际知名车企都明确提出自身电动化战略规划,例如大众计划2022年之前推出15款MEB新能源车型;2025年之前推出15款PPE新能源车型,新能源车销量达100万辆,占公司总销售量20%-25%;2028年前推出70款纯电动车型,电动车产量达2200万辆。全球电动化趋势明显,势必催生庞大的充电需求。
车载充电:新能源汽车能量的来源。电动车与燃油车不同,主要依靠车载动力电池提供能量,电动汽车行驶过程中不断消耗电能,当电量消耗完毕后,电池能量需要补充。其能量补充形式是将电网或者其他储能设备的能量转换为电池的能量,该过程称之为充电。与此同时,OBC(车载充电机)成为充电过程中的关键部件,其主要负责将电网的电压经过充电桩或交流接口,通过连接给予电池充电。
充电分类:交流慢充:即传统的电池充电方式,又称常规充电。交流充电设备没有功率转换器,直接将交流电输出,接入车内。车载充电机接受到交流电后将其转换为直流电进行充电。因此交流慢充方案通过车量自带的便携式充电器即可接入家用电源或专用充电桩进行充电。
交流充电的功率取决于车载充电机的功率。目前主流车型的车载充电机有分为2Kw,3.3Kw,6.6Kw等型号。而交流充充电的电流一般在16-32A左右,电流可以是直流或者两相交流电和三相交流电。目前,混合动力车型交流慢充需要4-8小时充满,其交流充电的充电倍率基本在0.5C以下。
交流慢充的优点在于其充电成本较低,不依赖充电桩或者共用充电网络就可以完成充电。但是常规充电的缺点也非常明显,最大的问题在于充电时间较长,目前大部分电车的续航里程均超过400KM,常规充电对应的充电时间均在8小时左右,对于有长途行车需求的车主来说,路途中充电焦虑远远大于其他因素。其次,常规充电的充电模式为低电流充电,其充电模式为线性充电,不能很好地对锂电池的特性进行利用。
直流快充:交流慢充的电动车充电问题始终是一大痛点,随着新能源汽车对更高效率充电方案的需求越来越大,快充方案应运而生。快充也即快速充电,或者地面充电。直流充电桩内置功率转换模块,能将电网或者储能设备的交流电转换为直流电直接输入车内电池,无需经过车载充电机进行转换。直流充电的功率取决于电池管理系统和充电桩输出功率,两者取较小值作为输入功率。
快速充电模式的代表为特斯拉超级充电站。快速充电模式的电流和电压一般在150~400A和200~750V,充电功率大于50kW。此种方式多为直流供电方式,地面的充电机功率大,输出电流和电压变化范围宽。目前市场上特斯拉的快充功率达到120Kw,半小时能充满80%电量,充电倍率接近2C。北汽EV200可以达到37Kw,充电倍率约1.3C。
控制系统:BMS充电设备的转化过程还需要和电动汽车上动力电池的管理系统BMS(BatteryManagementSystem)配合,BMS的最大优势在于充电过程中,会根据电池的实时状态,来改变电池的充电方案,其非线性的充电模式实现了在安全和保障电池寿命两大前提下的快速充电。
BMS的功能主要包括以下几类:
电量状态监控:最基本的电量状态监控内容是动力电池荷电状态(SOC)监控,SOC是指电池剩余电量和电池容量的百分比,是车主评估电动车续航里程的主要参数。BMS通过调用电池包上多个高精度传感器的数据,对电池参数信息(电压、电流、温度等)进行实时监控,其监控精度可达1mV。精确的信息监控外加优秀的算法处理,确保了电池剩余电量评估的精准度。在日常行车过程中,车主可以设置SOC的目标值,以实现车辆能耗的动态优化。
电池温度监控:锂电池对温度的敏感程度很高,温度无论过高还是过低都会直接影响电芯的性能,极端情况下会对电池的性能造成不可逆的损伤。BMS能够通过传感器监控,保障了电池运行的安全环境。在温度较低的冬天,BMS会调用加热系统对电芯加热使其达到合适的充电温度,避免电池充电效率降低;而在温度较高的夏天或者是电池温度过高时,BMS会立即通过冷却系统降低电池温度,保障行车安全。
电池能量管理:电芯的制作工艺误差或者实时温度不一致都会导致其电压各不相同。因此充电过程中,可能电池内一部分电芯已经充满,而另一部分电芯电量还没充满。BMS系统通过实时监控电芯电压差值,调节减小各个单体电芯之间的电压差,保证各电芯充电的均衡性,提高充电效率,减小能量消耗。
2. 4C有望成为产业趋势
充电问题成为消费者痛点。充电速度始终是贯穿电动车使用过程,目前电动车在全球的快速渗透扩张则进一步放大了充电速度对于车主行车效率和用户体验的影响。在2021年7月召开的金砖充电论坛中,华为表示目前新能源汽车市场已经由政策驱动转化为政策+市场双轮驱动,对于目前的消费者而言,存在的主要痛点为:充电、续航和安全。其中充电问题在很大程度上将影响消费者购买欲望。
心理锚定:传统燃油车的能量补充十分快速,一般场景下,燃油车从进入加油站加油到驶出加油站全程不超过10分钟,且对于长距离行驶来说,加油站数量众多,遍布于每一个高速公路驿站。而以400KMH传统电动车为例,电动车的充电速度普遍在30分钟朝上,且充电桩的数量紧张延长了充电的前置等待时间。目前的充电技术相比于燃油车的加油方式毫无优势。10分钟的燃油车心理锚定时间始终是广大客户衡量电动汽车充电速度快慢的第一标准。
超级充电标准孕育而出。C的定义:通常,我们将电池的充放电倍率用C来表示。对于放电,4C放电表示电池4个小时完全放电时的电流强度。对于充电,4C表示在给定的电流强度下,充满电池400%的电量需要1个小时,也即在给定的电流强度下15分钟电池能够完全充电。4C是什么:4C并非全新指标,而是在传统的充放电指标如1C、2C基础上的延伸,是电池充放电性能提升的体现,并且可以看出C的级数越高,电池充放电性能提升的边际效果越弱。当电池的充电倍率超过4C,其技术难度的提升以及电池承受的电流压力更大,但是技术提升所带来的正向效应变小。因此我们认为,4C是目前兼具性能提升和电池技术承受能力的最优解。
动力电池充电倍率的迭代进程:在早期,受限于当时的科技水平,无论是充电技术还是电池工艺都不允许电池以较高的倍率进行充电,对于刚刚实现充电跨越的铅酸电池,其充电倍率仅为0.1C,充电倍率的提高会对电池寿命产生较大影响。而随着锂电池技术的不断突破搭配BMS的不断进步,电池的充放电倍率得到了显著的提升。最早的交流慢充方案充电倍率为0.5C以下。随着近几年全球电动汽车的加速渗透,动力电池的充电技术得到大幅突破,从1C的电动汽车迅速演进到2C。2022年,国内已有搭载3C电池的汽车进入市场。而在2022年的6月23日,宁德时代发布新款麒麟电池,并表示4C充电预计将于明年到来。
超级充电将成为充电技术升级必经之路。同新能源汽车一样,手机对于充电速度的需求也较强,在手机发展的过程中充电技术也在不断提升:从1983年摩托罗拉DynaTAC8000X实现充电10小时通话20分钟,到2014年OPPOFind7宣传充电5分钟通话两小时,到现如今多机型可以在15分钟内充满4500mAh容量的电池。智能手机的充电协议也从2010年USCBC1.2的5V1.5A提升至2021年USBPD3.1,最大电压可支持48V。我们认为无论是智能手机还是新能源汽车,实现快速充电都将在很大程度上提升产品使用体验,同时也是技术升级的必经之路,未来电动车4C充电也将成为产业趋势。
3.多企业布局超级充电
目前已经有多家企业已经发布自身快充布局方案,并且自2021年起已经陆续有相关车型发布:保时捷推出首款800V快充平台电车;比亚迪e平台3.0发布,对应概念车型ocean-X;吉利极氪001搭载800V快充平台。同时华为发布其AI闪充全栈高压平台,预计到2025年将实现5min快充。
3.1华为:AI闪充全栈高压平台将实现5min快充
“大电流”与“大电压”路径并存,后者成本更优。为了达到更高的充电功率以达到快充的目的,加大电流或者电压是必须的,目前市面上采用更“大电压”技术路径的公司多于“大电流”。华为表示:当使用“大电压”技术路径时,整车BMS、电池模组成本与“大电流”路径持平,但是由于不需要考虑大电流影响,其高压线束以及热管理系统成本要相对较低。
800V或将成为主流。在如今主流车型依旧为200V~400V电压架构,为了达到更高功率以满足快充需求,电流将会面临翻倍的可能,这将会给整车散热以及性能带来影响。如今包括SiC等功率器件,高压连接器,高压充电枪等管径部件已经发展成熟,选用更高的电压的同时保证电流处于相对安全的范围是一个较好的选择。
3.2特斯拉:V4充电功率有望达到350kW
自2012年起,Tesla便着手超充布局。第一代充电桩V1功率为90kW;V2提升至120kW,自V3充电桩起,Tesla采用液冷技术,运用全新的架构使得电池能够承受更大功率的充电,充电峰值达到250kW,在峰值情况下充电可以达到15分钟为车辆补充250km的续航里程,V3对于Model3车型来说仅需40min便可将SOC由8%充至90%,相较于V2缩短20min。
V4或将面世,功率有望达到350kW,峰值电流900A。Tesla在近期法说会问答环节中,其汽车业务负责人JeromeGuillen曾公开表示在着手开发350kW超充充电桩,预计将试配于Plaid和Cybertruck等车型中。
3.3比亚迪:e平台3.0充电5分钟续航150km
比亚迪自2003年进入新能源领域,在纯电车领域实现三次平台迭代,其中第一代e平台发布于2010年,实现了三电关键技术的平台化,在高压架构、大功率电机、驱动电机控制器等关键部件中实现突破;2016年比亚迪发布e平台2.0,首次剔除“33111”概念:以高度集成化为目的,开发标准化、轻量化、小型化、可组合的模块产品。并实现了整车的减重以及布局优化。
2021年比亚比发布全新概念车型ecean-X,同时推出其搭载的e平台3.0,其采用八合一电驱动总成,将电机、减速器、DC-DC、BMS等部件向结合,全车EE架构由分散式升级为集中式,e平台3.0将采用全新一代SiC模块,整车电控功率密度提升30%,最大支持电流、电压分别为840A、1200V。比亚迪e平台3.0同时搭载800V超充平台,达到充电5分钟续航150km的快充标准。
3.4保时捷:800V平台Taycan
保时捷Taycan采用完整800V电池架构,能够满足400V直流快充和800V直流快充,5分钟能够实现SOC80%的充电。在设计中,保时捷Taycan采用大众集团J1电平台改款,由于保时捷Taycan在设计之初市面上普遍电压为400V平台,Taycan使用了升压器将400V平台提升至800V,使得其内部DC-DC结构较为复杂,同时使得其在800V相关配套设施并不完善的时期实现了800V快速充电。
目前Taycan的充电方案可以适用于家用充电或者外部充电,在充电功率方面第一阶段可以提供大约250kW功率,后续将提升至320kW,在实现快充的同时也能够通过内部的升压器来实现400V50kW的普通充电。
800VMacan车型即将面世。根据保时捷公开消息,新款Macan将于2023年发布,新车将搭载800V快充平台,与Taycan不同,新款Macan将使用大众集团PPE纯电平台,其将作为从零打造的纯电平台,充电功率或将达到270kW。
3.5吉利:极氪001支持360kW快充
2021年底,吉利发布基于SEA架构的极氪001,售价基于28.1~36.0万,根据电机续航里程的不同分为“WE”、“YOU”和长续航版“YOU”,其中“WE”电池容量为86kWh,其余两款电池容量为100kWh。极氪001由于搭载800V高压充电平台,支持理论360kW超级充电,根据新出行实测数据,在400V平台下,极氪001能够实现28min将SOC由20%充至80%。
同时为了适配极氪001,吉利着手已经布局全景式充电:家庭7kW充电桩、商区20kW轻冲、道路枢纽120kW超充以及“即充即走”360kW快充,支配不同应用场景满足多样化需求,其中“即充即走”超充充电桩由于采用液冷散热外部线缆外径小于25mm,同时支持无感支付等功能,极氪预计将在2023年底全国范围内建设2200个不同规格等级的充电桩。
3.6多品牌布局超级充电桩
2022年随着越来越多的800V平台电车进入大众视野,相对应的充电桩部署也在井然有序进行。
大众:纯电车布局清晰,超充站建设积极。大众集团目前纯电汽车布局清晰,旗下纯电平台:J1、MEB、PPE对应包括大众ID、奥迪、保时捷等多品牌车型,根据大众公布的充电桩战略规划,目前MEB平台年产量可达60万辆,预计到2025年将会有15款左右的MEB平台车型面世。
充电桩领域,大众在2019年在国内成立CAMS合资公司,提供充电解决方案,截止2021年初已经在北京、成都等地布局近40个超级充电站(功率在120~180kW左右)、255做充电站和1800个充电桩。截止2021年初,大众集团在德国已经布局1200余个公共充电桩,2022年规划在欧洲地区新建750个充电桩,其中包含300kW快充桩。
小鹏:充电业务布局超前。早在2018年小鹏就已经有第一批超充站投入运营,同时小鹏充电业务采取合作模式,可接入多个第三方,同时小鹏在2019年底在充电领域与未来niopower达成合作。根据小鹏官网显示,截止2022年3月底,小鹏自营超充站上线757座,覆盖全国所有地级行政区。
蔚来:180kW和250A快充。蔚来在超充领域没有停滞,根据蔚来官网,截止2022年6月蔚来全国范围内布局超充站超过862个,其拥有最大功率为180kW,能够在半小时内由20%充电至80%。
(本文仅供参考,不代表我们的任何投资建议。如需使用相关信息,请参阅报告原文。)
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