新能源车充电系统趋势:大功率、高电压、液冷

一、新能源车快充介绍

1.1、快充有望成为新能源车补能的重要模式

新能源车的补能模式主要包括换电和充电。换电模式是在换电站将新能源车电池进行更换,目前典型代表车企是蔚来,对于车型类型较少、电池系统规格较为单一的主机厂,换电模式具备一定应用前景;二是充电模式,分别有家用桩常见的交流慢充模式以及公共桩的直流快充模式,而快充模式又分两条路线,一个是以特斯拉为代表的大电流快充,另一个是以比亚迪等为代表的高压快充路线。快充模式正处在快速升级和演进过程中,充电倍率正在由2C向4C提升,充电时长正在从30分钟缩短为15分钟,多数主机厂在积极布局快充技术,发展前景较为广阔。

快充路线分为大电流快充和高电压快充。快充路线目的是提高电动车充电效率,其本质是提高充电功率,目前有增大充电电流和提高充电电压这两种路线,具体来看:

大电流快充可支持200kW级快充,充电10分钟可续航200-300km。根据国家推荐标准《电动汽车传导充电系统》,搭载400V电压平台时,100kW级功率充电10min大约补充16.7kWh的电量,对应续航约100km(假设百公里耗电量13kWh)。当充电电流提升至500A以上时,充电功率可以达到200kW级,充电10min补充电量约33kWh,对应续航约200-300km(假设百公里耗电量13kWh),有效提高充电效率,缓解充电焦虑。

高电压快充可实现400kW级超充,充电5分钟可续航200-300km,同时高压架构有利于降低热损耗和减轻整车重量。实现400kW级充电则须将电动车从400V升级至800V级高电压平台,当电流为500A时即能够将充电功率提升至400kW,实现充电5min,续航200-300km。采用800V 高压架构除了能够提高充电功率,在整车电机输出功率不变的情况下,能够显著减小电流,从而有效降低热损耗;大幅降低的电流带来车内线束线径的减小,有利于车内空间布局的优化,同时减轻整车重量、提升续航里程。

ChaoJi快充标准加速落地,推动快充发展。国家电网创立并统一国内充电设施和充电接口的ChaoJi充电标准,并在2021年9月宣布加速落地。立项标准预计2021年底完成,并开启试点示范,预计2025年普遍安装。在2015 年时充电桩标准支持的最高充电电压为950V,充电电流为250A;而Chaoji快充标准可支持350kW-900KW 大功率充电,充电电压1000-1500V,充电电流500-600A,10 分钟增加续航300 公里以上。

ChaoJi快充标准兼容性强,有望成为重要的电动汽车接口和系统标准。ChaoJi 充电能够向前兼容中国、日本、美国、欧洲的GB/T、CHAdeMO、CCS1、CCS2老标准,向后兼容具有可扩展性,也可以支持慢充,目前已被日本和IEC采纳了ChaoJi方案,如果能得到欧洲认可就会成为重要的电动汽车接口和系统标准之一。

1.2、大功率快充引领高压架构变革

全栈高压架构由于其能量转换效率高的优势有望成为主流。大电流快充技术会导致电气系统发热加剧,对散热的要求很高,使得当前高压快充成为行业的多数选择。目前预计能实现大功率快充的高压系统架构共有全栈高压架构、多电压架构、全栈低压架构三类。

全栈高压架构:电池包、电机以及充电接口均达到800V,车中只有800V 和12V 两种电压级别的器件,OBC、空调压缩机、DC/DC 以及PTC 均重新适配以满足800V 高电压平台。

多电压架构:整车搭载一个800V 电池组,通过在电池组和其他高压部件之间增加DCDC转换器将800V电压降至400V,车上其他高压部件均采用400V 电压平台。

全栈低压架构:1)采用两个400V 的电池组,通过高压配电盒的设计进行组合使用。大功率快充时,两个电池组可串联成800V 平台;在汽车运行时,两个电池组并联成400V平台。2)采用单个400V 的电池,充电接口与电池之间通过DC/DC降压。

二、快充桩市场规模有望超千亿,高电压、大功率、液冷是重要趋势

2.1、快充需求量快速增长,2025年快充桩市场规模有望超千亿

充电桩属于电动车的重要基础设施。随着新能源车保有量的不断增加,充电桩需求也会不断提高。按照安装条件分类,充电桩可分为立式充电桩和壁挂充电桩;按照安装地点分类,可分为室内充电桩和室外充电桩;按充电接口分类,可分为一桩一充和一桩多充;按充电类型分类,可分为交流充电桩和直流充电桩。

直流充电桩是未来行业的重要发展方向。交流充电桩输出单相/三相交流电,通过车载充电机转换成直流电给电池充电,功率较小,充电速度较慢。而直流充电桩直接输出直流电给电池充电,功率较大,充电速度较快,是未来行业的重要发展方向。

充电桩建设有望持续快速增长。截止2021年底中国新能源车保有量约798万辆,车桩比约3:1。今年以来充电桩建设加速,车桩比下降,目前约2.7:1,车桩比仍较高。未来三年新能源车销量有望继续维持高速增长态势,叠加车桩比存在进一步下降的潜力,预计充电桩的建设有望持续爆发式增长。

2025年全国新增快充桩需求量有望超过290万根,快充桩市场规模在2025年或将超过1450亿元。国内电动车销量持续超预期,而国内目前车桩比约2.7:1,尤其是上海、深圳等新能源汽车保有量较大的地区经常出现充电排队的现象,充电桩数量明显不足。政府有望对充电桩领域开展新的刺激政策,预计2021-2025年我国新能源汽车销量CAGR在36%左右。同时,预计2025年车桩比可达1.5:1。此外,我们假设目前快充桩的渗透率为20%,至2025年提升至41%,快充桩平均价格为4万元/根,随充电桩的功率不断提升,超充的渗透率不断提升,预计到2025年快充桩的平均价格有望达到5.1万元。预计2025年全国充电桩保有量有望超过2000万根,全国新增快充桩需求量有望超过290万根,对应快充桩市场空间有望超过1450亿元。

2.2、充电模块价值量占比大、壁垒高、市场规模增长迅速

充电桩的零部件主要包括:充电模块、交流配电单元、监控单元、防雷单元、熔断器、继电器,外部结构包括充电枪、高压绝缘检测板、显示屏等。其中充电模块是充电桩的核心,模块的性能直接决定了充电桩的输出能力。

充电模块在整个充电桩的成本中占比最高,约为40%。充电模块又称功率模块,在模块内部进行交直流转换、直流放大隔离等工作,决定了充电桩的性能和效率,是充电桩行业具有较高技术门槛的核心产品,目前其重要技术只掌握在行业少数企业手中。充电模块内部结构复杂,内含元器件众多,是影响充电桩性能的重要部件,成本占充电桩建设总成本的40%左右。

充电模块核心技术壁垒在于模块内部拓扑结构的设计水平和集成化能力。充电模块的关键元器件在于MOS管开关,当充电模块工作时,三相交流电源经过整流滤波后,变成直流输入电压供给DC/DC变换电路。控制器通过驱动电路作用于功率开关MOS管,使整流滤波后的直流电压转换成交流电压,这时的交流电压是脉宽调制的。交流电压经高频变压器的变压隔离,再次经整流滤波得到直流脉冲,进而对电池组充电。单个充电模块涵盖1000多个核心原件,同时其拓扑结构的设计直接决定效率和性能,具备较高技术门槛。

快充/超充桩要求更大功率的充电模块,推动充电模块技术门槛进一步提高。充电桩的快充能力主要是通过高压化来实现大功率的电能输出,这对充电模块的质量和数量都提出了更高的要求。随着功率等级的提升,充电模块的内部结构设计难度和内部原件集成化难度也随之提高,在保证充电模块能够适配高电压平台的同时也要保证其安全性和可靠性,对充电模块厂家提出了新的要求,进一步提高了充电模块的技术门槛。

快充充电模块2025年市场空间有望超过500亿元。当前充电模块的成本占比约为40%,随着技术进步和产业规模带来的降本,预计到2025年充电模块成本占比约为35%。随着快充桩广泛快速建设的拉动,预计到2025年快充充电模块市场空间有望超过500亿元。

2.3、充电模块向大功率化、标准化发展

2.3.1、充电模块大功率化已成为发展趋势

随着快充需求的不断增大,充电模块的功率等级也随之不断提高。随着新能源车的发展,车载平台电压等级不断提高,续航里程不断延长,车主对充电速度的需求也在上升。充电桩正处于从过去以交流慢充为主转变为未来以直流快充为主的发展路径上,充电模块的功率等级不断提升。目前我国市场主流充电模块已经发展了三代,从一开始2016年以前的7.5kW到目前普遍的第二代15/20kW,2020年开始普及的第三代30/40kW模块目前正在逐渐成为市场主流。

充电桩体积空间有限,充电模块功率密度提高是必然趋势。提高充电桩的输出功率主要方式就是提高模块的总功率,一般途径有两个:一是增加模块的数量,二是提高模块的功率密度。充电桩的体积是有限的,随着快充技术的不断发展,单纯的增加模块数量已经不能满足功率提升的要求,模块功率密度的提升是必然趋势。相同的模块尺寸下,功率密度越大,模块总的输出功率就越大。

目前我国头部模块厂商的功率密度已达到较高水平,超过第三代45W/in3的标准。国内厂商在模块功率密度提升方面做了很多尝试,从不同厂商的30KW模块目前达到的最高功率密度看,华为电源模块的功率密度遥遥领先,达到58.6W/in3,目前优优绿能的20/30KW充电模块功率密度接近45W/in3,较2017年的32.8W/in3(15kW)提升了37%。

模块的功率提升必须考虑快充的功率提升和充电桩规格多样化的需求。主要原因是不同系统功率,不同充电枪功率分配需求的充电桩,需要不同的最合适功率颗粒度的充电模块。当前市场主流快充桩功率范围从单枪30kW到4枪240kW,规格多样,而因此在充电模块的标准规格上,宜制定不同容量的系列化的充电模块。

大功率模块市场占比逐渐提升。当前国内市场,20kW 及以下功率等级的模块占据市场容量比例约为 60%左右,其余容量大比例由30kW占据,及部分40kW模块。随着近年来电动汽车电池容量的提升,充电倍率的提升,已经有明显的市场发展趋势:20kW较大份额市场正在逐渐向30kW,40kW,甚至更大功率多元化规格发展。目前英飞源,永联,优优绿能、电王快充等企业均已批量生产使用40kW充电模块。

2.3.2、标准化模块设计已成为行业共识

过去模块行业标准化程度低,模块尺寸和接口规格没有实现统一。当前在我国模块市场上,厂家众多,行业内尚未建立标准化统一化的规范和标准,不同厂家的不同厂家的模块尺寸和接口标准各不兼容。即便是同一厂家的不同模块产品,由于功率等级和规格的不同,尺寸和体积也有差异。同样是15kW的模块,华为的产品只有1种尺寸,为206mm *470mm*83mm,英飞源的产品则有2种不同的尺寸215/226mm*395mm*84mm。

模块尺寸和接口的不兼容会增加后期充电桩升级的成本。过去在充电桩标准升级演进过程中,由于模块厂商和充电桩厂商都未充分考虑到未来发展的兼容性,造成了充电桩由于模块规格迭代而进行的重复化设计工作,增加了充电桩的升级换代成本,不利于充电桩的长期可持续利用。由于兼容性差的问题,现存大部分老旧的充电桩已经无法通过更换模块直接升级,必须进行整个桩体内外结构的重新设计更换。

国内部分厂商已经开始关注尺寸和接口规格的统一标准化设计,实现了30kW向40kW模块的平滑升级。随着充电模块技术的发展演进和市场应用规模的逐渐成熟,充电模块产品的设计方向也在持续向高可靠性,高功率密度方向提升。对于市场上已经明确的 30kW/40kW 充电模块需求,已有厂家在设计之初就向同结构尺寸、同接口尺寸的目标进行设计。以优优绿能为例,其30kW和最新的40kW模块在同样的电压范围下实现了尺寸统一,均为300mm*437.5mm*84mm,使用30kW模块的旧充电桩可以在不改变内部结构只更换新的大功率模块的条件下实现平滑升级。以360kW双枪快充桩为例,原有设计包含12个30kW模块,现在在同样接口上直接更换为12个40kW的模块后,充电桩总功率达到480kW,大幅提升33%。

国家政策层面也开始制定行业的统一标准。国家电网公司推出了国网三统一标准的充电模块,统一模块外形尺寸、统一模块安装接口、统一模块通讯协议,为充电桩系统集成商及充电运营企业提供了更好的选择。国网三统一型充电模块可推动行业进一步规范化标准化,该标准已成为当下各企业的主流产品设计参考标准。2021年2月,广东省充电设施协会出台了关于组建《电动汽车充电桩连接装置、直流充电桩充电模块接口团体标准》起草工作组的公告,未来将推出系列相关的充电模块接口标准,推动行业的规范化发展。

2.4、液冷充电桩优势明显

充电桩传统的散热方式多采用直通风冷,防护等级低,可靠性差。市场发展早期采用成熟的 IP20 直通风技术的充电桩难以满足恶劣环境应用要求。此外,直通风散热的弊端在于空气于模块内部元器件并不隔离,而空气会夹杂着灰尘、盐雾及水气并吸附在模块内部器件表面,同时易燃易爆气体与导电器件接触,导致模块故障风险的增大。

传统的直通风散热会产生巨大的噪音,居民投诉导致充电站正常运行时间的缩短。风冷散热模块采用高转速风扇强力排风,再加上桩体的散热风扇,噪声叠加起来甚至>70dB,超过了国家的噪音限制范围。截止2020年底,北京全市各类充电桩数量已经达到21.85万,停运比例约10.3%,其中充电桩噪声扰民是运营商被投诉次数最多的问题。

液冷散热技术可以同时解决模块故障率高及噪声大的问题。充电模块及系统内部的发热器件通过冷却液与散热器进行热交换,与外部环境完全隔绝,与灰尘、易燃易爆气体等无接触。故液冷充电系统可靠性远高于传统的风冷充电系统,同时液冷充电模块无散热风扇,通过水泵驱动冷却液散热,模块自身零噪声,系统则采用大风量低频风扇噪声低。

液冷散热相比风冷性能更优,目前成本较高,未来将逐渐成为模块散热主流趋势。液冷模块的散热能力相较强制风冷模块低10~20℃,智能降噪控制可满足对噪声敏感场景安装使用。液冷模块还拥有更高IP等级的防护,适应多粉尘等恶劣场景应用,寿命延长1~2倍,后期维护和检修减少,降低运营成本。

液冷散热的难点主要在于冷却液和电缆的密封。液冷需要在电缆和充电枪之间设置一个专门的循环通道,在通道内加入冷却液,通过动力泵推动液体循环把热量带出,起到散热作用。但充电桩安装和使用的环境可能会面临极端天气、恶劣环境等因素,若因线缆密封性较差导致管路发生泄露,就容易导致冷却系统失效从而导致事故发生。所以使用的液冷电缆都需要通过耐高温、耐腐蚀、抗爆破、耐气候、耐低温等测试。

特斯拉超充桩V3率先使用液冷技术,其他厂商也在跟进。其充电功率达到了250kW,同时线缆直径较V2版充电枪减少44%,至23.87mm。其他整车厂如比亚迪、广汽、小鹏、岚图、理想等为配合其即将推出的800V 高压架构车型,大功率快充桩为必需品。目前小鹏超充站支持 180kW 双枪直流快充桩,单枪最高功率可达 120kW;蔚来推出超充补能方案,其超充站 210kW 主机 1 拖 4 配置功率可随时升级至 270kW。同时,国内部分厂家如英飞源、盛弘股份英可瑞等已有相关产品推出。

三、紧跟快充发展趋势,厂商纷纷开始布局

3.1、盛弘股份:充电桩产品覆盖广泛

盛弘股份借电力电子领域深厚积淀切入充电桩,产品覆盖领域广泛。电能质量业务与充电桩均以电力电子技术为基础,技术同源(在充电桩将交流电转化为直流充电过程中,电流量过大会产生谐波和无功的问题)。公司在将三电平模块化技术运用于电能质量产品后,凭借自身技术储备切入充电桩业务,于2011年研制推出了充电桩模块,用于对电动汽车蓄电池充电,同时也可有效治理谐波。目前,公司电动汽车充换电服务业务已拥有分体式及一体式充电设备、交流充电桩、恒功率充电模块、充电站建设及运营管理服务等产品,覆盖高压直流快充、交流慢充等领域。

产品性能优异,已有较多经典应用案例。公司生产的直流充电桩,采用有源APFC技术进行谐波治理和无功补偿,使得系统效率达到95%以上,功率因数达到0.99,谐波电流总畸变率降低到5%以下,无需安装额外的电能治理设备即可保证充电站的使用安全,且不影响同一电网中其他用户的正常用电。公司依靠领先的技术方案,在2018年收获合肥公交、郑州公交等充电桩建设项目,在充电桩领域已有较多经典应用案例,与行业内主要企业建立了良好的合作关系。

公司推出第五代恒功率直流充电模块,性能优异。公司第五代充电模块产品可实现最大50%充电速率的提升,大大缩减充电时间,模块待机时无功损耗小于30Var,PF≥0.99,超低无功功耗 。THDI<5%,谐波含量低,延长产品的使用寿命。低功耗高效率,大幅度缩减厂家开支。功率密度较市场传统模块提升50%以上,体积更小,重量更轻,性能更强,可以满足乘用电动车、电动中巴车、电动大巴车等产品的充电需求。

3.2、英可瑞:积极布局液冷领域

英可瑞液冷技术领先市场,推出液冷充电模块及系统方案。液冷充电模块相比传统风冷充电模块具有防护等级高、可靠性高、噪声小的优势。英可瑞推出了30kW液冷充电模块,以及180kW户外液冷循环一体机。同时,公司充电桩产品以直流为主,包括单枪分体式直流充电桩、双枪一体式直流充电桩等。

3.3、麦格米特:专注于充电模块

麦格米特在充电桩领域坚持被集成战略,定位于做好充电模块。充电桩属于新兴行业,从运营商到设备制造商到元器件厂商都在持续探索与优化,公司在该领域依然持续投入,目前已在大范围恒功率充电模块方面有一定的积累,旗下共有三种三相充电模块系列,功率覆盖15-30kW。

3.4、和顺电气:国内最早进入充电站建设的设备供应商之一

和顺电气是最早进入我国电动汽车充放电站建设的电气主要设备供应商之一,从2010年国网系统第一批试点就开始全程参与电动汽车冲放电站设施的建设,积累了丰富经验,目前公司拥有直流充电机、交流充电桩、电能质量设备和配电设备等几大类产品,主要客户包括国家电网等。

$盛弘股份(SZ300693)$ $英可瑞(SZ300713)$ $和顺电气(SZ300141)$ 

雪球转发:1回复:0喜欢:9