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新能源汽车高压快充将是未来风口

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  高压800V渐成趋势,车、电池和充电桩等相关零部件将受益。我国新能源汽车保有量快速增长,补能成为影响用户购买新能源汽车的主要因素之一。快充是解决补能问题的主要手段之一,而实现快充可以通过大电流和高电压两种路径,目前大电流路线复杂度较高,高压快充将是未来主流。国内外车企积极布局高压快充,预计2025年全球800V车型渗透率将达到13%。800V高压平台是一个系统工程,车端、桩端和电池端的零部件在渗透率提升过程中将充分受益。

  整车端:高压快充趋势推动车端零部件国产化率提升。一是SiC功率半导体将加速替代Si IGBT;二是800V加速电机扁线和油冷化,电驱系统集成度不断提升;三是高压熔断器、直流继电器、薄膜电容和高压连接器等均需升级以适配800V高压平台;而在400V到800V升级过程中,国内零部件份额将逐步提升。

  电池端:电池材料和热管理相关企业将受益。首先,电池材料环节需要为锂离子快速传导做改造,核心在于负极修饰和电解液配方;其次,升级为800V后电芯串联数量翻倍,则所需BMS的AFE(模拟前端)芯片数量也将翻倍;最后,快充导致电芯产热增加,系统级热管理需要采用多面液冷的方案。

  充电桩:液冷大功率快充基础设施建设先行。一是充电功率提升驱动单个充电模块功率升级,以实现功率密度提升和成本下降;二是高压快充导致充电模块和枪线散热压力增大,将催生液冷模块和液冷枪线的需求;三是为缓解充电供需矛盾,分体式和功率池化是充电整桩的发展趋势。

  业务建议及风险提示。我们认为,随着供应链逐步成熟800V车型渗透率有望快速提升,据我们测算,到2026年国内800V车型渗透率有望达到27%,彼时由800V趋势带来的零部件升级(除电池材料)增量空间超过300亿。

正文

  高压800V渐成趋势,车桩电池部件将受益

  1.1补能和续航是影响电动车消费的主要因素

  我国新能源汽车保有量快速增长,补能时间和续航里程成为影响用户购买电动车的主要因素。在国家政策大力扶持之下,我国新能源汽车保有量实现快速增长,据公安部统计,截至2023年底,我国新能源汽车保有量已达2041万辆,占汽车总量的6.1%。其中,纯电动汽车保有量为1552万辆,占新能源汽车总量的76.04%。随着新能源汽车保有量的不断增长,新能源汽车使用端的问题也逐渐显露。根据中汽中心的一项问卷调查结果统计,充电不便成为影响消费者购买电动车的首要因素,占比达56%;续航里程短位居次席,占比达51%。

  图1:我国新能源汽车保有量快速提升

  图2:影响消费者购买电动车主要因素

  图3:中国充电基础设施保有量

  图4:2015-2023年中国车桩比数据

  充电换电并驾齐驱,但补能基础设施仍然存在明显不足。为解决新能源汽车面临的补能问题,政府同步出台相应政策将地方财政购置补贴转向支持充电基础设施建设和运营。充电设施方面,截至2023年,我国各类充电桩保有量为859.6万个,同比增长65%,车桩比也从2015年的11.6降低到2023年的2.4。然而,用户补能需求强烈,需要“5分钟以内快速充电,像加油一样方便快捷”,但当前已建成的充电桩以小功率慢充为主,充电时间在1小时以内的充电桩占比仅为4%,大功率充电设施供应仍然存在明显不足。换电设施方面,截至2023年底,我国乘用车换电站共建成3567座,其中蔚来换电站份额为65%,奥动换电站份额为19%,易易互联为8%。乘用车换电目前仍然面临标准难统一和初期投资高等问题,因此大部分车企仍选择快充作为解决补能问题的主要手段。

  图5:充电时间小于1h的充电桩占比不足4%

  此外,与传统燃油车相比,新能源汽车实际续航里程仍是短板,尤其是冬季低温续航里程。根据懂车帝对2022年40余款新能源乘用车冬季低温续航的测试结果看,虽然大部分车型的官方公告续航均在500km以上,但由于实际测试路况复杂、低温下锂电池活性降低以及制热系统负荷增加等原因,车辆的低温续航里程均有明显的缩水。根据测试结果看,实测低温续航里程最长的车型蔚来ET7也仅取得375.7km的成绩,远低于传统燃油车800~1000km的续航水平。

  表1:2022年懂车帝新能源车型冬季续航能力前15名

  1.2高压平台能有效解决充电慢和续航短的问题

  缩短充电时间即提高充电功率,目前有大电流和高电压两条路径。根据公式P(功率)=U(电压)*I(电流)可知,可以通过升高电压或者加大电流以提高充电功率,也是目前车企所采用的主要路径。大电流超充路线以特斯拉为代表,其最新一代V4超充可实现最高350kW的充电功率,5分钟内可充满168km的续航里程;高电压超充路线以保时捷等为代表,其在2019年全球首发搭载800V高压架构的Taycan车型,可支持800V高压直流快充并实现350kW的充电功率。此后,高压快充作为实现快速补能的方式之一受到越来越多车企的青睐。

  用户对新能源汽车续航里程的关注度高,但简单通过增加电池电量来提高续航里程的方式并不可取。为了提高续航里程,一些车企简单粗暴地采取增加单车带电量的方法,但该方法会带来诸多负面问题:一方面,增加电池电量势必会带来成本增加,推高新能源汽车的终端售价;另一方面,额外增加的电量会引起整车重量增加,侵占额外车辆空间,让新能源汽车的驾驶感和乘坐舒适性受到影响。如何在不增加整车重量和成本的前提下缓解用户的里程焦虑是各大新能源车企寻求的目标。

  我们认为高压架构可以通过整车轻量化和减少损耗提高车辆续航里程。整车轻量化方面,铜作为电动汽车中用于线束、电机和电池高压母排的关键材料,在一辆电动汽车中总重量大约为80kg,相当于车身重量的4%。通过将400V平台提升至800V,由于电流减小发热量降低,线束和高压母排变细,整车重量将会降低。根据P3 Automotive的研究,采用800V架构后电动车的重量将减少25kg以上。减少损耗方面,800V高压架构将使用SiC MOSFET替代Si IGBT作为车辆功率半导体,其在全负荷范围内的损耗均低于Si IGBT,特别是在25%负荷条件(车辆正常使用工况)下损耗可降低80%,根据意法半导体的数据,使用SiC的高压架构车辆的能量效率比400V车辆高约3.5~8%。

  高压架构大势所趋,国内外车企争相布局,预计2025年全球渗透率将达到13%。2019年保时捷发布全球首款搭载800V高压架构的量产车型Taycan,支持最高350kW大功率充电,电量从5%充至80%用时小于30分钟。近两年高压架构受到越来越多车企的青睐,现代汽车发布支持800V的E-GMP平台,比亚迪和吉利等自主品牌都相继开始布局800V高压平台,造车新势力蔚来、理想和小鹏也紧随其后(详见附表1)。随着国内外车企在高压架构积极布局,预计2025年800V以上车型渗透率或将达到13%,全球800V架构新能源汽车销量将突破350万辆。

  1.3全系800V兼容400V成行业主流趋势

  整车实现高压快充按照动力电池和高压电气系统可以简单分为三类,分别为全系400V、400V与800V混合以及全系800V,若考虑升压方式等因素则可细分为五种方案:

  (1)方案:车载零部件全系800V,电驱升压兼容400V直流桩方案。该方案要求OBC、空调压缩机、DC/DC以及PTC等高压部件均重新适配设计以满足800V高电压平台,通过电驱系统升压以兼容400V直流充电桩。缺点:整车架构改造幅度大,短期改造成本较高;优点:无需额外DC/DC,能减轻车重,长期看产业链成熟后车端成本将逐渐下降。目前比亚迪e3.0平台、小鹏G6和现代E-GMP平台均采用此方案。

  (2)方案:车载部件全系800V,新增DC/DC兼容400V直流桩方案。该方案要求OBC、空调压缩机、DC/DC以及PTC等高压部件均重新适配设计以满足800V高电压平台,通过新增升压DC/DC以兼容400V直流充电桩。缺点:整车架构改造幅度大,短期改造成本较高,且需要新增额外DC/DC导致成本增加。

  (3)方案:车载部件全系800V,动力电池灵活输出400V和800V,兼容400V直流桩方案。该方案要求OBC、空调压缩机、DC/DC以及PTC等高压部件均重新适配设计以满足800V高电压平台,动力电池由2个400V模块构成,通过继电器灵活切换,充电时两个电池模块串联成800V,放电时则并联成400V。优点:车端改造较小,可兼容400V充电桩;缺点:电池端改动难度较大,对电池热管理和电池一致性要求高,且存在并联环流问题。综合来看,该方案实用性不强。

  (4)方案:仅直流快充相关部件为800V,其余部件维持400V,新增DC/DC部件进行降压以适配400V高压零部件。该方案仅要求直流快充和动力电池为800V,其余高压零部件延用400V,动力电池的800V通过DC/DC降压至400V以适配400V高压零部件,400V直流电通过DC/DC升压至800V直流电再对电池充电。当前,不同车载高压零部件的高压成熟度不一致,部分车企或采用此混合方案,并向全系800V逐步迭代。

  (5)方案:仅直流快充相关部件为800V,其余部件维持400V,动力电池灵活输出400V和800V方案。该方案仅要求直流快充为800V,OBC、空调压缩机、DC/DC以及PTC等高压部件维持400V,动力电池由2个400V模块构成,通过继电器灵活切换,充电时两个电池模块串联成800V,放电时则并联成400V。缺点:电池端改动难度较大,对电池热管理和电池一致性要求高,且存在并联环流问题。

  从目前综合方案推广难度和改造成本来看,方案(全系800V充电系统兼容400V快充)较好,未来或是主流方案。

  1.4车端、电池和充电桩等相关零部件在高压趋势下受益

  为满足电压提升带来的对绝缘、耐压、轻量化等需求的提升,车端、电池和充电桩等多处零部件需要同步升级,我们认为比较明显的升级趋势如下:一是功率器件向SiC MOSFET升级。SiC是由碳元素和硅元素组成的一种化合物半导体,相比传统的硅基材料,碳化硅的禁带宽度是硅的3倍,导热率是硅的4-5倍,击穿电压是硅的8-10倍,电子饱和漂移速率为硅的2-3倍,以上优点为SiC在高压平台应用提供了有力支撑。二是高压元器件需要重新满足800V以上的耐压要求。800V平台电压电流更高,电弧更严重,对继电器、熔断器和薄膜电容等高压元件的性能要求更高。三是电机扁线油冷化和电驱系统集成度不断提升。800V平台下电机功率输出提升,电机扁线绕组替代圆线绕组趋势明确,油冷的使用也会保障电机功率输出的稳定;此外,为减小体积降低成本,电驱系统集成度持续提升趋势明显。四是动力电池的快充性能必须优化。电芯层面需要负极和电解液升级以促进锂离子的快速传输,系统层面需要及时将电芯快充时产生的热量传递到电池包外。五是充电桩需要向高功率升级。一方面是单个充电模块的大功率化,另一方面是整桩充电枪线和热管理的液冷化升级。

  整车端:高压快充趋势推动车端部件国产化率提升

  2.1功率器件:SiC渗透率加速提升,国产化潜力较大

  碳化硅在主驱逆变器(INV)、车载充电机(OBC)、直流变换器(DC/DC)和充电桩中均已开启对硅基IGBT或超级结器件的替代。主驱逆变器为大功率低频率场景(功率100kW以上,工作频率50kHz以下),与Si IGBT相比,SiC MOSFET有望助力主逆变器输出更大的功率。根据安森美的数据,以1.7mohm/2.2mohm内阻的SiC模块直接替换820A规格的Si IGBT模块,逆变损耗有望降低34.5%/16.3%,系统效率提升5%。特斯拉Model 3是市场上最早在主驱逆变器里使用碳化硅MOSFET的车型,而后现代、起亚、通用等国际知名车企和国内的比亚迪、蔚小理、吉利等相关企业也相继推出相关车型。根据罗姆的预测,自2023年开始,电机控制器中的SiC占比将会迅速上升,渗透率将会从2022年的9%增长到25%。预计到2025年,SiC在电机控制器中的渗透率将高达40%。OBC和DC/DC为低功率高频率场景(OBC的功率在3.3~22kW,频率100~300kHz;DC/DC的功率一般为3kW,频率在100kHz以上),SiC MOSFET有望替代Si MOSFET或二极管。通过SiC MOSFET进行替代,可以减少散热器、被动元件尺寸、简化电路,实现效率的提升。目前,OBC供应商已经开始推广配备SiC器件的产品,部分也采用了国产器件。根据电子发烧友网,目前国内碳化硅芯片在OBC的渗透率已经达到60~70%。充电桩为中低功率中高频场景(功率22~100kW,频率为50~100kHz),碳化硅耐高压和高频的性能优势正好适配直流快充桩的需求,同时还可降低拓扑复杂度,减少驱动配套电路数量与功率器件用量,从而降低充电桩的体积和系统成本。此外,对于充电运营商而言,应用SiC器件还可以减少开关损耗,提升转换效率,提高营业利润。

  800V高压平台对功率器件的要求大幅提升,SiC MOSFET更具优势。一般在400V高压平台下,功率器件所需要承受的最大电压在650V左右,采用Si IGBT器件即可满足要求;而800V电压下,功率器件对应的耐压等级需要提高至1200V,虽然Si IGBT器件也可满足1200V的耐压要求,但是Si IGBT的导通损耗和开关损耗有明显上升,使得硅基IGBT的实际经济性大为降低,因此在800V高压平台中企业更倾向选择高频低损耗的SiC MOSFET器件。

  SiC产业链主要包括衬底、外延、器件制造(设计、制造、封测)三大环节,国外企业在各环节形成垄断。

  2.2电驱系统:集成化趋势下车企自供比大幅提升

  扁线电机渗透率快速提升,800V平台下电晕腐蚀出现概率增加,漆膜改进是主要手段。扁线绕组电机的显著特点是定子绕组中采用截面积更大的扁铜线,提高电机槽满率。与普通圆漆包线绕组相比,扁线绕组在相同的体积下,具有能量密度更高、电机效率更高、散热能力更强、机械噪音和电磁噪音更小的特点。根据NE时代的数据,2023年上半年,中高端新能源车型几乎全部采用扁线电机,截至2023年10月,我国新能源乘用车扁线电机渗透率达到69%。然而,电压提升至800V后,电晕腐蚀出现概率增加,对电机绝缘造成重大危害。电晕放电是气体介质在不均匀电场中的局部自放电,通常发生在扁线绕组出槽处和绝缘层内部,部分能量转换为光、热、声、电磁等,从而造成电机异常温升、机械损坏和化学腐蚀等。为了避免上述危害,主要通过两种技术路线:后漆膜工艺;薄漆膜+PEEK膜包工艺。

  此外,电机在800V高压下工作时产热增加,而油冷电机可进一步提升电机热管理效率。电机的功率效率受制于电机热管理能力,提高电机冷却散热能力可提高功率密度,提升电机使用寿命。常用的电机冷却方式包括风冷、水冷、油冷。风冷电机主要利用机壳外部的散热鳍片,通过流动的气流将热量带走,特点是体积小、重量轻,散热性能相对较差。水冷电机采用电机机壳中增加水道的方式,通过热交换将热量带走,特点是散热好,已成为目前最主要散热方式。油冷电机将水冷中的散热介质换成特种油品材料,特点是降温效果好,尤其适合扁线电机场景,是未来主要发展方向。根据NE时代的数据,2023年10月我国新能源乘用车油冷电机渗透率达32%,液冷电机渗透率保持在57%左右。

  车企不仅通过电驱“多合一”系统集成实现降本增效,还可提高电驱系统自供比例。按照集成程度的不同,电驱动系统集成可以分为独立产品、部件级整合、控制级整合、功率级整合四个阶段。“多合一”可以降低原有独立零散部件对于车身和底盘空间的占用,加之部件之间线束连接减少,系统效率大幅提高。此外,“多合一”减少了壳体铸件、连接件、线束的使用量,降低成本的同时助力整车轻量化。根据NE时代的数据,国内新能源乘用车电驱动系统的三合一及以上集成渗透率从2020年的40%提升到2023年10月的60%以上。在独立模块时代,整车厂通常向供应商购买独立模块,而在“多合一”趋势下,整车厂将倾向于系统自供。据NE时代的数据,随着电驱系统集成度的不断提升,整车厂自供比例从5%提升至97%。

  2.3高压熔断器:国内企业受益于高压化,份额进一步提升

  高压熔断器是新能源汽车高压回路系统必不可少的安全保护装置。新能源汽车动力电池系统均采用高压直流电,过流保护主要依靠高压熔断器(应用电压为60~1500V)来完成。新能源汽车在长期运行过程中需要耐受机械振动、温度变化、化学腐蚀、电流冲击、车辆碰撞等状况,以上状况有概率造成短路故障,车辆高压回路瞬间会产生超过10000A的短路电流,会严重毁坏车辆系统中的重要器件,严重时会造成车辆起火引发二次伤害。车辆回路中串联高压熔断器后,短路电流可使熔体发生熔化、气化产生断口,断口产生电弧,熔断器通过熄灭电弧切断故障电路,从而起到防止事故扩大的作用。

  800V高压架构对车用熔断器的耐压要求提升,或新增激励熔断器。高压快充平台主流架构为全域800V,对熔断器而言,随着回路系统内的电压提升,熔断器的额定电压和电流进一步提升,单车价值量预计提升5~10%。此外,高电压下绝缘性要求提升,对短路保护要求提升,需更快速的电流分断速度和更可靠的耐冲击能力,因此或新增使用激励熔断器。

  海外厂商进入中国市场时间较晚,而中国熔断器企业凭借国内新能源汽车市场迅猛发展而快速成长,预计2030年国内车车用熔断器市场空间将达40亿元。从全球市场来看,根据Paumanok的数据,全球熔断器市场基本由外资企业主导,市场占有率高达91%,国内企业仅中熔电气和好利科技进入出货量前10,且市场占有率较低。从国内车用高压熔断器市场看,根据中国电动汽车百人会2019年研究报告《关注电动汽车安全,聚焦关键部件与系统》,国内企业中熔电气占据绝对龙头地位,占比为55%(调研口径为销量角度),外资企业(如巴斯曼和美尔森)因进入中国市场较晚,市占率较低(分别为30%和10%)。随着新能源汽车行业的快速发展,车用电力熔断器的需求呈现快速增长,假设普通车型熔断器价值量为130元,800V车型熔断器单价145元,我们测算2023年国内车用熔断器市场约20亿元。远期看,我们预计2030年国内车用熔断器市场空间将达到50亿元,国内厂商份额有望进一步提升。

  2.4高压直流继电器:性能要求提升,附加值增加

  高压直流继电器是新能源汽车的核心元器件,可实现新能源汽车安全要求,且能适应新能源汽车严苛工况。从数量上看,通常一辆两驱新能源汽车需要配备至少5个高压直流继电器,包括2个主继电器、1个预充继电器和2个快充继电器。从结构上看,高压直流继电器主要由线圈、衔铁、触点、灭弧室、弹簧、外壳等部件组成,其中灭弧室内采用真空、氢气或其他混合气体作为绝缘介质。从功能上看,高压直流继电器是一种自动控制的开关元件,在VCU(整车控制器)或BMS(电池管理系统)输入信号下,驱动系统产生电磁力,使动/静触点接通或分离、负载电路接通或断开,整个过程与使用者保持物理隔离。利用高压直流继电器非接触的开关特性,可实现紧急状态下切断高压回路、在上/下电过程对负载电路实施通断控制,是新能源汽车满足国标安全法规的要求。

  高压直流继电器共有3类玩家参与竞争,国内自主继电器企业优势显著,呈现一超多强的竞争格局。目前车用高压直流继电器厂商可大致划分为三类:外资继电器专业制造商。以TE、松下、Gigavac为代表企业,此类厂商技术实力雄厚,较早布局高压直流继电器业务,其中TE(收购Kilovac)和Gigavac原业务包含高压直流继电器、相关产品最初在军工、航天、电力等领域配套;松下原业务聚焦传统通用继电器,而后将业务拓展至高压领域。国内自主继电器专业制造商。以宏发股份、上海西埃和昆山国力为代表企业,此类企业布局高压直流继电器较晚。其中上海西埃和昆山国力主营业务聚焦在高压直流继电器,而宏发股份从传统通用继电器业务切入高压领域。垂直一体化整合的主机厂。以新能源汽车龙头比亚迪为代表企业,其高压直流继电器产品基本自供,并逐步开拓外部市场。受益于国内新能源车自主品牌和充电桩的先发优势,高压直流继电器国内市场由自主企业主导,占据75%的份额,单宏发股份一家市占率达40%,比亚迪和上海西埃市占率分别为25%和10%,国内市场基本呈现一超多强的竞争格局。

  图37:2022年全球车用高压直流继电器竞争格局

  图38:2019年中国高压直流继电器竞争格局

  新能源汽车高压化发展将带动高压直流继电器量价齐升。从量的角度看,采用800V高压平台的保时捷Taycan中采用了7个高压直流继电器(包括3个主继电器、1个预充继电器和3个高压负载继电器),比传统的400V车型多配备1~2个继电器。从价的角度看,考虑到800V高压平台电压和电流更大、电弧更严重,对高压直流继电器的绝缘、灭弧能力、散热使用寿命等性能提出更高要求,现有适配400V平台的继电器需要在触点材料、灭弧技术、散热技术及腔体布局等方面做改进,预计适配800V平台的继电器单价有望提升。根据宏发股份2021年披露的数据,新能源乘用车高压直流继电器价值量约为80元/只,我们测算2025/2028年全球高压直流继电器市场规模为117/163亿元,2023~2028年CAGR为14%。

  2.5高压连接器:欧美日具备先发优势,国产替代潜力大

  高压连接器主要由接触件、绝缘体、塑壳和附件四个部分构成。接触件包括公母端子、簧片等,是完成高压电气连接的核心零件;绝缘体主要是指内塑壳,用于支撑接触件和保证接触件之间的绝缘;塑壳主要用于保护整个连接器;附件可分为结构附件和安装附件两种,具体有定位销、导向销、连接环、密封圈、转动杠和锁止结构等。高压连接器主要应用于新能源汽车高压回路中,与高压线束共同配合完成各高压零部件之间的能量传输。

  图41:2020年全球汽车连接器市场格局

  图42:2020年中国车载高压连接器竞争格

  车用连接器市场集中度较高,欧、美、日连接器巨头具备先发优势,国产替代趋势明显。全球车用连接器市场主要被欧洲、美国和日本的老牌连接器公司占据。一方面,欧美日是传统汽车强国,国际巨头先于国内厂商介入车用连接器领域并主导了行业标准的制定;另一方面,汽车零部件安全性要求高,认证周期长,海外巨头产品系列储备完善,多年的技术积淀构筑了较深的护城河。据华经产业研究院数据,全球车用连接器市场中泰科、矢崎和安波福分别占据1-3位。中航光电、瑞可达和永贵电器等自主连接器厂商都推出了集成化的高压连接器产品,目前新能源商用车连接器的国产化率已经接近100%,新能源乘用车领域也已接近30~40%。

  新能源汽车高压架构由400V向800V切换时,高压连接器需要重新选型,其数量和单车价值量将得以提升。从性能要求来看,800V高压平台需要高压连接器的绝缘性能更好,接触件的导电率更高。从配置数量看,400V架构下高压连接器的配置数量一般为15~20个,而800V架构需要配置大功率快充口,同时新增的400-800V的DC/DC部件也需要配备高压连接器,由此我们估算800V车型所需高压连接器数量将会增加至20~25个。从单车价值量看,由于高压连接器性能要求提升和配置数量增多,高压连接器的单车价值量将由2300元小幅上升至2800元。我们测算2023年中国车用高压连接器市场约177亿元,预计2025年将增长至275亿元。

  电池:关注快充趋势下受益的材料和热管理企业

  为顺应高压快充趋势,各大电池企业加速布局高倍率电芯。其中巨湾技研可将电池充电倍率提高至6C,实现5分钟充电30~80%的极速快充。未来随着车端、电池端共同发力,800V快充车型未来渗透率提升速度有望加快。

  表3:各大动力电池企业持续发力快充电池

  3.1电池材料:改性负极和电解盐为主要受益环节

  快充的根本是提升电芯的充电倍率。一般将电池的充电倍率用xC来表示,xC表示将电池完全充满理论上需要1/x小时,倍率值越大充满电的时间越短,举例来说若电池一直以2C充电,理论上0.5小时就可以将电池充满。不论整车采取大电流快充还是高电压快充,归根结底是要提升电芯的充电倍率。从锂电池的工作原理看,电池充电过程的本质是锂离子从正极往负极迁移的过程,锂离子迁移的速度越快,电子传输的路径越短,则电池的充电速度越快。

  图43:宁德时代神行电池超高导电解液配方

  图44:宁德时代神行电池石墨负极表面修饰技术

  LiFSI可作为添加剂或主盐提高电解液的导锂能力,预计集中度持续向头部集中。锂离子从正极迁移到负极需要经过中间的电解液,因此电解液的导锂能力是影响电池充电速度的因素之一。根据《锂离子电池快充石墨负极研究与应用》,在以酯类有机物为溶剂的电解液体系中,含LiFSI(双氟磺酰亚胺锂)的电解液具有比其他锂盐电解液更高的导锂能力,并且在高温环境下仍能保持良好的电池性能。目前LiFSI仅作为电解液添加剂(占比0.5%以下)与LiPF6混合使用,未来有望提升添加比例(占比1~15%)甚至取代LiPF6,实现电解质锂盐环节的技术更迭。LiFSI电解盐领域玩家主要有两类:一类是专注于一体化的电解液公司,如天赐材料和新宙邦,另一类是专注于LiFSI电解盐的新创公司,如时代思康、如鲲新材和康鹏科技。根据鑫椤锂电数据,2023年全球LiFSI产量12700吨,一体化电解液龙头以55%的市占率居首,新创公司时代思康和如鲲新材以16%和12%的市占率分列第二和第三位。

  图45:2023年全球LiFSI竞争格局

  图46:2023年中国锂电负极竞争格局

  负极材料影响锂离子的嵌入和扩散,成为快充的主要决定因素。电解液中的锂离子需要保证快速嵌入负极材料以及在负极材料内部快速扩散才能提升电池的倍率性能,目前材料厂主要在现有的石墨负极材料体系上进行二次造粒、包覆、掺硅等方式来提升负极材料的倍率性能,其中包覆技术和二次造粒相对成熟:包覆可改善锂离子在石墨表面的脱嵌速度。包覆碳化是以石墨负极作为“核芯”,在其表面包覆一层均匀的无定形碳材料,无定形碳材料的层间距大于石墨,可改善锂离子在其中的扩散,从而提高石墨材料的大电流充放电能力。二次造粒主要影响石墨颗粒的大小,从而影响倍率性能。小颗粒石油焦、针状焦通过二次造粒得到较大粒度产品,与同粒径产品相比,能够有效提高材料的保液性能和降低材料的膨胀系数,提高倍率性能。

  3.2电池管理系统:AFE芯片数量增加,国内企业暂时落后

  电池管理系统(BMS)是动力电池的大脑,优秀的BMS可以保护电池并延长电池寿命。电池管理系统一般分为三部分:电池管理单元(BMU)主要做出保护决策并与整车通信;电芯监控单元(CMU)主要测量电芯的电压和温度,以及平衡电芯间的差异,并于BMU通信测量数据。电池接线盒(B)负责电流和绝缘测量、接触器的监测与控制等。BMS可持续监控每个电芯的电压、温度以及电流状态,如果任何一项超过安全阈值,BMS会发出信号调整系统至安全状态。

  图47:电池管理系统的电气保护功能

  图48:电池管理系统的热保护功能

  AFE(模拟前端)芯片主要负责检测和采集每个电芯串联节点的电压,平台电压由400V提升至800V后AFE芯片的数量将翻倍。AFE芯片位于电池监控单元(CMU)内,其主流参数为检测通道的数量。一个电池包通常由多个电芯串、并联组成,其中总电压与单体电芯电压决定了串联的节点数量(而并联的电芯主要是为了在电压不变的情况下扩大电池容量)。举例来看,400V架构车型的电池组一般使用96个串联节点,因此需要6个16串AFE芯片或8个12串AFE芯片;当电压升至800V,串联节点数量变为192个,则所需AFE芯片数量也将翻倍。

  AFE芯片主要由海外厂商垄断,国内企业的同类产品仍在开发之中。AFE芯片的主要供应商有ADI、TI、ST、松下、NXP和瑞萨。其中ADI的产品线主要来自收购的Linear Technology和美信,瑞萨的产品主要来自收购来的Intersil。车规级AFE产品的供应商主要为国外企业,ADI和TI占据了绝大多数市场份额,国内企业如中颖电子的车规级AFE芯片仍在开发之中。

  3.3电池热管理:电芯散热需求提升,国内厂商占据主导

  快充过程电芯的大量产热需要通过PACK层面的冷却系统进行散热以保障快充过程的安全稳定。常见的电池热管理系统的冷却方式主要分为以下3类:风冷:以低温空气为冷却介质,利用自然风或风扇对电芯进行散热。风冷方式结构简单,成本较低,但换热效率低,温度均匀性较差,因此主要应用于早期的电动乘用车和A00车型。冷板:在电芯底部或侧面放置冷却板,通过冷却板中的液体或冷媒流动带走电芯热量。冷板方式冷却速度较快,换热系数较高,但结构复杂,成本较高,目前自主、合资以及特斯拉等品牌的大部分车型均采用液冷方案。浸没液冷:将电池浸没在冷却液中进行冷却,需避免短路,对系统的绝缘性要求较高,目前处于研究阶段,暂无量产车型使用该方案。

  在高倍率快充过程中,电芯短时间大量产热,对散热的要求更高。目前主流的间接液冷采用单面水冷板,这一形式往往难以满足短时间大量散热的要求,造成电芯上下温差大,局部温度高等问题。

  图49:4C倍率下电池系统最高温度对比

  图50:4C倍率下电池包最大温差对比

  充电桩:液冷大功率高压快充基础设施先行

  4.1充电模块:800V驱动单模块高功率化

  充电模块是充电桩中核心的零部件,其主要作用是将外部的三相交流电转换为适合动力电池充电的直流电,并控制充电过程以保证车辆电池的安全和有效充电。据观研报告的数据,2022年充电模块在直流桩的成本占比高达42%,其中功率器件、磁性元件(变压器和电感)、被动元件(电阻和电容)和芯片(如DSP何运算放大器)是充电模块的关键元器件。

  图55:2022年直流充电桩成本构成

  图56:2022年充电模块成本构成

  800V驱动充电模块功率升级,平均单瓦成本持续下降。与交流充电桩不同,直流充电桩由多个充电模块组合而成,以120kW的直流快充桩为例,一般需要6个20kW或者4个30kW的充电模块进行组合。当前国内充电模块市场以20kW为主,占比约为60%,其余大部分为30kW模块,而随着充电桩功率的进一步提升,若采用20kW模块,单桩的体积将成倍增加,因此单模块的功率升级是充电模块最主要的发展方向。单模块的功率升级并不是单纯堆叠元器件实现,而是需要通过合理的电路拓扑和元器件选型以实现原有尺寸下的功率升级,进而实现功率密度的提升和成本下降。以优优绿能为例,2022年15/20/30/40kW模块产品平均单瓦成本为0.12/0.10/0.09/0.07元/W。

  图57:同尺寸升功率是充电模块的发展趋势

  图58:2021年中国充电模块市场格局

  充电模块技术和研发壁垒较高,头部厂商优势明显。目前国内具备充电模块生产能力的企业大致分为两类:一类是以充电桩生产和运营为主的企业,主要用于自产自用,如特锐德;另一类是以供应给充电桩生产企业为主的模块供应商,目前是行业主流,如英飞源、华为数字能源、通合科技等。由于充电模块环节技术和研发壁垒较高,行业CR5格局基本稳定,其中英飞源市占率从2017年的11%提升至2021年的31%,稳居行业第一。

  4.2充电桩热管理:传统风冷向液冷升级

  高压快充驱动充电桩热管理由风冷向液冷升级。400kW及以上大功率充电时,峰值电流可能达到600A,充电设备在短时间内迅速产热,严重时可导致热安全事故发生。而传统直流快充桩所采用的风冷式热管理已经无法满足大功率充电的散热需求,因此液冷将会成为高功率充电桩热管理的主流方案。液冷式热管理相较于风冷具备以下优势:一是液冷可靠性高。传统风冷模块需要空气进入模块内部,会导致空气携带的灰尘、盐雾和水汽吸附在内部器件表面,导致充电桩使用寿命减少;而液冷可以实现充电模块的全封闭设计,内部元件与外界环境可完全隔离。二是液冷噪音小。传统风冷模块内置多个高转速小风扇,充电桩主体也需要散热风扇,满负荷运行时噪声问题严重;液冷式模块依靠液体循环将充电模块内部热量转移到散热器上,可通过低转速大风扇散发热量,噪音远小于风冷模块。

  图59:超充液冷充电枪线的结构

  图60:液冷确保充电枪线温度不超极限温度

  此外,高压快充也将催生液冷充电枪线的需求。充电电流增大后接触端子和充电线缆的发热量会急剧增加,导致温度迅速升高,充电设备的电子元件在高温下容易受损,严重时还可能引起安全事故。充电枪线的发热量与电流的平方成正比,充电电流越大,线缆的发热量也就越大,传统的充电枪线通过增大导线的截面积来降低线缆的发热量。目前250A的国标充电枪线一般采用80mm2的线缆,整体质量偏重且不容易弯曲。而液冷充电枪线通过在充电枪、线缆和充电主机回路上增加了冷却管道,通过动力泵推动冷却介质循环把热量带出,从而防止大电流导致的充电枪线过热。通过采用液冷充电枪线,可以在电流更大电流下实现轻量化,用35mm2的充电枪线便可支持500A大电流通过,比相同过流能力的传统充电枪线减重30~40%,带来更好的用户体验。

  业务建议和风险提示

  5.1行业周期

  一般通过渗透率来划分产业的成熟度,将整个产业发展周期分为行业早期、行业成长期和行业成熟期,据中汽协的数据,2023年12月新能源汽车月度渗透率(新能源汽车销量/汽车总销量)达到37.7%,目前已处于行业成长期的中段,新能源汽车销量由高速增长转变为中高速增长。

  图64:国内新能源乘用车具有较长成长发展期

  (1)行业早期,渗透率低于10%。在2020H1之前,新能源汽车处于行业早期,行业发展依赖高补贴和强政策,属于政策驱动阶段。从需求端来看,主要以公交、出租和网约车电动化的B端需求为主;从供给端来看,车型供给较少,单车价格较高,主要以“油改电”车型为主。

  (2)行业成长期,渗透率从10%提升到65%左右。在2020H1之后,新能源汽车发展的驱动力由政策主导转向市场主导。从需求端来看,C端需求逐步释放并占据主导,新能源汽车开始走进千家万户;从供给端来看,车型供给空前丰富,各家车企纷纷推出纯电平台,单车价格逐步下探,自主新能源车与同级别合资燃油车实现平价。

  (3)行业成熟期,渗透率在65%以上。预计新能源汽车渗透率达到65%左右,销量增速会降至个位数,我们预计2025年新能源汽车单月渗透率或将接近60%。

  图65:800V高压快充车型的起售价从100+万元下探至20万元左右

  我们认为随着供应链趋于成熟,800V车型价格趋近“甜蜜点”,有望助力800V高压行业突破拐点进入行业成长期。从价格来看,2019年保时捷推出全球首款800V车型,定价约120万元;进入2023年,随着新能源汽车技术及供应链的成熟,高压800V车型价格进入20万元主流价位区间。据汽车之家数据,2023款小鹏G6起售价为19.99万元。从供给端来看,超充车型正由高端向中低端快速渗透,800V车型数量将快速提升。据换电研究院数据,2023年广州车展中近35家车企共推出了50余款支持800V高压平台的车型。从渗透率来看,800V车型渗透率正不断逼近行业拐点。据Marklines数据,2023年中国800V(统计范围电池电压大于570V)平台车型销量为34.8万辆,在纯电动车中的渗透率达到5.2%,我们预计2024年中国800V高压平台车型销量将达到70万辆,在纯电动车型中的渗透率为9.7%。

  5.2业务建议

  800V高压平台是一个系统工程,车端、桩端和电池端的零部件在800V渗透率提升过程中将充分受益。我们预计未来随着供应链逐步成熟,将有更多车型进入20万元以内的主流价位,800V车型渗透率提升进程有望加快。而800V高压平台是一个系统工程,需要整车端、充电桩和电池端的零部件共同升级以满足800V的要求。

  5.3风险提示

  (1)新能源汽车销量不及预期的风险。新能源汽车发展受到宏观经济、国家政策、原材料价格、能源价格等多重因素影响,800V高压快充平台的发展与新能源汽车销量直接挂钩,若新能源汽车销量不及预期,将直接影响高压快充车型的需求。

  (2)800V平台量产不及预期。800V高压平台需要整车架构和零部件协同升级,同时带来整车成本的上升,如果车企技术积累不足或是成本压力较大,则可能放缓800V高压车型量产。

  (3)技术更新迭代的风险。新能源汽车高效补能主要有快充和换电两种方案,如果换电方案规模化落地速度与成本下降幅度超预期,则可能更多车企转向换电方案,导致800V高压平台的开发动力不足。

  (4)行业竞争加剧的风险。800V高压平台带来产业链升级,一般情况下,零部件单车价值量上升,零部件企业在前期有望享受溢价,但若行业竞争加剧,参与竞争的企业数量增多,整车厂要求年降幅度提升,则可能使得相关零部件企业经营业绩受到影响。