800V快充替换需求带动下上游核心零部件技术升级
德邦 思瀚    2024-08-02

1. 800V 高压平台存在多种方案

受产业链惯性影响，800V 充电桩以及 800V 车载高压部件等配套短期内还不完善，不足以支撑终极 800V 高压系统的快速推广，当下需要重点考虑两点：兼容 400V充电桩和 800V 充电桩应用；兼容某些 400V 车载部件应用。这就衍生出五种不同的 800V 高压系统下汽车系统架构设计方案。

第一种方案：车载部件全系 800V，电驱升压兼容 400V 直流桩方案。其典型特征是：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。

第二种方案：车载部件全系 800V，新增 DCDC 兼容 400V 直流桩方案。其典型特征是：直流快充、交流慢充、电驱动、动力电池、高压部件均为 800V；通过新增 400V-800V DCDC 升压，兼容 400V 直流充电桩。

第三种方案：车载部件全系 800V，动力电池灵活输出 400V 和 800V，兼容 400V直流桩方案。其典型特征是：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。

第四种方案：仅直流快充相关部件为 800V，其余部件维持 400V，新增 DCDC 部件进行电压转换器方案。其典型特征是：仅直流快充和动力电池为 800V；交流慢充、电驱动、高压部件均为 400V；新增 400V-800V DCDC，实现 400V 部件与800V 动力电池之间的电压转换，兼容 400V 直流充电桩。

第五种方案：仅直流快充相关部件为 800V，其余部件维持 400V，动力电池灵活输出 400V 和 800V 方案。其典型特征是：仅直流快充为 800V；交流慢充、电驱动、负载均为 400V；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 和 800V 直流充电桩。

以上五种 800V 高压系统架构方案在实际整车上都有一定适用性。联合电子认为，方案一 800V 高压系统架构方案即“车载部件全系 800V，电驱升压兼容 400V 直流桩方案”拥有综合优势，预测短期内能够快速推广。

2. 车载电源设计复杂化带动价值量提升

车载电源是新能源汽车核心零部件，负责对动力电池进行充电，或将其电能进行转化从而对整车进行供电的电源装置，主要包括车载充电机、车载 DC/ DC 变换器以及车载电源集成产品等。

车载充电机(OBC)：固定安装在新能源汽车上的充电机，主要应用于交流电充电方式的场景中。车载充电机依据电池管理系统(BMS)提供的数据，将单相交流电(220V)或三相交流电(380V)转换为动力电池可以使用的高压直流电，从而实现对新能源汽车动力电池的充电。

车载 DC/DC 变换器：将动力电池输出的高压直流电转换为低压直流电的电压转换器，为车载低压用电设备和低压蓄电池提供电能。车载电源集成产品：是指将车载充电机、车载 DC/DC 变换器等独立式车载电源产品进行综合性集成的车载电源系统产品，以实现降本、降重和降体积的集成化要求。

从价值上看，高压化产品价值量更高。随着产品的高压化，车载电源在原材料端的选择及设计层面更加复杂化，带动价值量提升。目前，车载电源电压平台提升至 800V 具有较高的技术门槛，主要体现为要达到高绝缘耐压、高转换效率及低开关电磁干扰等高难度技术要求。根据威迈斯招股说明书，基于整车配备交流充电装置是新能源汽车的行业惯例的情形考虑，按照车载电源集成产品 2,200 元/台测算，预计到 2030 年中国车载电源产品市场规模为 374亿元-418 亿元。而高压化带来的产品价值量提升有望进一步扩展市场规模。

3. 电驱系统“轻量化+降成本”驱动，“集成化”大势所趋

新能源汽车电驱系统产品主要包括电机控制器、驱动电机和减速器。其主要工作原理及功能是电机控制器基于整车控制指令和实时响应的软件算法，高频精确地控制电力电子元器件的开关动作，实现对驱动电机的控制，最终通过减速器中精密机械零部件实现对外传输动力。

随着新能源汽车市场快速发展，新能源汽车在汽车轻量化和优化空间布局等指标上要求越来越高，以实现在汽车动力性与降低能耗、乘坐舒适性与储物便利性等方面的提升，从而对上游相关核心零部件产品降本、降重和降体积的集成化发展提出了更高的要求。

目前，行业中车载电源、电驱系统已形成各自的集成产品，并实现了规模化的量产销售。在此基础上，行业厂商积极推出“电驱+电源”的电驱多合一总成产品。

其中，三合一及多合一产品渗透率不断攀升。根据 NE Times 统计，2023 年三合一及多合一电驱动系统出货量达545.4万套，同比+50.8%，占总配套量的65.5%，预计未来随集成化趋势加快，三合一及多合一电驱动系统渗透率有望继续提升。新能源汽车核心零部件的集成化能够在产品生产、整车制造以及售后、整车性能等多个方面带来较多明显的技术优势

根据威迈斯招股说明书，电驱系统产品是新能源汽车的核心零部件，按照电驱三合一总成产品 8,000 元/台测算，预计到 2030 年中国电驱系统产品市场规模为1,360 亿元-1,520 亿元。

4. 快充电池核心的材料升级：锂离子传输优化

锂离子电池由阳极、阴极、隔膜、电解质和两个集流体（正极和负极）组成。阳极和阴极储存锂，电解质通过隔膜将带正电的锂离子从阳极带到阴极，反之亦然。锂离子的运动在阳极中产生自由电子，从而在正集流体处产生电荷。然后，电流从集流体通过被供电的设备流向负集流体，而隔膜则阻挡了电池内部的电子流动。因此，锂电池也被称为“摇椅”式电池。

根据 Jing Xie 等发表的《A retrospective on lithium-ion batteries》一文中可知，影响这一过程的关键因素是 Li+传输，包括 Li+在电极材料内部的扩散、Li+在 EEI（电极/电解质界面）中的传输和 Li+在电解质中的传输。

对于电极材料来说，正负极活性材料中的 Li+扩散是主要限速步骤，Li+扩散受材料内部离子传输通道及材料颗粒的形态、形状和取向等因素影响，且相较正极而言负极受到这些参数的影响更大。对于电解质来说，传统电解液的氧化还原稳定性较差，在快速充电过程中会不断分解并导致形成厚的 EEI 层，从而导致 Li+通过 EEI 的传输动力学较慢。

同时，传统电解液中的溶剂化结构具有较高的去溶剂化势垒，阻碍了 Li+的扩散，降低了电化学效率。Li+的溶剂化结构和去溶剂化能力也会影响 EEI 的化学组成，从而影响 Li+扩散动力学。尤其是在寒冷气候下，低温限制了充电速率，这严重归因于液相中较低的扩散系数和固相中缓慢的界面动力学。

充放电过程中的电化学过程和电池本身的结构都会影响整个过程中离子和电子的电荷转移，这对快速充电性能有较大影响。因此，当下对快充锂离子电池的研究重点集中在如何显著提升 Li+在电解质和负极材料中的扩散动力学，来解决上述过程中遇到的负极镀锂、严重极化、材料利用率低、电解液及电极副反应等问题。

（1）石墨负极材料的快充性优化：二次造粒与炭化包覆技术的创新应用

石墨负极的快充性可通过二次造粒、炭化包覆、掺杂高比容的硅基材料、天然石墨，以及添加碳纳米管导电剂等方式，来平衡高倍率与负极高比容量性能，从而实现快充负极材料的打造。根据王纪威等著文《二次造粒石墨对锂离子电池性能的影响》，二次造粒工艺在将骨料粉碎获得小颗粒基材后,以沥青为黏结剂，根据目标粒径尺寸，在反应釜内进行二次造粒,经过后续石墨化等工艺，获得成品二次造粒负极材料。

对单颗粒负极进行二次造粒，可丰富 Li+在晶格内嵌脱的通道数量，进一步提升负极材料的倍率性能和低温性能。将煤沥青转化成针状焦和黏结剂沥青，最终制备成二次颗粒人造石墨负极材料，保留了一次颗粒负极材料高容量的优势，同时弥补了一次颗粒在倍率性能方面的不足，可实现煤沥青的高附加值利用。

取向度（OI）是材料（004）晶面峰强度 I(004)与（110）晶面峰强度 I(110)之比,可用于表示材料的取向性。OI 越小,材料的各向同性越好,越有利于 Li+在负极材料内部的扩散,因此该特性会直接影响负极的阻抗和高倍率充电等性能。

采用高温沥青在人造石墨的表面包覆一层无定形碳，可以显著改善人造石墨的表面缺陷，起到表面修复的作用。高温沥青包覆人造石墨后会形成核-壳结构，并没有改变人造石墨的结构和形貌。

人造石墨经过包覆后，首次容量、效率和循环性能均有提升。根据张晓波等著文《包覆处理对提高人造石墨负极材料性能的研究》，表面炭包覆后再进行氢气还原改善了针状焦的电化学性能。将人造石墨进行 ACM 包覆后再进行表面氢气还原处理得到的 NC@C-H900 首次库仑效率为 76.7%，比原先提高 2.2%，且倍率特性高达 91.72%，100 次循环后的容量保持率也升高到 99.67%，得到了更稳定的材料。

将人造石墨样品 TAG-0 分别和质量分数为 7.5%、10%、12.5%、15%、17.5%、20%的高温沥青混合，加入到小型包覆机中,升温至 300℃并维持 1h，降温至室温,再在碳化炉中惰性气氛保护下升温至 1200℃碳化 1h，降温。样品编号分别为 TAG1、TAG-2、TAG-3、TAG-4、TAG-5、TAG-6。

随着包覆量的增加，材料的循环性能有提升，这是因为在充放电过程中，包覆在人造石墨表面的热解碳层起到了缓冲作用，石墨结构不会因为充放电而反复膨胀收缩导致剥落，从而改善了其循环性能。

除了碳基负极，Si 也是常见的锂离子电池负极材料，Si 的理论比容量高达 4200mAh/g，是石墨类负极材料的 10 倍以上，高比容量的优点使其在不影响整体能量密度的情况下减小电极的厚度，从而有助于降低快速充电过程产生的 Li+浓度差和电压极化。同时 Si 还具有高安全性、储量丰富、成本低廉等优势，因此被认为是最具潜力的下一代锂离子电池负极材料。

然而充放电过程中巨大的体积变化在内部形成较大的应力，导致 Si 颗粒的裂纹和粉化。此外，Si 的低本征电导率也限制了对其进行优化。目前，胜华新材、璞泰来、杉杉股份、尚太科技、中科电气、贝特瑞、翔丰华等负极厂商已布局快充产品，多家厂商快充负极产品已实现量产。

（2）LiFSI 具有出色的性能，随着产能和添加比例的提升，其应用前景进一步拓展

在电芯的设计和开发过程中，电解液一直居于主要位置。目前存在很多通过优化电解液来改善电芯循环性能和安全性的方法，如电解液溶剂的优化选择、溶质盐浓度的改变、电解液添加剂的加入等。

电解液添加剂是近年来锂离子电池电解液领域研究的核心方向。通过少量添加剂的选择和配比，可以大大提高电解液的综合电化学性能。基于 LiPF6 的电解液凭借其良好的电导率被广泛应用，然而它的化学稳定性较差，容易分解产生副产物。

要提高快充性能，必须要防止负极在快充时发生镀锂，而良好的 SEI 可以快速传输 Li+，是防止发生镀锂的关键。根据刘欢等著文《电解液中 LiFSI 用量对磷酸铁锂电池性能的影响》，相比于 LiPF6，LiFSI（双氟磺酰亚胺锂）具有如下优点：热稳定性好，分解温度高于 200℃，能提高电池高温性能和安全性；电导率高，得益于 LiFSI 的阴离子半径更大，更易解离出锂离子；与正负极材料相容性好，可提高电池的高低温性能。

当前 LiFSI 成本高于 LiPF6，根据天赐材料 2023 年 4 月投资者关系活动记录表，公司认为长远来看，LiFSI 的市场售价将会不断与六氟磷酸锂拉近，随着公司大规模产线落地，LiFSI 的成本也将进一步降低。长期展望 LiFSI 在电解液的添加比例有望达到 3-5%。

更多行业研究分析请参考思瀚产业研究院官网，同时思瀚产业研究院亦提供行研报告、可研报告、产业规划、园区规划、商业计划书、专项调研、建筑设计、境外投资报告等相关咨询服务方案。