高壓快充技術(shù)發(fā)展及行業(yè)現(xiàn)狀分析

高壓快充即為快速充電，衡量單位可用充電倍率（C）表示。充電倍率越大，充電時(shí)間越短。依據(jù)公式，電池充電的倍率（C）=充電電流（mA）/電池額定容量（mAh）。例如，電池容量為4000mAh，充電電流達(dá)到了8000mAh，則充電倍率為8000/4000=2C。

高倍率充電并不是0%-100%的電量都通過(guò)大電流充入完成。合理的充電模式共分三個(gè)階段：

階段一：預(yù)充電狀態(tài)，起到對(duì)電芯的保護(hù)作用

階段二：大電流恒流充電，就是我們所說(shuō)的高倍率充電階段，這個(gè)過(guò)程的電量區(qū)間往往在20%-80%

階段三：恒壓充電，目的是限壓，防止電芯的電壓過(guò)高，破壞電池結(jié)構(gòu)

一、技術(shù)發(fā)展

目前市場(chǎng)有多種快充方案。充電時(shí)間由電壓和電流共同決定，對(duì)于充電樁而言：充電時(shí)間（h）=電池能量（kWh）/充電功率（kW）。因此，增大充電功率可以縮短充電時(shí)長(zhǎng)，而充電功率由電壓和電流共同決定：功率（kW）=電壓（V）*電流（A）。所以想要縮短充電時(shí)間，有兩種方法：大電流、高電壓。

大電流模式

目前推廣程度低，特斯拉是代表。大電流充電過(guò)程中產(chǎn)生的熱量大幅增加，對(duì)汽車的散熱系統(tǒng)有更高的要求，且能量損失嚴(yán)重、轉(zhuǎn)化效率低，且需要使用更粗的線束。此外，大電流模式僅在10%-20%SOC（荷電狀態(tài)，指電池剩余可用電量占總?cè)萘康陌俜直?，?a target="_blank">電池管理系統(tǒng)中最為重要狀態(tài)之一）進(jìn)行最大功率充電，其他區(qū)間充電功率也有明顯下降。

高電壓模式

是車廠普遍采用的模式，除減少能耗、提高續(xù)航里程外，還有減少重量、節(jié)省空間等優(yōu)點(diǎn)。高電壓系統(tǒng)下，電流變小使得整個(gè)系統(tǒng)的功率損耗減小，提高效率。若電流不變，汽車的電機(jī)驅(qū)動(dòng)效率則會(huì)提升，從而增加續(xù)航里程、降低電池成本。高電壓模式的優(yōu)點(diǎn)還包括降低高壓線束重量，同功率情況下，電壓等級(jí)的提高可減少高壓線束上的電流，使得線束變細(xì)，從而降低線束重量、節(jié)省安裝空間。

由于大電流快充方式的劣勢(shì)明顯，目前高電壓成為了快充主要趨勢(shì)。高電壓架構(gòu)主要分為三類，純800V高壓快充成為主流。

（1）純800V電壓平臺(tái)：電池包、電機(jī)以及充電接口均達(dá)到800V，車中只有800V和12V兩種電壓級(jí)別的器件，OBC、空調(diào)壓縮機(jī)、DCDC以及PTC均重新適配以滿足800V高電壓平臺(tái)。

純800V電壓平臺(tái)，優(yōu)勢(shì)在于電機(jī)電控迭代升級(jí)，能量轉(zhuǎn)換效率高；劣勢(shì)在于電驅(qū)的功率芯片需要用SiC全面替代IGBT，零部件成本高。

（2）雙400V電池組串并聯(lián)組合：利用電池管理系統(tǒng)將電池組在串聯(lián)、并聯(lián)之間轉(zhuǎn)換，在充電時(shí)，兩個(gè)電池組可串聯(lián)成800V平臺(tái)高電壓快充；在放電時(shí)，兩個(gè)電池組并聯(lián)成400V平臺(tái)供汽車運(yùn)行時(shí)使用，直接使用原有400V的高壓部件。

（3）純800V電壓平臺(tái)+額外DCDC：整車搭載一個(gè)800V電池組，在電池組和其他高壓部件之間增加一個(gè)額外的DCDC將800V電壓降至400V，車上其他高壓部件仍采用400V電壓平臺(tái)。

但是高壓快充的負(fù)面效應(yīng)需要材料和器件升級(jí)。國(guó)外研究報(bào)告顯示，當(dāng)電池進(jìn)行大功率充電時(shí)，會(huì)發(fā)生三類負(fù)面效應(yīng)：

（1）熱效應(yīng)：高電壓只是針對(duì)充電樁減小了電流，但對(duì)于單體電芯而言，電芯仍要承受電流增大帶來(lái)的發(fā)熱問(wèn)題。在快充條件下，電池內(nèi)外部的溫度差超過(guò)10攝氏度，不均勻的熱分布以及過(guò)高的溫度將引發(fā)一系列問(wèn)題：粘結(jié)劑解體、電解液分解、SEI鈍化膜的損耗以及鋰枝晶等。直接導(dǎo)致的危害有：電池循環(huán)壽命降低、熱失控引發(fā)的安全問(wèn)題。因此，熱效應(yīng)對(duì)電池材料體系以及BMS管控系統(tǒng)提出了更高的要求。

（2）鋰析出效應(yīng)：鋰離子電池運(yùn)作的本質(zhì)就是鋰離子在正負(fù)極之間的脫嵌運(yùn)動(dòng)，然而在高充電倍率下，嵌鋰的過(guò)程是不均勻的，鋰離子會(huì)因無(wú)法及時(shí)嵌入負(fù)極石墨層而選擇在負(fù)極表面沉積，形成鋰金屬。當(dāng)鋰金屬不斷沉積，就會(huì)形成我們經(jīng)常聽到的鋰枝晶。隨著充電倍率的增加，負(fù)極表面沉積的鋰枝晶數(shù)量越多。鋰枝晶的危害：負(fù)極表面鋰枝晶的持續(xù)生長(zhǎng)，可能會(huì)刺破隔膜，造成電池內(nèi)部短路從而導(dǎo)致熱失控；鋰枝晶在生長(zhǎng)過(guò)程中會(huì)不斷消耗活性鋰離子，并不可逆轉(zhuǎn)，導(dǎo)致電池容量降低，降低電池使用壽命。

（3）機(jī)械效應(yīng)：在快充條件下，鋰離子快速?gòu)恼龢O脫出，并嵌入負(fù)極，這會(huì)造成電池內(nèi)部極高的鋰離子濃度，其結(jié)果是活性顆粒之間的應(yīng)力錯(cuò)配。當(dāng)應(yīng)力累積到一定值時(shí)，會(huì)造成活性顆粒、導(dǎo)電劑、粘結(jié)劑以及集流體之間的縫隙增大，并造成活性顆粒的微裂紋增加。直接影響：活性顆粒之間縫隙的增加會(huì)顯著增加電池的內(nèi)阻；顆粒微裂紋會(huì)降低了電池的循環(huán)壽命。為減小或解決上述負(fù)面效應(yīng)，高壓快充需要材料體系升級(jí)和相應(yīng)器件升級(jí)。

二、政策監(jiān)管

高壓快充行業(yè)的行政監(jiān)管部門為國(guó)家電網(wǎng)和發(fā)改委。

國(guó)家在政策層面極力推動(dòng)高壓快充技術(shù)的落地應(yīng)用。2020年5月國(guó)務(wù)院發(fā)布《2020年政府工作報(bào)告》，首次提出“新基建”（新型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)）概念，將充電基礎(chǔ)設(shè)施作為七大基礎(chǔ)設(shè)施之一，納入“新基建”。2021年中央經(jīng)濟(jì)工作會(huì)議指出，當(dāng)前經(jīng)濟(jì)面臨需求收縮、供給沖擊、預(yù)期轉(zhuǎn)弱三重壓力，應(yīng)堅(jiān)持穩(wěn)字當(dāng)頭，強(qiáng)化政策發(fā)力，充電樁作為新基建組成之一，在穩(wěn)增長(zhǎng)主線下，建設(shè)節(jié)奏或?qū)⒓铀佟?/p>

2022年1月，國(guó)家發(fā)展改革委、國(guó)家能源局等出臺(tái)《國(guó)家發(fā)展改革委等部門關(guān)于進(jìn)一步提升電動(dòng)汽車充電基礎(chǔ)設(shè)施服務(wù)保障能力的實(shí)施意見》，提出到“十四五”末，我國(guó)電動(dòng)汽車充電保障能力進(jìn)一步提升，形成適度超前、布局均衡、智能高效的充電基礎(chǔ)設(shè)施體系，能夠滿足超過(guò)2,000萬(wàn)輛電動(dòng)汽車充電需求。多項(xiàng)政策落地，使得我國(guó)新能源充電樁行業(yè)的發(fā)展方向和發(fā)展目標(biāo)逐漸清晰，為行業(yè)發(fā)展提供有益土壤。

政府補(bǔ)貼從補(bǔ)車轉(zhuǎn)向補(bǔ)樁，從建設(shè)補(bǔ)貼拓展到運(yùn)營(yíng)補(bǔ)貼。2016年財(cái)政部等五部門出臺(tái)《關(guān)于“十三五”新能源汽車充電基礎(chǔ)設(shè)施獎(jiǎng)勵(lì)政策及加強(qiáng)新能源汽車推廣應(yīng)用的通知》，已對(duì)充電基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、運(yùn)營(yíng)給予財(cái)政獎(jiǎng)補(bǔ)。2022年國(guó)家發(fā)展改革委等部門《關(guān)于進(jìn)一步提升電動(dòng)汽車充電基礎(chǔ)設(shè)施服務(wù)保障能力的實(shí)施意見》明確提出加大財(cái)政金融支持力度，一是優(yōu)化財(cái)政支持政策，二是提高金融服務(wù)能力。

此外各地方政府已明確出臺(tái)充電樁建設(shè)補(bǔ)貼、充電運(yùn)營(yíng)補(bǔ)貼相關(guān)政策?？梢园l(fā)現(xiàn)政府財(cái)政補(bǔ)貼政策向供給側(cè)傾斜，呈現(xiàn)出從“新能源汽車補(bǔ)貼”到“充電設(shè)施建設(shè)補(bǔ)貼”再逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)椤俺潆娫O(shè)施建設(shè)補(bǔ)貼+充電設(shè)施運(yùn)營(yíng)補(bǔ)貼”。

充電槍充電樁發(fā)展助力高壓快充行業(yè)。2022年各省份出臺(tái)一系列政策推動(dòng)新能源充電設(shè)施的建設(shè)，預(yù)計(jì)未來(lái)車樁比將逐步降低至2:1。根據(jù)中國(guó)充電聯(lián)盟數(shù)據(jù)，截止2021年，我國(guó)新能源汽車保有量為784萬(wàn)輛，充電樁總數(shù)僅為261萬(wàn)座，其中公共樁數(shù)量為114.7萬(wàn)座，私人充電樁為147.1萬(wàn)座，車樁比約為3:1。

三、行業(yè)發(fā)展和驅(qū)動(dòng)因子

政策驅(qū)動(dòng)

2022年國(guó)家定調(diào)“穩(wěn)增長(zhǎng)”，充電樁、換電站的投資建設(shè)作為“新基建”系列，有望迎來(lái)風(fēng)口。比如，近一點(diǎn)的，7月19日，交通運(yùn)輸部召開部務(wù)會(huì)，審議了《加快推進(jìn)公路沿線充電基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)行動(dòng)方案》，將公路沿線充電基礎(chǔ)設(shè)施劃歸到落實(shí)國(guó)務(wù)院穩(wěn)住經(jīng)濟(jì)的一攬子政策措施之下。

北京是力爭(zhēng)到2025年全市新能源汽車?yán)塾?jì)保有量力爭(zhēng)達(dá)到200萬(wàn)輛，充電樁累計(jì)建成70萬(wàn)個(gè)；上海是計(jì)劃到2025年滿足125萬(wàn)輛以上電動(dòng)汽車的充電需求，全市車樁比不高于2∶1。安徽力爭(zhēng)到2025年汽車生產(chǎn)規(guī)模超300萬(wàn)輛，各類充電樁23.7萬(wàn)個(gè)，充電站4750座。政策層面早已吹響號(hào)角，高壓快充的席卷而來(lái)勢(shì)必也會(huì)引起產(chǎn)業(yè)層面一定程度的動(dòng)蕩與重塑。

汽車電動(dòng)化的驅(qū)動(dòng)

電動(dòng)汽車發(fā)展步入高速增長(zhǎng)階段。EVTank數(shù)據(jù)顯示，2021年，全球新能源汽車銷量達(dá)到670萬(wàn)輛，同比大幅度增長(zhǎng)102.4%，全球汽車電動(dòng)化滲透率也由2015年0.8%增長(zhǎng)到2021年的7.74%，預(yù)計(jì)2022年、2025年全球新能源汽車銷量將分別超過(guò)850萬(wàn)輛、2200萬(wàn)輛。乘聯(lián)會(huì)數(shù)據(jù)顯示，9月新能源汽車零售滲透率達(dá)到31.8％，預(yù)計(jì)2022年、2025年我國(guó)新能源汽車銷量將超過(guò)600萬(wàn)輛、1000萬(wàn)輛。

截至2022年9月底，新能源汽車保有量達(dá)1149萬(wàn)輛，前三季度新注冊(cè)登記371.3萬(wàn)輛。2022年前三季度，全國(guó)新注冊(cè)登記新能源汽車371.3萬(wàn)輛，同比增加184.2萬(wàn)輛，增長(zhǎng)98.48%。預(yù)計(jì)到2025年國(guó)內(nèi)新能源汽車保有量將達(dá)到4000萬(wàn)輛，保有量占比將達(dá)到10%。

核心部件升級(jí)驅(qū)動(dòng)

高壓快充導(dǎo)致整車高功率密度提升，運(yùn)轉(zhuǎn)負(fù)荷更大，整車高壓系統(tǒng)零部件在性能和安全方面需要升級(jí)。除了動(dòng)力電池電芯材料和設(shè)計(jì)升級(jí)，整車高壓部分電氣系統(tǒng)零部件需一并升級(jí)，主要體現(xiàn)在三個(gè)大的方面：

全車熱管理系統(tǒng)的總功率 提升、復(fù)雜度提高；

針對(duì)電氣系統(tǒng)的高負(fù)荷系統(tǒng)性升級(jí)，相關(guān)功率器件需要 降低損耗提高效率，其中最明顯趨勢(shì)是，大三電小三電中 SiC 基功率器件替換 Si 基功率器件（重點(diǎn)為電控逆變器中 SiC MOSFET 替代 Si IGBT）；

為保障高 負(fù)荷下汽車的安全性能，相關(guān)的器件比如數(shù)字隔離芯片、薄膜電容、連接器、熔斷器、繼電器等在數(shù)量和性能都有提升需求。

三個(gè)方面的升級(jí)相互關(guān)聯(lián)，具有“連鎖”反應(yīng)。比如 Si 基 IGBT 替換成 SiC 基 MOSFET，工作的功率和頻率提升，對(duì)應(yīng)的隔離驅(qū)動(dòng)需要一并升級(jí)，而薄膜電容的數(shù)量需要提升，才能達(dá)到電氣系統(tǒng)相關(guān)安全性的要求。

四、行業(yè)風(fēng)險(xiǎn)分析和風(fēng)險(xiǎn)管理

政策變化風(fēng)險(xiǎn)

行業(yè)所處的輸配電及控制設(shè)備制造行業(yè)與國(guó)家宏觀經(jīng)濟(jì)政策、產(chǎn)業(yè)政策以及國(guó)家電力規(guī)劃有著密切聯(lián)系。國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的周期波動(dòng)、國(guó)家行業(yè)發(fā)展方向等方面政策變化可能對(duì)行業(yè)的生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)造成影響，國(guó)家電力投資的力度直接影響輸配電行業(yè)的發(fā)展規(guī)模。

市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)風(fēng)險(xiǎn)

行業(yè)部分細(xì)分市場(chǎng)領(lǐng)域的資金門檻和資質(zhì)壁壘逐漸降低，導(dǎo)致電氣機(jī)械和器材制造業(yè)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)加劇，可能對(duì)行業(yè)的經(jīng)營(yíng)業(yè)績(jī)?cè)斐梢欢ǖ牟焕绊憽?/p>

應(yīng)對(duì)措施：行業(yè)內(nèi)企業(yè)應(yīng)通過(guò)持續(xù)自主創(chuàng)新，企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力顯著增強(qiáng)，市場(chǎng)開拓力度加大。

原材料價(jià)格波動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)

電力輸配電及控制設(shè)備制造行業(yè)產(chǎn)品成本構(gòu)成中，鋼材、有色金屬、非金屬材料等原材料在總成本中占一定比重。原材料價(jià)格的波動(dòng)將對(duì)行業(yè)盈利能力產(chǎn)生一定程度的影響。

應(yīng)對(duì)措施：行業(yè)內(nèi)企業(yè)將實(shí)行統(tǒng)一采購(gòu)，提高規(guī)模效益，并及時(shí)關(guān)注價(jià)格變化趨勢(shì)，采取靈活措施，規(guī)避價(jià)格風(fēng)險(xiǎn)。

人才引進(jìn)風(fēng)險(xiǎn)

行業(yè)作為專注于電力、自動(dòng)化和智能制造的高科技現(xiàn)代行業(yè)，高端人才對(duì)于行業(yè)的發(fā)展至關(guān)重要。

應(yīng)對(duì)措施：業(yè)內(nèi)企業(yè)應(yīng)積極制定激勵(lì)機(jī)制及人才培養(yǎng)制度，但新興領(lǐng)域領(lǐng)軍人才和復(fù)合型高端國(guó)際化人才儲(chǔ)備不足。培養(yǎng)學(xué)科帶頭人，提升人才隊(duì)伍整體水平是行業(yè)人才隊(duì)伍建設(shè)的重點(diǎn)工作。

新興領(lǐng)域和行業(yè)發(fā)展慢于預(yù)期的風(fēng)險(xiǎn)

新能源汽車、智能座艙、智能駕駛等是整個(gè)行業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)，但仍存在行業(yè)整體商業(yè)化進(jìn)度慢于預(yù)期的風(fēng)險(xiǎn)。

應(yīng)對(duì)措施：未來(lái)，業(yè)內(nèi)企業(yè)應(yīng)當(dāng)持續(xù)推進(jìn)新興領(lǐng)域產(chǎn)品系的布局和新客戶的開拓，并利用業(yè)內(nèi)企業(yè)在這些新興業(yè)務(wù)領(lǐng)域的優(yōu)勢(shì)，與上下游公司廣泛合作，共同推進(jìn)汽車的新能源化和智能化。

五、 競(jìng)爭(zhēng)分析 - SWOT 模型

優(yōu)勢(shì)

高電壓模式相較高電流模式，具有高效充電區(qū)間更大、充電功率天花板較高、技術(shù)難度更低等優(yōu)勢(shì)，有望成為現(xiàn)階段快充主流路線?；诟唠妷旱目斐淠軌?qū)崿F(xiàn)在更大區(qū)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(qū)間較小，其他區(qū)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(huì)產(chǎn)生很高的熱損失，包括連接器、電纜、電池的連接、母線排等電阻發(fā)熱量呈平方級(jí)別增長(zhǎng)，導(dǎo)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(duì)高壓路線更低。

劣勢(shì)

快充系統(tǒng)主要由動(dòng)力電池、動(dòng)力電池高壓線束、VCU、高壓控制盒、快充口、直流快充樁等組成。其原理是使鋰電池中的鋰離子高速運(yùn)動(dòng)，瞬間嵌入到電池的負(fù)極，這樣便是用大電流，在盡可能短的時(shí)間內(nèi)快速給電池充電。

然而汽車使用快充也可能產(chǎn)生不良影響，長(zhǎng)期使用快速充電，會(huì)因?yàn)榭傇谒查g向電池輸入最大電流。會(huì)降低電池的還原能力，減少電池充放電的循環(huán)次數(shù)，也就縮短了電池的壽命。

機(jī)遇

85%的車主在公共充電場(chǎng)站平均單次充電時(shí)長(zhǎng)在0.5-2小時(shí)之間,58.1%的車主認(rèn)為充電排隊(duì)耗時(shí)長(zhǎng)?！把a(bǔ)能時(shí)間長(zhǎng)”成為新能源車主用車時(shí)遭遇的普遍難題。為緩解電動(dòng)車用戶的補(bǔ)能焦慮,智能電動(dòng)車企業(yè)紛紛加碼快充技術(shù)和服務(wù)的投入。其中,相較于換電模式,高壓快充在成本、效率、技術(shù)難度方面優(yōu)勢(shì)相對(duì)明顯。

值得一提的是，進(jìn)入2022年以來(lái)，政策對(duì)充、換電基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的支持力度逐步增強(qiáng)，新能源汽車及其產(chǎn)業(yè)鏈相關(guān)行業(yè)均將獲得無(wú)限發(fā)展空間。

威脅

充電時(shí)間的減少在給消費(fèi)者帶來(lái)更好體驗(yàn)的同時(shí)也給電池帶來(lái)了考驗(yàn)，電池的充電速度主要取決于鋰離子的脫嵌和遷移速率，當(dāng)采用800V電壓平臺(tái)后，充電倍率最大可達(dá)6C（目前普遍為1C）。

但在高充電倍率下，鋰離子脫嵌和遷移的速率加快，部分鋰離子來(lái)不及進(jìn)入正負(fù)極，只能形成一些副產(chǎn)物，導(dǎo)致活性物質(zhì)損失，加速電池壽命衰減。且動(dòng)力電池在快充條件下，析鋰現(xiàn)象加劇，一方面將造成活性物質(zhì)的損失，影響電池容量和壽命；另一方面，鋰枝晶一旦刺穿隔膜，將導(dǎo)致電池內(nèi)部短路，造成起火等安全風(fēng)險(xiǎn)。

六、未來(lái)展望

海外主流車企、國(guó)內(nèi)傳統(tǒng)自主品牌以及新勢(shì)力紛紛加速布局800V高壓平臺(tái)，2023年更多800V車型將陸續(xù)上市。

我國(guó)有望于2025年在部分城市實(shí)現(xiàn)2-3C公共充電樁的初步覆蓋

根據(jù)中國(guó)汽車工程學(xué)會(huì)發(fā)布的《中國(guó)電動(dòng)車充電基礎(chǔ)設(shè)施發(fā)展戰(zhàn)略與路線圖研究（2021-2035）》，我國(guó)將于2025年實(shí)現(xiàn)2-3C的充電樁在重點(diǎn)區(qū)域的城市和城際公共充電設(shè)施的初步覆蓋；于2030年實(shí)現(xiàn)3C及以上公共快充網(wǎng)絡(luò)在城鄉(xiāng)區(qū)域與高速公路的基本覆蓋；在于 2035 年實(shí)現(xiàn) 3C 及以上快充在各應(yīng)用場(chǎng)景下的全面覆蓋。充電標(biāo)準(zhǔn)方面，中國(guó)電力企業(yè)聯(lián)合會(huì)正在加緊制定ChaoJi 標(biāo)準(zhǔn)，將盡快落地。

編輯：黃飛