2021年汽车超级快充产业研究报告

2021年汽车超级快充产业研究报告高电压平台优势明显，行业趋势确立核心观点：“充电慢”是目前新能源车行业的核心痛点，高电压平台和超充桩是实现大功率快充的主要方案。近年来，海内外车企和科技巨头纷纷发布高电压平台量产车型和解决方案，行业趋势逐步确立。高电压平台优势突出，不仅能显著提升充电效率，还有助于提升汽件有望于2021年年底基本实现量产；从充电桩看，大功率快充产品已成型，国家电网新招标的大功率充电桩占比大幅提升，1年第1次招标中的W充电桩占比接近望于2021900kW高电压平台趋势确立，国内外OEM跑步入场“充电慢”是新能源车行业的核心痛点，高电压平台和超充桩是实现大功率快充的主要方案。以2020年热销的部分纯电动车型为例其直流快充的理论平均充电倍率约为 1C（即 1小时 可充满C，完成 C需n，C续航里程约为227kmModel3搭配其自建超充桩可实现充电15min行驶279km，理论充电倍率约为1.85C，为行业较高水平。而在满足国标EV峰值充电功率可达，完成30%-80%SOC仍需25min整车厂看好的主要方案。2021-2022年，行业主流企业如华为、比2C。届时，“充电焦虑”有望得到显著缓解。近年来，海外整车厂纷纷推出高电压平台车型。2019年，保时捷率先量产800V高电压平台电动车Taycan，目前最大充电功率可达270kW，可在22.5min内完成5%-80%SOC，后续版本最高充电功率有望达E-GMP400V/800V超高压充电系统，可在18min内完成0%-80%SOC，可实现充电5min续航年，搭载的奥迪自研PPE平台的A6e-tronConcept800V高压电气系统，理想状况下充电10min续航300km。2021年推出业内首个AI闪充全栈动力域高压解决方案，计划在2021年落地750V的闪充方案，实现于2021年发布的e平台3.0搭载800V闪充技术，充电5min续航150km；2021年，吉利发布量产车型极氪001，基于SEA浩瀚架构打造，支持800V超级快充，可实现充电5min续航120km。缓解“充电焦虑”，提高效率，高电压平台优势明显提升充电效率，高电压平台势在必行2020车型的额定电压均小于的输入电压越高，即可实现更高的直流充电功率，大大缩短充电时长。假设一辆排气量2.0的燃油车百公里油耗10L左右，加满油仅需3-5min，可续航500km；而根据华为FC3闪充解决方案，年充电电压可提升至1000V，充电功率达到600kW，5min即可充电50kWh，可实现续航约500km油和充电用时明显接近。高电压平台有利于提升动力性能和续航里程Taycan为例，家用电动车的电机峰值功率一般为100-150kW，而保时捷TaycanTurboS整车电机输出功率为560kW，电压平台为400V的电池组放电倍率通常在2CTaycan驱动系统的功率需求，而Taycan电池组的放电倍率则能达到6C。PPE800V高电压平台为例，与E-tron400V电压平台相比，该平台电机系统能耗损失降低50%，对续航里程的贡献增加10SiC器件替代原有的i基TCGMP平台采用了800VSiC模块，整车续航能力提升约5%。降低线束成本，实现轻量化新能源汽车的高压线束须承受较大电流，因此需要截面积较大的高压线束，但截面积大的高压线束刚度强，难以弯曲，不仅在车内难以布局，而且可能在碰撞后刺入驾驶舱，增加安全风险；此外，截面积越大的高压线束成本越高。相同电压水平下，截面积6mm2的成本约为2.5mm2的1.5倍。因此，在用电功率相同的前提下，电束成本的效果。高电压零部件供应链逐渐成熟，快充桩布局已就位高压架构零部件产业链逐步完善高压架构下，电池包、电驱动、PTC、空调、车载充电机等都需重新适配，对产业链上下游有重要影响。从全产业链角度看，主要高压零部件有望于2021年年底基本实现量产。从车端看，目前PTC和空调已实现量产，高压OBC、DC/DC、快充电池、高压BMS以及高压电驱动预计于2021年量产。具体来看，日立和马瑞利已为Taycan800V电压平台设计电驱动部件，800V将于2021年在中、欧两地批量生产800VSiC三合一电驱动系统；华为、德尔福及部分车企自研高压集成单元，已具备高冷却性能和高800V电动压缩机或PTC的能力；巴斯巴、永贵、中航光电、泰科等供应商也已具备量产800V线缆及端子的能力。从桩端看，高压零部件的成熟度比车端高，充电枪、线、直流接触器和熔丝等需重新选型，目前均有成熟产品。从充电模块看，优充电范围宽至1000V的充电模块，其中，华为推出HUAWEIHiCharger直流快充模块，可解决充电行业运营成本高、设备生命周期短的痛点。大功率快充产品已成型，大功率充电桩占比大幅提升国内充电桩企业已布局大功率快充产品特来电300kW一体式直流双枪充电单桩既可实现 300kW双枪快充，同时可以满足150kW群充充电需求，输出电压最高可达750V；星星充电自主研发的500kW大功率液冷充电系统可让车辆于10min内充满电，能有效提高电桩转换效率并显著降低电损目前已与保时捷产品完对口测验；万马爱充旗下产品智慧充电树 V1和V2充电功率在240kW-480kW，直流输出电压高达750V。2018年第一次招标中7kW60kW120kW和200kW分别占比25.85%39.73%26.33%和0.91%，而2021年第一次招标中没有80kW以下，80kW和160kW分别占比55.92%和39.51480kW占比达到V并提前研发V的充电模块。ChaoJi技术发布，为大功率快充时代到来奠定基础2020年6月国家电网有限公司与日本CHAdeMO协议会分别发布《电动汽车ChaoJi传导充电技术白皮书》和CHAdeMO3.0标准，标志着ChaoJi充电技术迈入标准制定与产业应用新阶段。ChaoJi充电技术是一套完整的电动汽车直流充电系统解决方案，针对国际上现有充电系统存在的问题，在充电安全、充电功率、结构设计、向前兼容性及未来应用等方面进 行了全面提升。兼容国内GB/T标准的版本有望于2021年发布在新标准下直流充电桩的最大电流有望达最高电压有望达到直流充电功率高可达900kW。龙头企业纷纷入场，超级快充时代到来核心观点：龙头企业纷纷入场高电压平台，华为推出首个AI闪充全栈动力域高压平台解决 方案，2021年落地的FC1闪充方案充电15min可实现30%-80%SOC；保时捷于2019年推出首款搭载800V电压平台的纯电动量产车；比亚迪发布 e平台3.0，搭载800V高压闪充技术；广汽发布超级快充电池技术，其中3C快充电池系统充电16min可完成0%-80%SOC，预计今年9月投产；吉利发布极氪001，搭载800V高电压平台；长城旗下蜂巢能源发布蜂速快充电池，其中第二代蜂速快充电池支持800V的高压电气架构，充电倍率达到4C。华为：推出首个AI闪充全栈动力域高压平台解决方案2021年4月，华为推出首个AI闪充全栈动力域高压平台解决方案，计划于2021年落地750V、200kW的FC1闪充方案，充电15min可实现30%-80%SOC；2023年落地1000V、400kW的FC27.5min可实现年落地1000V、600kW的FC3闪充方案，充电5min可实现30%-80%SOC。压四C效率提升，在相同电池容量下，续航里程提升%。目前，搭载该款AI闪充高压解决方案的北汽极狐阿尔法SHI版本有望于第四季度开始小批量交付。从成本上看，相较于普通充电，华为高压架构下的热管理、电动和电源以及线缆辅料的成 本均持平，只有电池系统的成本上升A++，AI+（BMS）AI云端系统技术，方案的BMS采用“一主两从”布臵方案。在硬件层面，华为通过BMIC采集芯片，提升BMU车端BMS和云端：理场的模型耦合，避免因多工况行驶引起的热积累对充电功率的影响。在高压架构和AI的加持下，充电速度可提升30%；采集车端数据，同时能借助AI算法能力实时分析数据，早于车端做保时捷：首款搭载800V电压平台的纯电动量产车2019年发布的保时捷Taycan是当前市面上首款搭载800V电压平台的纯电动量产车目前保时捷Taycan于国内上市的车型共有TaycanTaycanTaycanTaycanTurboS四个版本，价格在88.8-179.8万元不等，续航里程均在 400km以上。其搭载的800V电压平台能显著提升充电效率，目前充电功率最高可达到n可实现1年充电功率有望提升至350kW。在800V高压架构的加持下，TurboS零百加速达到2.8s，搭配起步控制超级增压的最大功率也达到560kW。此Taycan于2021年在海外上市了新车型Cross。和Taycan4S搭载标准版电池组，由28（336个电芯79.2kWh；TaycanTurbo和TaycanTurboS则搭载双层大容量电池组，该电池组由33个电池模组组成，每个模组内有12容量达到93.4kWh电池框架和8n采用水冷散热系统，其硬件部分包括3个冷却液泵、6个冷却液阀、2个风扇和10个冷却液温度传感器，Taycan还可通过空调为水冷系统降温，实现热管理系统的嵌套式保障。比亚迪：e平台3.0具备800V高压闪充技术比亚迪已提前在高电压领域布局。2019年，比亚迪发布唐EV600，采用三元锂电池，容量为82.8kWh，电池额定电压达到613.2V，使用80kW快充桩充电时，30min可实现30%-80%SOC；2020年，比亚迪汉EV正式发布，搭载容量为76.9kWh的刀片电池电池电压约为实现30%-80%SOC需要首次搭载高性能SiCMOSFET电机控制模块助力其零百加速达到3.9s2021年4月比亚迪发布e平台0该平台具备V高压闪充技术，可实现充电 5min续航150km。同时，e平台3.0搭载全新一代SiC电控系统，功率密度提升30%，最高效率达99.7%，零百加速提升至2.9s。广汽集团：搭载3C快充电池车型将于年内量产2021年4BMS广汽发布的超级快充电池技术，是通过在电池材料加入石墨烯添加剂，从而大幅提升充电效率和散热性能。具体来看，广汽研发团队通过三维结构石墨烯（3DG）制备技术，提高电极材料的导电能力；通过涂覆陶瓷隔膜和新型高功率电解液，提高倍率性能和热稳定性，倍率充电测试目前已满足6C充电要求；此外，高效的散热设计保证电芯在安全的温度区间运行。广汽此次发布的快充电池共有两个版本：（1）3C快充电池系统：该电池续航超500km，完成0%-80%SOC需要16min，完成30%-80%SOC需要10min，采用双层液冷系统，兼容现有快充站，将首先应用在AIONV车型上，预计9月份投产；（2）6C超级快充电池系统：该电池最大电压达900V，最大充电电流>500A，完成0%-80%SOC仅需8min。吉利：正式发布极氪001，支持360kW超级快充2021年吉利正式发布基于浩瀚SEA架构的极氪该车型共有超长续航单电机WE版、长续航双电机WE版和超长续航双电机YOU版三个版本，价格在28.1-36万之间，长续航版和超长续航版的电池包容量分别为 86和100kWh，续航里程最高可达零百加速可达3.8s搭载800V高电压平台的极氪001可实现充电5min续航120km，且支持最高360kW超级快充。此外，极氪还布局充电站和充电桩的建设。2021年，极氪有望建成290座充电站和2800个充电桩。2023年底，极氪充电站累计建设数量有望达到 2200座，充电桩累计建设数量将 达到20000个。极氪充电地图不仅囊括自建桩，还将接入第三方公共充电网络未来随着充电版图的扩张，极氪将实现用户在途和在家的补能全场景覆盖。快充电池将于2023年量产蜂巢能源推出全新快充技术和对应电芯2021年4月长城旗下的蜂巢能源携旗下全系列电池产品亮相并推出全新的快充技术和对应电芯。其中，第一代2.2C蜂速快充电池的电芯容量为能量密度250Wh/kg，充电16min可实现20-80%SOC，2021Q4有望量产；第二代 4C快充电池充电10min可实现电池功电池容量能量密度快充循环>1500次有望于2023Q2量产该产品装车电池电量可超过可满足+的四驱高功率放电，支持350kW以上的充电桩和800V的高压电气架构性能车。快充电池正极方面采用三项技术：导，降低阻抗10％以上；20％，产气降低>30％；镍材料体积变化大的柔性包覆材料，抑制循环颗粒粉化，产气降低>20％。电池负极应用了四项先进技术：型的原材料进行组合，使其极片OI值由12降低为7，动力学性能得到提升；性能提升5-10%；降低阻抗，提升锂离子的通道，使其阻抗降低20%；得满电膨胀率降低3-5%。电解液方面，通过采用含硫添加剂/锂盐添加剂等低阻抗添加剂体系，降低正负极界面成膜阻抗，同时较高的锂盐浓度，保证了电解液较高的电导率；隔膜方面，采用高孔隙陶瓷膜，提升隔膜导离子能力同时可兼顾耐热性，达到快充及安全的平衡；极片方面，极片制备上通过采用多层涂覆工艺，实现高能和快充两大优点；结构件方面，为了在满足600A大电流过流能力的条件下，尽可能地减轻电池重量。蜂巢通过使用COMSOL软件仿真了结构件的过流能力和温度分布，优化设计后快充过程中结构件的温度小于60℃。高压系统架构变革，功率器件迎来新机遇20232023年后，随着高压部件成本下降，全系高压架构将成为未来主流。此外，当前超级充电桩尚未普及，高电压平台车型须额外配臵升压器将400VDC转换为800VDC充入800V电池组。随着电压平台的提升，电SiC功率器件凭借其耐高温、耐高压以及高频率的性能优势，将被广泛应用于OBCDC/DC和电机控制器等高压部件中。我们预计2025年国内新能源汽车SiC功率器件的市场规模有望达到60亿元。将成主流三类高压系统架构可实现大功率快充EnablingFastTechnologyGap电池包、电机以及充电接口均达到 1000V，车中只有1000V和12V两种电压级别的器件空调压缩机DC/DC以及PTC均重新适配以满足1000V高电压平台。该架构不仅对电池系统安全要求很高，而且需要车上主要高压部件的功率器件全部由Si基IGBT替换成SiCMOSFET，短期成本较高；采用两个500V1000V平台；在汽车500V平台，以适应500V的高压部件，该方案的优势在于不需要OBCDC/DC以及PTC等部件在短时间内重新适配，成本相对较低。但由于两个电池组可能有不同的阻抗和温度条件，从而导致充电状态不平衡，因此该架构需要较为复杂的电池管理系统和电子技术将电池组在串联、并联之间转换；整车搭载一个1000V电池组，在电池组和其他高压部件之间增加一个额外的DC/DC将1000V电压降至400V，车上其他高压部件均采用400V电压平台。保时捷Taycan搭载四个电压平台保时捷Taycan搭载了800V400V、48V12V共四个电压平台，并且配备多个DC/DC转换器将800V电压转换成其余电压，以及在前翼（驾驶侧和一个交流慢充接口（副驾驶侧，交流慢充接口通过车载充电机将交流电转换至800V直流电充入动力电池。Taycan的四个电压平台各有用途：Taycan通过800V电压平台实现了最高270kW的充电功率，同时也实现了最高配TurboS560kW放电倍率达到6C；400V捷提供800V的电空调压缩机，只能配备DC/DC将800VDC降至400VDC以供空调压缩机使用；48V电压平台是专门为PDCC动态底盘控制而设计，为使得车辆底盘操控可变而设计的一整套包括可调阻尼、空气弹簧、主动稳定杆在内的系统；12V零件，为此配备磷酸铁锂电池。保时捷Taycan的高压架构对于当前高电压平台车型具有借鉴800V2023年前大部分主机厂将采用上述第二类架构；2023年后，随着高压部件成本下降，第一类架构将成为未来主流。800V电压平台须配备升压转换器在400V电压平台上交流电依据电池管理系提供的数据，经车载充电机转化为可供动力电池使用的直流电对新能源汽车的动力电池进行充电直流电则通过直流充电口直接向电池组充电。而在 800V电压平台上，为兼容现有的400V直流快充桩，电动汽车须额外配备升压转换器将400V直流电升压至800V充入动力电池当800V充电桩大规模普及该升压转换器将被取消。从保时捷Taycan来看，800VDC经过PDU（高压配电盒）直接充入动力电池组，充电功率为DC充电电源需通过（Booster（On-boardDC转换为800VDC；而240VAC则通过交流充电机AC转换为动力电池可以使用的直流电，对汽车动力电池进行慢速充电，充电功率可达11kW从现代E-GMP要单独安装一个内臵升压器的车载充电机将400VDC转换为800VDC20kgE-GMP平台的多重充电系统（Multi-ChargingSystem）则先经过特殊的整合式电动马达/将400VDC升压为800V功率器件：SiC优势明显，高电压平台不可或缺比重大功率半导体具有改变电压和频率、直流交流转换等的作用为功率分立器件和功率极管、半控制器件晶闸管和全控制器件IGBT/MOSFET/BJT。以IGBT和MOSFET为主的全控制器件是带有控制端的三端器IGBT和MOSFET的具体作用如下：MOSFET（金属氧化物半导体场效应管）及电池管理系统等功率变换模块领域均发挥重要作用。IGBT（绝缘栅双极晶体管）是由双极型三极管BJT和MOSFETIGBT不仅具有上述MOSFET的特点，还具有BJT稳定性稍弱于MOSFET，但具有更高的耐压性，在高IGBT的开关特性可以实现DC和AC之间的转化或者改变电流的频率，有逆变和变频的作用。功率器件在新能源车中用途广泛，新能源车单车成本约为 265美元在新能源汽车高压部件中IGBT等功率器件主要应用于电机驱动OBCDC/DC变换、电空调驱动等，其中用量最大的是电机驱动据CASA平均一辆传统燃油车使用的半导体器件价值为355美元，而新能源汽车使用的半导体器件价值为695美元增加近一倍其中功率器件增加最为显著由17美元增加至265美元，增加近15倍。SiC材料优势明显，器件性能显著优于Si器件SiC器件具备高频、耐高温、耐高压的性能优势动。因此，在450V直流母线电压下，模块承受的最大电压应在650V左右，若直流母线电压提升到800V以上，对应的功率器件耐压水平则需提高至1200VSi基IGBT在800V高电压平台上存在着损耗高、效率低的缺点。SiC功率器件不仅在耐压和损耗水平上都能满足800V电压平台的需求，还具备进一步拓展至1200V电压平台的潜力，SiCMOSFET基器件，SiC功率器件主要有三大优势：C功率器件的工作温度理论上可达以上，是同等Si基器件的4倍，耐压能力是同等Si基器件的10倍，可承受更加极端的工作环境；器件体积可减小至IGBT整机的1/3-1/5，重量可减小至40-60%；器件的工作频率可达Si基器件的10倍，且效率不随工作频率的升高而降低，可降低近50%的能量损耗，同时因频率的提升减少了电感、变压器等外围组件体积，从而降低了组成系统后的体积及其他组件成本。具体从新能源汽车上看，SiC功率器件凭借其优势在电机驱动、OBC、充电桩和DC/DC中发挥着重要的作用：OBC和充电桩：Si基器件相比，SiC器件更适于此类工作环境；功率器件可缩小电路的尺寸，降低重量，减的重量和体积。2025年中国新能源汽车SiC器件市场规模有望达60亿元零部件及整车企业纷纷布局SiC器件2018年，特斯拉Model3成为全球首个将SiCMOSFET器件应用于主驱动逆变器的车型；2019年，华为旗下哈勃投资入股第三代半导体材料碳化硅制造商山东天岳；2020年，意法半导体推出从SiC功率器件到逆变器系统的完整解决方案年比亚迪汉EV搭载其自主研发制造的SiC使其零百加速达3.9s2021年4月比亚迪e平台3.0将搭载全新一代SiC电控系统功率密度提升30%，最高效率99.7%。据比亚迪官网，预计到2023年，比亚迪将在旗下的电动车中，实现 SiC基车用功率半导体对硅基IGBT的全面替代。SiC价格逐年下降，性价比拐点有望于2022-2023年到来从SiC模块价格上看，据CASA年1200V的SiC器件为Si基器件的5-6价比拐点有望在2022-2023年到来；从高压部件成本上看，SiC可以提高SiC（Cree）预测，电动汽车上的SiC逆变器能通过增加5%-10%的续航节省0美元的电池成本（h电池，2美元，与新增200美元的SiC200美元的单车成本下降；从整车成本看，当SiC模块成本下降至当前Si-IGBT成本的2SiC器件的整车成本应不高于搭载Si-IGBT的整车成本。2025年国内新能源汽车SiC市场规模有望达60亿元基技术仍将在未来一段时间占主导地位，SiC汽车中SiC功率器件的市场规模将大幅增长。我们预计2021-2025年国内新能源汽车SiC功率器件市场空间约为7/13/19/33/60亿元，2022-2025年同比增速约为85.04%/52.14%/69.51%/81.67%。核心假设：国内高电压平台车型销量：2021年，国内量产的高电压平台车型包括极氪001、比亚迪汉EV、北汽极狐阿尔法SHi版等，我们预计全年销量有望达到7万辆。据工信部规划，2025年新能源汽车新车销量占总销量的20%左右，预计销量有望达500万辆，我们假设其中的300万辆将搭载800V以上高电压平台。2021-2025年，我们预计国内高电压平台车型销量约为7/31/73/148/300万辆，2022-2025年同比增速约为335.4%/137.7%/101.8%/102.3%。国内新能源汽车SiC年SiC功率器件单车价值量将下降至2000元左右。SiC碳化硅产业链包括衬底、外延、器件及应用以碳化硅材料为衬底的产业链主要包括碳化硅衬底材料的制备、外延层的生长、器件制造以及下游应用市场。具体从各环节来看：SiC2200℃以上的高温环境下把硅粉和碳粉混合、升华、分解成气相物质，再在籽晶上进行冷凝形成约3-4cm打磨、抛光，最终形成SiC单晶衬底；与传统硅功率器件制作工艺不同，碳化硅功率器件不能直接制作在器件和下游应用市场：功率器件又被称为电力电子器件，MOSFETIGBT等，主要应用于电动汽车、充电桩、光伏新能源、轨道交通和智能电网等领域。碳化硅行业内企业具有两类运营模式在碳化