隨著續航問題逐漸成為電動車發展的重心,縮短補能時間成為目前電動車升級的核心訴求之一。
快充技術是解決補能焦慮的核心。
在快充方案中,高壓充電以其低成本、輕量化、EMC干擾低等優點,成為現階段快充的主流路線。
直流快充充電時間相較交流慢充明顯縮短,將短途城市使用場景拓寬至長途旅行場景。
近幾年隨著全球新能源汽車加速滲透,多家企業布局超級快充技術,快充的峰值功率能達到350kW甚至480kW,超級快充時間有望能夠降低到30分鐘以下,未來或將進一步壓縮到15分鐘甚至十分鐘以下。
直流快充與交流慢充的區別
目前電動車主要有兩種充電方式,直流快充和交流慢充。
交流慢充對應在家或者小區停車場的充電場景,充電功率較小從幾千瓦到幾十千瓦不等,通常需要 8-10 小時充滿電,交流慢充直接使用電網的交流電,通過車載充電器OBC將交流電轉換成直流電供給電動車電池;直流快充則一般對應高速公路上/長途旅程中的充電補能場景,功率達到上百千瓦,僅需 1-2小時充滿電,直流充電樁內部通過整流器將電網的交流電轉換成直流電直接給車載電池充電。
直流快充本質是把大功率 AC/DC 轉移到快充充電樁。
交流慢充主要依靠家用交流充電樁充電,直接使用電網220V交流電,電動車通過車載充電器 OBC 內部的 AC/DC 轉換器將電網的交流電轉換為直流電供給動力電池,由于充電功率較低,車載OBC內置AC/DC轉換器功率一般較低,成本較低;直流充電樁與交流充電樁最大的區別是將 AC/DC 轉換器移置到充電樁中,將電網的交流電在其內部轉換成大功率的直流電提供給車載動力電池,需要大功率 AC/DC 轉換器,其體積和成本同時上升,邊際效益遞減。
高壓有望成為快充主流路線
高電壓模式相較高電流模式,具有高效充電區間更大、充電功率天花板較高、技術難度更低等優勢,有望成為現階段快充主流路線。
基于高電壓的快充能夠實現在更大區間SOC保持較高的充電功率;具備相同峰值充電功率的高電流模式,高效充電 SOC 區間較小,其他區間充電功率下降迅速。
特斯拉采取400V高電流路線,第四代快充電流將提升至900A左右,電路中大電流會產生很高的熱損失(根據發熱量公式 Q=I^2*R*t),包括連接器、電纜、電池的連接、母線排等電阻發熱 量呈平方級別增長,導致峰值充電功率雖然高,但平均功率不高,充電功率天花 板相對高壓路線更低。
高電壓和高電流路線是在某一時間段內相對的概念,本質兩種模式都是為了增大充電功率。
特斯拉發展 400V 快充較早,在早期也算高電壓路線,為了進一步提 高充電功率,采取保持電壓平臺不變增大電流的措施;800V 高壓平臺隨著車企不斷迭代技術,應用的電流越來越大。
相對 400V,800V 平臺可采用更小的電流達 到相同的峰值充電功率。
高電壓成為主流路線指現階段企業著重研發 400V平臺升級到 800V 平臺,而非一昧通過提升電流實現充電功率的提升。
800V高壓成為階段性行業標準,未來將演進到 1000V-1500V。
基于大功率充電研究方向,全球快充標準正向標準化交融演進。
超級充電標準 2021年發布,中日聯合正統一亞洲快充標準,最大充電功率從400kW(400A/1000V)和 250kW(250A/1000V)共同向 900kW(600A/1500V)演進,而歐美快充最大功率分別從 200kW(200A/1000V)、120kW(200A/600V)向 460kW(500A/920V)演進。
保時捷 2019 推出的 Taycan 車型首次搭載800V平臺,由于提升電壓等級涉及到全 車高壓部件性能和電氣系統安全性能升級,因此高電壓平臺向上演進、技術迭代 呈階段性發展模式。
2021 年華為稱將于 2025 年推出電壓平臺超 1000V/600kW 快充方案,5分鐘實現 30%-80%SOC 充電性能。
目前已量產基于完整 800V 架構車型代表為保時捷 Taycan 和現代起亞 Ioniq-5, 其他企業800V平臺多為 400V 電池串并聯過渡方案。
完整800V方案指單個動力 電池包輸入/輸出800V,而目前大多數企業采用兩個 400V 電池串并聯方式兼容 800V 和 400V(串聯 800V 并聯 400V),通過繼電器切換靈活輸出,以期快速布局 800V 平臺。
目前大多數充電樁仍然是 400V,800V 充電樁以及 800V 車載高壓部 件產業鏈短期內還不完善,因此企業需要考慮兩點:1.如何兼容 400V 充電樁和 800V 充電樁;2.如何兼容某些 400V 車載部件。
以下為兩種完整 800V 平臺架構 方案的解釋。
保時捷方案新增 DC/DC 轉換器過渡到 800V:Taycan部分高壓件采用800V架構,比如電驅系統、動力電池、高壓充電器、高壓輔助加熱等,通過新增DC/DC轉換器兼容 400V 直流樁方案。
Taycan 提供 3 種充電方式:交流慢充、 400V直流快充、800V直流快充。
現代起亞方案全面升級到 800V:Ioniq-5 所有部件均采用 800V 架構,包括其 交流壓縮機、PTC、充電機、外部大功率充電器等部件都是基于800V 系統,通過電驅動系統升壓兼容 400V 直流充電樁。
Ioniq-5 提供 3 種充電方式:交 流慢充、400V 直流快充、800V直流快充。
高壓平臺推動器件升級
800V快充方案下,由于電壓提升,車載端主要電氣部件都需要重新選型。
電動車的核心零部件分為大三電(電池、電機、電控)、小三電(OBC、PDU、 DC/DC 轉換器)和電動壓縮機。
電機電控主要廠商包括匯川技術、大洋電機、方正電機、精進電動、臥龍電驅、華鋒股份等。
在電驅動總成方面,匯川技術、臻驅科技、中車時代等都已推出了應用碳化硅的驅動集成產品,其中匯川技術的第四代動力總成已在小鵬800V高壓平臺車型中實現量產。
OBC+DC/DC主要廠商包括欣銳科技、京泉華和得潤電子等。
繼電器:為保障高負荷下汽車的安全性能,相關的器件比如數字隔離芯片、薄膜電容、連接器、熔斷器、繼電器等在數量和性能都有提升需求。
高電壓對觸電材料、滅弧技術要求提高,催生產品附加值提升。
整車廠對高壓直流繼電器產品驗證周期較長,不會輕易更換供應商,因此已經進入車企供應鏈的繼電器企業具有較大先發優勢。
高壓直流繼電器市場主要參與者為宏發、西門子、松下、泰科、Gigivac等老牌繼電器企業,2020年全球市場份額前三的企業分別為松下、宏發、Denso,其全球銷售額市占率分別為36%/23%/12%,合計達到71%,行業集中度較高。
國內主要廠商包括宏發股份和三友聯眾等。
2003年,宏發股份與德國海拉、美國AZ公司成立合資公司,同時引進汽車繼電器全自動生產線。
宏發較早布局自動化產線,自動化方面領先競爭對手。
熔斷器:高電壓要求在絕緣、耐壓等級上有所調整,價值量提升。
傳統行業熔斷器由于產品品類多、下游分散,不同型號產品較難自動化。
新能源汽車熔斷器由于數量多、且為圓管,較易實現自動化。
歐美日企業起步較早,且控制著行業標準的制定權及絕大多數專利技術,經過多年發展格局趨于穩定。
2019年,全球前三的熔斷器企業分別為Littlefuse、Bussmann、Mersen,占比分別為31%、24%、9%,CR3達到64%,格局較為集中。
2019年前七大熔斷器生產商占比92%,格局基本穩定。
中熔電氣在國內新能源汽車用電力熔斷器市場份額約40%,全球市場份額超過20%。
高壓連接器:高壓連接器一般用在新能源汽車動力系統中。
根據Bishop& Associates 統計,2020年全球汽車連接器廠商TOP10 以美、日企業為主。
泰科、矢崎、安波福三巨頭市占率達66.8%。
考慮新能源車、智能車滲透率較低,全球汽車連接器產品主要以低壓連接器為主。
而我國在低壓和高速連接器領域的國產化比例不到10%,在高壓連接器領域的國產化比例已達到約30%。
主要廠商包括瑞可達,永貴電器,徠木股份、中航光電、合光股份、電連技術等。
薄膜電容:高電壓需要更厚的材料,難度略有下降,但材料用量、體積增大。
目前主流車型薄膜電容單個200-300元,預計800V平臺價格提升20%。
全球范圍內薄膜電容的主要供應商有松下、尼吉康、TDK、基美、威世,以及國內的法拉電子。
日、美廠商經營范圍相對廣泛,薄膜電容器業務占公司收入比重少,國內目前為止國內產品集中在中低端市場,高端領域供應商主要集中在歐美日等地區。
薄膜電容器領域國內代表廠商包括法拉電子、江海股份和鷹峰電子等。
法拉電子專注于薄膜電容的生產銷售,薄膜電容占公司90%以上的收入。
鋁電容領導廠商江海股份長期受益于汽車電子行業的發展。
純電市場行業端來看,2022年成為800V高壓快充走向應用的元年。
2022年底到2023年是普通400V慢充轉向800V超高壓快充產業化落地的起點。
目前,小鵬、廣汽埃安、比亞迪、長城沙龍、吉利極氪、理想、北汽極狐、零跑等都已布局快充技術。
吉利、金康(華為)以及理想、蔚來等預計將于2023年推出對應技術路線車型。
隨著超級充電樁標準的落地,疊加配套高壓組件的技術進步,未來幾年高壓快充車型將加速推出帶動相關零部件的快速增長,同時技術門檻的提升也有助于市場份額向技術優勢企業集中。
借助高壓快充解決充電難題將成為行業趨勢,高壓系統技術升級帶來總量和競爭格局的雙重優化。