國君電新：快充驅動新能源車產業鏈“用電”改造
報告導讀
快充實現新能源車有效補能緩解裏程焦慮。我們認爲，快充技術發展將驅動電芯材料、電池包、零部件、充電基礎設施等全產業鏈技術更新，看好優先布局快充的龍頭企業。
摘要
投資建議：我們認爲，快充技術有望實現裏程焦慮的有效緩解，推進新能源車市場空間進一步擡升，看好優先布局快充的龍頭企業。推薦1）電池：寧德時代、億緯鋰能，受益標的：國軒高科、欣旺達；22）負極：貝特瑞、中科電氣、璞泰來，受益標的：信德新材；3）導電劑：受益標的：天奈科技；4）塗布技術解決方案：受益標的：曼恩斯特；5）車載電源：受益標的：欣銳科技；6）水冷板：受益標的：銀輪股份、華峰鋁業；7）充電樁：盛弘股份。
快充技術高效補能，改善電車裏程焦慮。近年來，隨着新能源汽車智能化發展趨勢成爲主流，更豐富的座艙體驗和智能駕駛功能都對動力電池提出了更長續航裏程、更高能量密度的要求。雖然相較於傳統的交流慢充，直流快充的技術要求及成本較高，但其在充電時間上具有顯著優勢，成爲車企改善電動車裏程焦慮和提升品質的重要方向。
快充技術是系統工程，推動“電器件”迭代換新。快充技術主要涉及微電池技術和宏電池技術，前者致力於研究電極材料、電解液以及電荷轉移界面等電池內部生態；後者主要關注與充電樁、熱管理、電池系統和充電協議。電芯的能量體系上，主要通過負極材料（造粒、包覆、表面功能化）、電解質（新型鋰鹽LiFSI）、導電劑（碳納米管）、電極設計（降低電極厚度）等途徑優化電芯材料，提高鋰離子遷移速率以提升快充能力。電池的管控體系上，主要通過散熱（液冷散熱、多層液冷板）、車載電源（高電壓化）、汽車零部件（第三代半導體材料）等途徑升級配套車端零部件，適配快充性能。在基礎設施上，主要通過建立快充站及優化電網（配建儲能、虛擬電廠）應對快充需求。
國內頭部企業全方位布局快充領域，加快快充產業化進程。2018年10月10日，保時捷發布其首款純電動車Taycan，开啓快充商業化探索。由於快充作爲系統工程，需要全產業鏈協同配合，才能實現其產業化應用和發展，目前國內頭部企業已從微電池技術到宏電池技術全面开發、協同布局。我們認爲，快充技術有助於企業構建差異化競爭優勢，同時，頭部企業端的推進有望將快充產業化進程大大加快。
風險提示：新能源汽車銷量不及預期，快充技術產業化速度不及預期。
1. 快充技術高效補能，改善電車裏程焦慮
全球新能源汽車市場持續增長，市場空間廣闊。根據EV Sales數據，2020-2022年期間，全球新能源汽車銷量分別爲324、677和1052萬輛。2020年在經濟增長放緩的大背景下，全球新能源汽車銷量依然實現了逆勢增長，同比增長42.7%。2022年，全球新能源汽車市場銷量大幅上升至1052萬輛，同比增長55.4%，滲透率達13.0%。
快充技術解決補能焦慮，推動新能源汽車發展更進一步。裏程焦慮是電動車消費者主要擔心的問題之一，之所以存在與電動汽車電池續航能力差、充電慢密不可分，也一定程度上限制了電動汽車的廣泛應用。而隨着新能源汽車智能化發展趨勢成爲主流，更豐富的座艙體驗和智能駕駛功能都對動力電池提出了更長續航裏程、更高能量密度的要求。目前來看，解決裏程焦慮的兩種途徑分別是提升電池充電速率和提高電池能量密度。考慮到目前主流車型續航已經能滿足消費者日常通勤需求，在關注油箱大小的同時，催生出產業界對補能方案的進一步探索。相較於傳統的交流慢充補能，直流快充補能下充電樁內置功率轉換模塊，將交流電轉換爲直流電直接輸入車內電池組，無需通過車載充電機進行轉換，大幅度提升補能效率。
打造產品高端差異化，保時捷發布快充新能源車型。2018年10月10日，保時捷發布其首款純電動車Taycan，宣稱充電15分鐘實現80%的電量，搭載800V電壓平台，充電速度居於業內榜首。目前特斯拉、奧迪、起亞等海外車企和比亞迪、上汽、埃安、蔚來等國內車企相繼推出了搭載快充技術的電動化平台方案。我們認爲，當下新能源車行業競爭激烈，快充技術作爲解決新能源車裏程焦慮的差異化性能，成爲車企引流消費者的一張名片，有望迎來大規模商業化導入。
2. 快充技術是系統工程，推動“電器件”迭代換新
快充技術的應用是系統工程，涉及新能源汽車多環節核心零部件的迭代。新能源汽車產業鏈囊括動力電池、電子電氣部件、整車制造等多行業和多環節。爲了實現快速充電，需要多個層面的开發和配合。快充技術主要涉及微電池技術和宏電池技術，微電池技術致力於研究電極材料、電解液以及電荷轉移界面等電池內部生態；宏電池技術主要關注與充電樁、熱管理、電池系統和充電協議。快充的逐步應用，將有望催生電池材料、電池包及相應的電動車電子電氣架構和充電站的开發、快充期間電網負載平衡方面的產品迭代創新。
3. 能量體系-電芯：提高鋰離子遷移速率以提升快充能力
鋰離子和電子在電極和界面中的遷移速率很大程度上決定了快充能力。通過各種策略提高主體材料和界面中的鋰離子的擴散速率和離子電導率被認爲是提高快充能力的主要方法。
3.1 負極材料：造粒、包覆工藝提升快充性能
負極材料是限制快充的主要因素。在充電條件下，負極作爲鋰離子的接受體，需要具備快速接納大量鋰離子嵌入的能力。在快充過程中，負極材料依然存在一些技術瓶頸。第一，雖然石墨獨特的層狀結構可以實現鋰離子的嵌入，但由於石墨層間距較小，造成鋰離子的擴散阻力較大，擴散動力學不理想，從而無法達到理想的倍率性能。第二，鋰離子嵌入石墨時較長的擴散路徑會使得電池的倍率性能不理想。第三，在快速充電的情況下，較大的極化會使石墨的嵌鋰電位無限接近於鋰金屬的沉積電位，從而出現表面析鋰甚至產生鋰枝晶，不僅會導致電池性能下降，甚至會造成內部短路或熱失控。第四，石墨的片層結構之間由微弱的範德華力連接，因此結構不穩定。鋰離子嵌入過程中伴隨的溶劑分子共嵌入會導致石墨片層的剝離和脫落，進而影響電化學性能。
通過造粒、表面碳包覆、表面功能化等措施改善石墨負極性能，使其滿足快充需求。對石墨材料，鋰離子的傳導速率主要受顆粒的大小、粒度分布、取向性、表面狀態等因素的影響。通過造粒可以控制石墨的顆粒大小、粒徑分布和形貌。小顆粒石墨材料之間存在凹孔，可以提高材料保液性能和降低材料的膨脹系數，縮短鋰離子的擴散路徑，降低鋰離子的濃差極化，因此小顆粒有利於提高材料倍率性能。表面碳包覆是指以石墨材料爲內核，在其表面包覆一層無定型碳材料，形成一種核殼結構。表層的無定型碳相當於形成一層緩衝層，可以有效吸附電解液，更有利於鋰離子的擴散，降低鋰離子在石墨表面的傳遞阻力，增加了鋰離子的擴散通道，從而可以改善石墨材料的大電流充放電性能。另外，亦可以通過石墨材料的表面功能化，例如通過KOH在石墨表面刻蝕、氧、氮等元素摻雜來提高石墨的活性位點，來提高石墨材料的快充性能。
3.2 電解質：LiFSI滿足快充更高的安全穩定性和導電能力
快充模式對電解液的熱穩定性及導電性提出更高要求，新型鋰鹽LiFSI具備更優性能。電解液被稱爲電池的“血液”，充當連接正極和負極的橋梁，在電池內部發揮離子傳導的功能。它不僅可以調節電極/電解質界面，還可以影響電池的性能，茹容量、內阻、倍率性能、工作溫度和安全性能等。通常，鋰離子在液態電解質中的擴散系數比固體電極中的擴散系數高幾個數量級，溶劑化鋰離子在電極/電解液界面的去溶劑化是決定電池快充能力的重要因素，因此增加電解液的離子電導率有利於降低鋰離子的溶劑化和去溶劑化活化能，並實現快充。此外，電極/電解液界面的不穩定性是限制快充過程中電解液耗盡、可循環鋰離子損失以及電極-電解液界面之間電荷轉移的另一原因。目前電解液的主流鋰鹽LiPF6在高電壓的情況下會出現嚴重的析鋰反應，同時高電壓帶來的高溫會嚴重影響LiPF6的化學性質，降低充電速度和電池使用壽命。要實現快充，必須要用更高性能的鋰鹽對LiPF6進行替代，LiFSI在電解液的熱穩定性以及導電性等方面優勢明顯。國內部分電解液企業已具有LiFSI批量供應能力，並有望在需求驅動下加速應用。
3.3 導電劑：碳納米管導電性能優異
碳納米管具備更高導電率，更能滿足快充要求。導電添加劑的作用是在活性物質之間、活性物質與集流體之間收集微電流，以減小電極的接觸電阻、加速電子的移動速度。鋰電池目前常用的導電劑主要包括炭黑類、導電石墨類、碳纖維、碳納米管(CNT)以及石墨烯等。其中，炭黑類、導電石墨類和碳釺維屬於傳統的導電劑；碳納米管和石墨烯屬於新型導電劑材料。碳納米管呈圓柱狀，內部中空，具有良好的電子導電性。柱狀結構能夠與活性材料點對线接觸，在電極活性材料中形成連續的導電網絡，充當“導线”的作用，有利於提高電池容量、倍率性能、電池循環壽命、降低電池界面阻抗等。根據GGII數據，2022年中國動力電池市場仍以炭黑爲主，以碳納米管爲代表的新型導電劑市場份額約24%。隨着充電倍率的提升，更高導電率的導電材料將獲得更多應用。
3.4 電極設計：降低電極厚度有利於提高快充能力
電極的面密度也能對電池的快充性能產生重要的影響作用，降低電極厚度有利於快充能力的提高。基於目前的電池技術，功率型和能量型電池之間的主要區別在於正極和負極的厚度。當前爲提高電池的能量密度，往往採用的是較厚的電極。然而在充電過快的情況下，鋰離子不能到達電極活性材料的所有的儲存位點，因此需要改進電極制造工藝，採用小顆粒活性物質進行塗薄，從而提升電池的快充性能。
4. 管控體系-電池包+零部件：全面升級適配快充性能
4.1 電池包：液冷符合快充模式下高散熱要求
快充模式對電池系統的散熱提出更高要求，液冷散熱有望得到推廣。電動車電池熱管理系統通過冷卻媒介把電池內部的熱量傳遞到外界環境中，從而降低電池內部溫度。目前主流散熱系統有液冷散熱和風冷散熱。由於快充模式下新能源汽車電池中心區域的溫度較高，其所需要的散熱方式有望向液冷散熱轉變。
快充有望帶來液冷板工藝改進和需求提升。液冷板是採用液體作爲冷卻介質的冷卻板，其原理是在金屬板材內加工形成流道，元件安裝於板的表面，中間塗裝導熱介質，通過冷卻液在板內流動帶走元件所發出的熱量，從而起到降溫效果。2022年6月23日寧德時代發布能夠滿足4C快充技術CTP3.0麒麟電池。爲保證在快充環境下電池的安全性能，麒麟電池創造性地將隔熱墊、水冷板和橫縱梁進行了三合一的集成，將傳統設在底部的水冷功能件置於電芯之間，使得水冷板的散熱從單面散熱變爲雙面散熱，將電池整體換熱面積擴大了4倍。
4.2 車載電源系統：高電壓化方案實現快充效果
車載系統高壓化逐漸成爲解決動力電池充電慢問題的核心方案。快充技術的核心在於提高整車充電功率，包括大電流及高電壓兩種方式。根據公式，功率(P)=電壓(V)*電流(I)，實現大功率充電有兩種方式：(1)加大充電電流，(2)提高充電電壓。根據動力電池補能的充電功率（kW）=電壓（V）*電流（A）。在現有常規400V充電電壓下，若直接提升車載電源的充電功率，則需要提升充電電流，其優點在於，可以更好的兼容現有充電網絡。然而大充電電流需要使用更粗更重的线束、散熱管理難度大幅提升，整車的高壓线束、PDU等部件需更換爲通流能力大的產品，使得整車重量和成本增加。相較於常規400V充電系統，在同等功率的情況下，800V電壓平台可以降低50%的電流，從而顯著減少整車线束等零部件重量及成本和提升驅動效率。目前看，除特斯拉外，主流車企傾向於探索高電壓方案實現快充效果。
爲實現高電壓充電，需要增加單體電池串聯個數，對電芯的一致性提出了高要求。單體鋰電池之間在容量、內阻、衰減等方面的有差異，因此在對串聯的電池組充電時，電池組中容量最小的鋰電池單體將最先充滿電，而其他電池此時還沒有充滿電。若繼續充電，則已充滿電的單體鋰電池就會被過充電。而鋰電池過充電會嚴重損害電池的性能，甚至可能會導致爆炸造成人員傷害，因此，爲了防止出現單體鋰電池過充電，鋰電池組使用時需要配有電池管理系統（簡稱BMS），通過電池管理系統對每一只單體鋰電池進行過充電等保護。因此，使用高電壓策略提高充電功率，爲了監控更多的串聯電池，BMS質量和成本會增加。
4.3 汽車零部件：高壓快充驅動第三代半導體導入
高壓平台下對電驅系統要求提高，SiC滲透率或將提升。在電驅系統方面，高壓平台對其絕緣能力、耐壓能級等提出更高要求，難點在於電機控制器的核心部件，即功率模塊。目前主流車規級功率半導體Si基IGBT的耐壓等級在600-750V，當電壓超過800V時其存在損耗高、效率低的缺點。而寬禁帶、耐高壓、低損耗的SiC基MOSFET，能夠滿足相應要求，有望部分取代Si基IGBT在電控領域的應用。然而SiC功率器件價格居高不下，影響其廣泛應用。特斯拉宣布在其第二代功率芯片平台中，將降低75%的SiC用量。未來高低端車型電控路线可能出現分化，硅基IGBT和SiC基MOSFET或將並駕齊驅。
高壓平台下汽零全面換新。在空調壓縮機、OBC、DC-DC等其他汽零部件方面，面向高電壓平台的新產品也在开發中。OBC使用SiC功率器件具備性能優勢和全生命周期降本優勢。800V架構需要將功率器件額定電壓從650V轉變爲1200V，對應OBC產品功率從3.3/6.6kW提升至11/22kW。Wolfspeed通過對比11kW純SiC功率器件和Si/SiC功率器件混合的兩種單向OBC拓撲結構後發現，全SiC拓撲結構的OBC功率密度提升約50%，OBC效率提升約2pct，全生命周期（系統成本節約+運營節約+二氧化碳節約）帶來$435的成本節約。
5. 基礎設施：加強基礎設施配套，完善快充網絡
5.1 充電樁：开發快充樁滿足市場需求
爲適應新能源汽車快充的需求，加強大功率充電基礎設施建設是提升充電效率的重要路徑。截止2023年6月，我國充電基礎設施保有量達到665.2萬台，新能源汽車保有量爲1620萬輛，車樁比爲2.44:1。從增量角度看，2023年1-7月國內充電樁新增數量171.9萬樁，同比增長約26.2%。2021年12月31日，國家標准化管理委員會正式下達《電動汽車傳導充電用連接裝置第1部分:通用要求》推薦性國家標准的修訂計劃，指出將進一步提高充電電流電壓，優化完善控制導引電路、通信協議等功能，滿足大功率充電技術發展和市場需求。
相較於新能源汽車高電壓平台面臨的三電系統全面升級，超級快充樁的开發會相對順利。800V超級快充樁的內部結構與400V充電樁一致，仍是由充電模塊、充電槍线、主控板及其他配件等構成，無須升級爲分體機。超級快充樁的充電模塊並不需要重新开發，但仍需導入SiC等第三代半導體，因此具有一定的开發難度。除此之外，充電槍、充電线接觸器、熔絲等需要根據電壓的改變而重新選型。當前星星充電、普天新能源、特來電等充電服務商，均具備400kW以上充電樁的技術儲備。
5.2 電網：儲能、虛擬電廠應對快充需求
大規模部署快充樁可能衝擊配電網。當前新能源汽車的所需電量仍需從電網獲得，因此大功率超級快充樁如何友好和經濟地接入電網是新能源電車快充的重要問題。伴隨新能源汽車快充功率提高，必須完善電網相關基礎設施建設。截止2022年6月，全國電車用電量約佔全社會用電量的千分之二。即使新能源汽車全面取代燃油車，用電量也是電網能夠承受的。但新能源汽車快充對電網帶來的最大問題是對配電網的衝擊，尤其是800V超級快充樁的充電功率普遍在350kW以上，是目前主流充電樁的3-6倍。而當前大多數地區的配電網並未配備大功率變壓器，因此大量部署超級快充樁會對局部配電網產生不利影響。
配建儲能電站是減輕電網負擔的重要方法。爲快速充電樁配建儲能電站可在用電低谷期儲存電能，在用電高峰期可不借助電網，而直接用儲能電站的電能給電動汽車充電。因此儲能電站的存在可以減輕配電網的負擔，超級快充也可一並實現。但儲能電站的建設成本和運營成本高，需要充分做好調研規劃和運營調度。
建立虛擬電廠是規範電能調度、滿足充電需求的另一必要方法。當前新能源汽車充電多爲無序充電，當車主將車連上充電樁時即开始充電，電能傳輸僅爲單向傳輸。建立虛擬電廠的意義在於實現有規劃的電能雙向傳輸，在電車停放時即連接電網。當電網負荷低時向電動車充電，當電網負荷高時則有電動車向電網放電。這種規範調節的頻率以秒爲單位，每一輛新能源車均可稱爲電網的微型儲能站，實現電能的規範調度，並且滿足新能源汽車充電需求。
6. 國內頭部企業全面布局快充領域
國內頭部企業全方位布局快充領域，加快快充產業化進程。由於快充作爲系統工程，需要全產業鏈協同配合，才能實現其產業化應用和發展，目前國內頭部企業已從微電池技術到宏電池技術全面开發、協同布局。從快充技術涉及到的電池、負極、電解質、導電劑、電極制造、車載電源、熱管理系統、充電樁、電網基礎設施等各環節看，國內企業均有進行研發制造，我們認爲，快充技術有助於企業構建差異化競爭優勢，同時，頭部企業端的推進有望將快充產業化進程大大加快。
7. 投資建議
我們認爲，快充技術有望實現裏程焦慮的有效緩解，推進新能源車市場空間進一步擡升。作爲系統工程，快充技術涉及電池、負極、電解質、導電劑、電極制造、車載電源、熱管理系統、充電樁、電網基礎設施等各環節的協作搭配，看好布局快充技術研發生產的各環節龍頭企業。推薦1）電池：寧德時代、億緯鋰能，受益標的：國軒高科、欣旺達；2）負極：貝特瑞、中科電氣、璞泰來，受益標的：信德新材；3）導電劑：受益標的：天奈科技；4）塗布技術解決方案：受益標的：曼恩斯特；5）車載電源：受益標的：欣銳科技；6）水冷板：受益標的：銀輪股份、華峰鋁業；7）充電樁：盛弘股份。
8.風險提示
新能源汽車銷量不及預期。新能源汽車作爲消費品大類之一，需求受到國內外宏觀經濟和居民消費能力影響。如果未來國內外宏觀經濟增速放緩，新能源汽車市場需求持續低迷，將對快充行業產生不利影響。
快充技術產業化速度不及預期。快充核心技術具備一定難度，不論能量體系、管控體系還是技術設施均有推進難點，若某些環節進展較慢，則可能影響到快充行業的整體發展。
注：本文選自國泰君安證券於2023年8月16日發布的報告《快充驅動新能源車產業鏈“用電”改造——快充行業系列之一》，證券分析師：石巖 龐鈞文 牟俊宇
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