电动汽车快充系统工作原理（电动汽车行业专题报告）

（报告出品方：民生证券）

01. 快充定义及实现路径

快充的定义

快充顾名思义就是快速充电，衡量单位用充电倍率（C）来表示： 充电倍率（C）=充电电流（mA）/电池额定容量（mAh），即假设电池容量为4000mAh，充电电流达到了8000mAh，则充电倍率为8000/4000=2C。

这里有一个概念，即高倍率充电并不是0%-100%的电量都 通过大电流充入完成。合理的充电模式共分三个阶段，阶 段1：预充电状态；阶段2：大电流恒流充电；阶段3：恒 压充电。阶段1的预充电起到对电芯的保护作用；阶段2就是我们所 说的高倍率充电阶段，这个过程的电量区间往往在20%- 80%；阶段3恒压充电的目的是限压，防止电芯的电压过 高，破坏电池结构。

大电流快充

目前使用大电流快充方式的主要是特斯拉，特斯拉V3超充最大充电功率为250kW，峰值电流大小达600A。然而使用大 电流充电有两个大劣势：1：根据热力学公式： = ，充电系统的电流的增大将导致产热量过高，带来两个后果：1.能量损失严重，转化效率 低，2.热管理系统造成较大负担。2：我们对不同模式的充电曲线进行比较，Model 3的大电流充电只能在5%-10%SOC的区间内实现大功率充电，在超过 10%的区间内功率直线下滑，而Taycan的800V快充可在更宽的SOC范围实现高功率充电。

02. 快充空间测算

各车企纷纷布局快充

800V高电压快充成主流，各车企迭代跟进800V架构。2019年保时捷率先推出第一台800V快充量产车型Taycan，最大充电功率可达350KW，5%-80%SOC充电时间约 23分钟。为解决客户续航焦虑，各车企纷纷跟进800V平台，极狐阿尔法S全新HI版搭载800V架构，可实现15分钟 从30%-80%的充电，小鹏也开始布局新一代超级充电桩，12分钟可以将电池从10%充至80%。

快充车型渗透空间广阔：3年CAGR=189.2%

我们对搭载800V架构的电动车销量进行预测，核心假设有： 1. 搭载800V快充的车型基本为B级车以上，因此我们以B/C级车作为基数进行渗透率分析； 2. 21年国内B/C级车的占比约30%，2022年1-5月占比约29%，因此我们假设B/C级车的占比保持30%稳定；3. 根据已上市搭载800V架构的车型预测，22年800V快充车型的销量约5万辆（其中极氪001预测销量约4.0万 辆），渗透率达3%，我们预测到25年渗透率达到30%。

03. 大功率快充带来的负面效应

热效应

在增大充电桩电压和车载高压系统的同时，我们需要考虑的是，电池是否具备了承受高功率输入的能力？根据 《Lithium-ion battery fast charging: A review》，当电池进行大功率充电时，会发生三类负面效应：热效应、锂 析出效应、机械效应。 热效应：高电压只是针对充电桩而言减小了电流，但对于单体电芯而言，电芯仍要承受电流增大带来的发热问题。 在快充条件下，电池内外部的温度差超过10摄氏度，不均匀的热分布以及过高的温度将引发一系列问题：粘结剂解 体、电解液分解、SEI钝化膜的损耗以及锂枝晶等。直接导致的危害有： 1.电池循环寿命降低、2.热失控引发的安全 问题。 因此，热效应对电池材料体系以及BMS管控系统提出了更高的要求。

锂析出效应

锂析出概念：锂离子电池运作的本质就是锂离子在正负极之间的脱嵌运动，然而在高充电倍率下，嵌锂的过程是 不均匀的，锂离子会因无法及时嵌入负极石墨层而选择在负极表面沉积，形成锂金属。当锂金属不断沉积，就会 形成我们经常听到的锂枝晶。 根据SEM图可以看到，随着充电倍率的增加，负极表面沉积的锂枝晶数量越多。锂枝晶的危害： 1.负极表面锂枝晶的持续生长，可能会刺破隔膜，造成电池内部短路从而导致热失控； 2.锂枝晶在生长过程中会不断消耗活性锂离子，并不可逆转，导致电池容量降低，降低电池使用寿命；

机械效应

机械效应：在快充条件下，锂离子快速的从正极脱出，并嵌入负极，这会造成电池内部极高的锂离子浓度，其结果 是活性颗粒之间的应力错配。当应力累计到一定值时，会造成活性颗粒、导电剂、粘结剂以及集流体之间的缝隙增 大，并造成活性颗粒的微裂纹增加。 直接影响： 1.活性颗粒之间缝隙的增加会显著增加电池的内阻；2.颗粒微裂纹会降低了电池的循环寿命。（报告来源：未来智库）

04.高压快充带来的材料体系升级

负极：提升倍率性的三条路线

第一条路线：二次造粒

造粒的工艺步骤是在一定温度和压强下，将物料置入球磨机中进行球磨，并筛分。一次造粒的目的是减小负极颗粒 体积，二次造粒的目的是将小颗粒粘结形成大颗粒。对于倍率性而言，负极颗粒越小，颗粒的比表面积就越大，锂离子迁移的通道就会增加，路径变短，更利于锂离子 的运动；而对于容量而言，负极颗粒越大，压实密度越高，活性颗粒的空间利用率增大，更有利于储锂。因此，通过造粒制备的二次颗粒可兼顾大小颗粒的优点。

第二条路线：碳化（表面碳包覆）

碳化就是将碳源（沥青）通过热分解等方法涂覆在石墨颗粒的表面，形成一种具有核-壳复合结构的碳材料。碳化的意义： 1.由于无定形碳的碳层之间是无序排列的，结构各向同性的，且碳层间距较石墨层间距更大，因此锂离子可以自由的 在碳层间移动； 2.无定形碳层表面孔隙较高，并有许多通道，可以为锂离子嵌入石墨层起到引导作用。 3.无定形碳与电解液的相容性更好，可以有效防止大分子有机溶剂的共嵌入，抑制石墨层的剥落。

第三路线：硅碳负极

1.在快充过程中，石墨负极的对锂电位约为0V，因此容易产生锂析出效应，然而硅的嵌锂平台更高，对锂电位约为 0.5V，表面析锂的可能性较小，因此安全性要优于石墨负极； 2.硅材料的理论容量可达4200 mAh/g，远高于于碳材料的372 mAh/g，储锂性能更优。因此在石墨材料中掺硅可有效提升电池的倍率性能。

高倍率负极空间测算：25年全球需求21万吨，三年CAGR接近2倍

我们对高倍率负极的空间进行预测，核心假设有：1. 搭载800V架构的B/C级车单车带电量较大，我们以Model Y为例，单车带电量为60-78.4 KWh，我们取均值 69.2 KWh，并逐年增加；2. 根据GGII，2021年石墨负极的单耗为1300吨/GWh；根据我们测算，25年国内高倍率负极的需求达9.8万吨，三年CAGR达278.6%；全球高倍率负极的需求达21万 吨，三年CAGR达296.9%。

碳纳米管：加速锂离子转移，提升电导率

碳纳米管CNT具有优异的导电性，可通过极高的长径比搭建三维导电网络，提升活性材料的导电率，相比传统导电 剂炭黑，导电效率提升更明显，添加量更少，并且在石墨负极和硅碳负极中，CNT还有不同的效果。在石墨负极材料中：石墨层间隙是锂离子脱嵌的主要通道，而碳纳米管的作用就像是房子中的顶梁柱，可以将石墨 片层物理分离，防止石墨层堆叠，有利于锂离子的扩散。 在硅碳负极中：碳纳米管的作用不仅是提升电导率，更重要的是碳纳米管高的机械强度可以提高硅碳负极的结构稳 定性，防止因体积膨胀收缩导致的颗粒粉碎。

电解液：新型锂盐更适配快充体系

快充条件下，对电解液的离子电导率以及热稳定性有了更高的要求。 LiFSI的氟离子具有很强的吸电子性，锂离子活性较强，相较传统锂盐六氟磷酸锂，拥有更高的分解温度（高于200 度），更强的电导率，化学稳定性和热稳定性，因此更适配快充下锂离子的快速移动以及热效应问题。

05.高压快充带来的零部件升级

电机：扁线 油冷，以提高电机功率密度和效率

传统400V架构下，永磁电机在大电流以及高转速的情况下易发热退磁，整体电机功率难以提升，这为800V架构提供了切入 契机，可实现相同电流强度的条件下提升电机功率。800V架构下，电机面临两大要求：轴承防腐蚀和增强绝缘性能。

技术路线趋势：1）电机绕组工艺路线：扁线化。扁线电机指的是采用扁平铜包线绕组定子的电机（特指永磁同步电机）， 和圆线电机相比，扁线电机具有小尺寸、高槽满率、高功率密度、良好的NVH性能以及更好的热传导和散热性能等优势，可 更好顺应在高电压平台下对轻量化、高功率密度等性能追求，同时可缓解当轴电压较高时击穿油膜形成轴电流导致的轴承腐 蚀问题。2）电机冷却技术趋势：油冷。油冷解决水冷技术的劣势，降低电机体积，提高功率。油冷的优势在于油品具有不 导电、不导磁，具有更好的绝缘性能，可以直接接触电机内部组件。相同工况下，油冷电机的内部各温度比水冷电机的内部 温度要低约15%，便于电机散热。

电控： SiC替代方案，展露性能优势

提升效率，降低功耗，缩减体积。随着电池800V高电压工作平台的推进，对电驱电控相关零部件提出了更高要求。

据弗迪动力相关数据，碳化硅器件在电机控制器产品的应用有以下优势：1）可提升电控系统中低负载的效率，使整车续航 里程增长5-10%；2）提升控制器功率密度，由Si控制器18kw/L提升至45kw/L，有助于小型化；3）占比85%的高效区效率 提高6%，中低负载区效率提高10%；4）碳化硅电控样机体积缩减40%，可切实提升空间利用率，助力小型化发展趋势。

车载电源： SiC器件应用，助力800V发展

提升产品性能方面：相较于传统硅MOS管，碳化硅MOS管拥有导通电阻小、更高耐压、高频特性好、耐高温以及极小结电 容等优良特性。与配备Si基器件的车载电源产品（OBC）相比，可提升开关频率，减少体积，缩减重量，提升功率密度，增 加效率等。如：开关频率提升了4-5倍；体积缩减2倍左右；重量减少2倍；功率密度从2.1提升至3.3kw/L;效率提升3% 。 SiC器件应用，可助力车载电源产品顺应高功率密度、高转换效率以及轻量化小型化等趋势，更能适配快充需求和800V平台 发展。SiC功率器件应用在 DC/DC也可带来器件的耐高压、低损耗和轻量化。

创造市场增量方面：为能够适配原有传统的400V直流快充桩，搭载800V电压平台的车端须额外配备DC/DC转换器，将 400V升压至800V，以进行动力电池的直流快充，这进一步提升了DC/DC器件的需求。与此同时，高压平台也促使了车载充 电机的升级，为高压OBC带来了新增量。

报告节选：

（本文仅供参考，不代表我们的任何投资建议。如需使用相关信息，请参阅报告原文。）

精选报告来源：【未来智库】。未来智库 - 官方网站

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