电动化加速落地:催生庞大充电需求。全球电动化趋势明显,势必催生庞大的充电需求。
BMS的功能主要包括以下几类:
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。
1.24C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。
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。
1.3多企业布局超级充电
1.3.1华为:AI闪充全栈高压平台将实现5min快充
1.3.2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。
1.3.3比亚迪:e平台3.0充电5分钟续航150km
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。
1.3.5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。
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座充电站和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%。
二、800V高压架构或成下一代主流平台
2.1核心在于电压的升级
对比采用400V总线的特斯拉Model3和采用800V总线设计的保时捷Taycan。Model3和Taycan将充电SOC从5%-80%分别需要26分钟和22.5分钟。Model3的母线电压较低,通过使用非常高的超过600A的最大充电电流实现了250kw的最大充电功率。保时捷Taycan采用800V的电池组,通过传统的直流快速充电器和插头提供最大充电电流为340A,峰值充电功率270kW。Taycan获得的充电功率比Model3略高,在800V总线和500A充电电流的情况下,可以达到400kW的功率。
800V高压架构或成为下一代电动车主流平台。800V高压系统通常指整车高压电气系统电压范围达到550-930V的系统,统称800V系统。800V高压系统以低成本和高效率系统获得众多集团和品牌青睐,海外现代起亚、大众集团、奔驰、宝马等,国内比亚迪、吉利、极狐、现代、广汽、小鹏等均重点布局800V高压平台。800V高压架构有望成为下一代电动汽车的主流整车电压平台。
方案一:车载部件全部800V,电驱升压兼容400V直流桩方案。典型特征为:直流快充、交流慢充、电驱动、动力电池、高压部件均为800V;通过电驱动系统升压,兼容400V直流充电桩。这种方案整车能耗低,无安全风险,所有部件要求800V也都是供应商在研产品,易于推广。
方案三:车载部件全部800V,动力电池灵活输出400V和800V,兼容400V直流桩方案。典型特征为:直流快充、交流慢充、电驱动、动力电池、高压部件均为800V;2个400V动力电池串并联,通过继电器切换灵活输出400V和800V,兼容400V直流充电桩。这种方案由于动力电池需要特殊设计,以避免电池并联环流潜在问题,因此推广难度较大。
方案四:车载部件全部800V,动力电池灵活输出400V和800V,兼容400V直流桩方案。典型特征为:直流快充、交流慢充、电驱动、动力电池、高压部件均为800V;2个400V动力电池串并联,通过继电器切换灵活输出400V和800V,兼容400V直流充电桩。这种方案整车能耗高,优点在于只需要增加一个DCDC,但这个400V/800VDCDC对安全要求高,推广不易。
综合考虑性能、系统成本及整车改造工程量,方案一“车载部件全部800V,电驱升压兼容400V直流桩方案”预计是短期内快速推广的解决方案。
2.2高电压带动多条产业链
2.2.1三电系统核心调整,满足高压平台要求
电池系统:
800V电池包的BMS成本比400V高约1/3。成本端,800V的电池包需要两倍的串联电池,因此需要两倍的电池管理系统(BMS)电压传感通道。根据ImanAghabali等人的测算,400V电池包的BMS总成本约602美金,800V电池包为818美金,即800V电池包的成本比400V高出约1/3。电压提升对电池包可靠性提出更高要求。对电池包分析表明,一个4p5s配置的电池包在25C时可以可靠地执行约1000次循环,而2p10s(电压较4p5s提升一倍)配置的电池包只能达到800次循环。电压提升会降低电池包可靠性主要是因为单个电芯寿命降低(充电功率提升后,电芯充电倍率将由1C提升到≥3C,高充电倍率将造成活性物质的损失,影响电池容量和寿命)。在较低电压的电池包中,并联电池更多,可靠性更高。
2.2.2动力电池:超级快充将成为趋势
动力电池PACK作为新能源汽车的核心能量源,为车辆提供驱动电能,主要由动力电池模块、结构系统、电气系统、热管理系统以及BMS五大部分组成:
1)动力电池模块就像是电池PACK的“心脏”储存和释放能量;
4)热管理系统可分为风冷、水冷、液冷和变相材料四种,电池在充放电的过程中产生大量热量,通过热管理系统将热量传导散发出去,是电池处于合理工作温度内提高电池的安全性并延长使用寿命;
比亚迪拳头产品之一:刀片电池。在提高功率的时候,大电压/电流将会带来更多的热量,散热问题将是动力电池厂商需要去优化的重点。比亚迪拳头产品刀片电池采用的是叠片式结构,同时其基于磷酸铁锂材料体系,自身的耐高温属性要强于三元材料。同时刀片电池采用无模组化设计,由电池直接组成并且均匀排布在电池包内,同时也能够提供更好的散热。目前搭载刀片电池的比亚迪汉EV补贴后售价20.98万,在综合情况下续航里程可达506km,充电10分钟可最大行驶135km。
2022年6月,宁德时代发布其第三代CTP技术电池——麒麟电池,实现能量密度255Wh/kg,体积利用率达到72%,满足续航1000km需求。麒麟电池发布,或将开启800V时代。在结构上,麒麟电池取消横梁、纵梁,水冷板与隔热垫由之前的独立设计集成为多功能弹性夹层,提高了整体的利用率。由于大面积水冷的加入,麒麟电池能够支持5min快速热启动以及10min快充。
2.2.3SiC:高压优势明显
电机驱动:电机驱动中使用SiC器件的优势在于提升控制器效率,提升功率密度和开关频率,减少开关损耗以及简化电路散热系统,从而降低成本、大小,改善功率密度。丰田的SiC控制器将电驱动控制器体积减小80%。
电源转换:车载DC/DC变换器的作用是将动力电池输出的高压直流电转换为低压直流电,从而为动力推进、HVAC、车窗升降、内外照明、信息娱乐和一些传感器等不同系统提供不同的电压。使用SiC器件可降低功率转换损耗并实现散热部件的小型化,从而减小变压器体积。充电模块:车载充电器和充电桩使用SiC器件,能够发挥其高频、高温和高压的优势,采用SiCMOSFET,能够显著提升车载/非车载充电机功率密度、减少开关损耗并改善热管理。根据Wolfspeed,汽车电池充电机采用SiCMOSFET在系统层面的BOM成本将降低15%;在400V系统相同充电速度下,SiC充电量较硅材料可以翻倍。
SiC电力电子器件价格进一步下降,与同类型Si器件价差缩小。根据CASA,Mouser,从公开报价来看,2020年底650VSiCSBD均价为1.58元/A,同比下降13.2%,与Si器件的价差约3.8倍;1200VSiCSBD均价为3.83元/A,同比下降8.6%,与Si器件的差距约4.5倍。根据CASA调研,实际成交价低于公开报价,650VSiCSBD实际成交价格约0.7元/A,1200VSiCSBD价格约1.2元/A,约为公开报价的60%-70%,同比则下降了20%-30%,实际成交价与Si器件价差已经缩小至2-2.5倍之间,已经达到了甜蜜点。若考虑系统成本(周边的散热、基板等)和能耗等因素,SiC产品已经具备一定竞争力,随着产业链技术更加成熟和产能不断扩充,未来在下游新能源汽车、光伏逆变、消费类电子等市场应用有望加速渗透。
车用SiC器件渗透率提升有望带来市场规模快速扩张。据Yole统计,新能源汽车是SiC功率器件下游最重要的应用市场,预计到2024年新能源车用SiC功率器件市场规模将达到近12亿美元。2018年国际上有20多家汽车厂商已经在车载充电机(OBC)中使用SiCSBD或SiCMOSFET。目前以特斯拉Model3、比亚迪汉为代表的车型在逆变器中采用SiC功率模块只是车用SiC器件的起步,未来随着SiC在车载充电器、DC/DC转换以及充电桩中渗透率提升,市场空间有望快速扩大。
根据Yole及科锐业务情况,科锐预计到2024年,其SiC晶圆可服务市场规模约11亿美元,SiC器件可服务市场规模达到50亿美元。
考虑降价因素2025年新能源汽车SiC需求中枢在59~65亿美元。我们假设2025年全球新能源汽车出货量1800万~2000万辆,考虑SiC晶圆随着技术成熟价格下降,假设单价约2000美元/片,则预计到2025年新能源汽车仅逆变器SiC需求空间弹性中枢在59~65亿美元。此外,新能源汽车DC/DC、车载充电器系统及充电桩中SiC的应用将进一步提升新能源车用SiC市场规模!
2.2.4隔离芯片:保证信号传输安全
新能源车安规和设备保护要求驱动单车隔离需求大幅增加。新能源汽车较传统燃油车电气化程度更高,安规和设备保护需求高,数字隔离类芯片也更多地应用于新能源汽车高瓦数功率电子设备中,包括车载充电器(OBC)、电池管理系统(BMS)、DC/DC转换器、电机控制驱动逆变器、CAN/LIN总线通讯等汽电子系统,成为新型电子传动系统和电池系统的关键组件。此外,汽车内部设计简单化发展要求数字隔离芯片具有高集成度,集成了接口、驱动、采样等功能的隔离芯片更具优势。
2.2.5磁性元件:单车价值量提升显著
磁性元件是变压器和电感的统称。其中:
磁性元件在汽车中被广泛使用,主要用于OBC(车载充电机)、DC-DC转换器、逆变器、电驱&电控、BMS(汽车电池管理系统)等场景。其中OBC的作用是将交流电(220V或380V)转化为直流电,并对新能源汽车动力电池进行充电。目前OBC功率的转换仍需使用电磁转换,对于磁性元件是重要应用场景。同时我们认为目前超充/快充对于新能源汽车产业趋势明显,在充电效率、平台电压提升的同时,对于磁性元件的性能需求也同样在提高,单车价值量有望在此过程中实现快速提升。
2.2.6连接器&充电枪:高压需求下的产品升级
连接器,顾名思义就是电路元件之间的连接部件,起到电气连接或者信号传输的作用,是电子设备中不可缺少的部件。连接器在电路内被阻断处或孤立不通的电路之间,架起沟通的桥梁,从而使电流流通实现预定的功能。依据连接对象、频率、功率、应用环境等不同,连接器可有种类多样的产品形式。
从供给端看,中国市场的连接器产量长期是上升的,尤其是最近两年维持了超过10%的高增速。根据前瞻产业研究院数据,2018年全国共生产连接器785.92亿,预计2019-2025年,产量将基本保持11%的增速中枢,到2025年将达到1662.7亿的总产量。
然而从产值角度看,中国市场的连接器供需间尚存在较大缺口。同样根据前瞻经济研究院统计数据,2018年中国市场连接器的市场规模已经达到209亿美元,而对应如此庞大的市场规模,对应的中国连接器总产值据QYResearch统计仅为134.99亿美元,供需缺口超70亿美元。考虑到中国连接器市场规模不断扩大,以及目前中国连接器高端领域还有待技术突破的现实因素,预计未来5年供需不平衡的现状仍将持续。
充电枪是电动汽车的充电连接器,负责链接充电桩与电动汽车,其品质直接影响到新能源车的充电性能与安全。充电枪可分为直流枪和交流枪,直流适用于大电流、高功率的充电枪,一般适用于新能源汽车快充站、充电桩等地方,交流通常适用于家用充电桩以及便携式充电桩。由于目前对于充电枪存在多个标准,各国家的标准不同,主要可分为type1、type2、GB/T,对应为美标、欧标和国标。
薄膜电容提升电控耐压等级。由于薄膜电容的作用多为直流支撑,其可从DC输入端吸收高压脉冲电流,达到保护功率半导体等其他部件的作用,通常每个功率半导体器件会配备一个薄膜电容,在豪华车型中如果采用多电机,则薄膜电容使用量也会随之提升。
EMC全称ElectromagneticCompatibility,包括电磁抗扰度和电磁干扰两个概念。电磁抗扰度用来评估产品自身稳定性,是对其他电子产品电磁抗干扰程度的指标。而电磁干扰则是用来表征产品对外产生噪声水平的指标。因此EMC的功能包括两方面,一方面要实现外部电磁干扰的滤除,如连接线的辐射传导和内部不同电器单元之间的电磁干扰等。另一方面,EMC还需尽可能减小设备本身对外部发出的电磁辐射,避免影响同一电磁环境下其他电子设备的正常工作。
随着全球消费电子以及智能汽车等领域的不断发展,电子设备或者产品内集成了越来越多的电子元器件,带动了EMC行业近些年规模的不断扩大。除此之外,近年来我国在军工航天领域不断发展,加大了对EMC的市场需求。EMC正迎来广阔的发展空间。根据MarketandMarkets,预计到2025年,全球电磁屏蔽材料市场市场规模将会达到92亿美元,2020~2025年CAGR6.3%。
熔断器是电网和用电设备的安全保护电器之一,是用来进行短路保护的器件。当通过熔断器的电流大于一定值(通常是熔断器的熔断电流)时能依靠自身产生的热量,是特制的金属(熔体)熔化而自动分断电路。熔断器作为电路中的保护器件,在回路中出现故障时,熔断器工作分为“熔”+“断”两个过程,“熔”的过程与电流有关系,“断”的过程与电压有关系。熔断器的电压可以表述为:此熔断器可以分断此电压所产生的电弧。电压有交流电及直流电的区别,纯电动汽车中为直流电压,因回路中电感在熔断器分断瞬间会产生感应电压,同时要考虑回路中的电感对电压灭弧的影响。熔断器可承受的最大电压值一定大于系统中的电压值。
在新能源汽车领域,除了动力电池总熔断器外,还存在汽车空调系统,暖风系统,DC/DC系统等其他附件高压回路,各回路均需串接直流高压熔断器做回路保护。从应用线路上考虑,整车线路根据电流强弱可以分为高压大电流保护区和中低压小电流保护区。通常来讲,动力电源主回路需要总熔断器1只,其余分系统需单独设置熔断器,至少需要选用4~5只直流系列(高压熔断器),才能满足车辆的基本功能需求。由于直流高压熔断器选型原则主要是熔断器额定电压与额定电流的确认,熔断器额定电压需大于动力电池最高电压,所以随着电动汽车从400V向800V升级,对熔断器的额定电压也升级到800V以上,除此之外持续电流,环境温度、安装尺寸限制等也都在电压平台升级后对熔断器产生更高要求。