国君电新：快充驱动新能源车产业链“用电”改造

报告导读

快充实现新能源车有效补能缓解里程焦虑。我们认为，快充技术发展将驱动电芯材料、电池包、零部件、充电基础设施等全产业链技术更新，看好优先布局快充的龙头企业。

摘要

投资建议：我们认为，快充技术有望实现里程焦虑的有效缓解，推进新能源车市场空间进一步抬升，看好优先布局快充的龙头企业。推荐1）电池：宁德时代、亿纬锂能，受益标的：国轩高科、欣旺达；22）负极：贝特瑞、中科电气、璞泰来，受益标的：信德新材；3）导电剂：受益标的：天奈科技；4）涂布技术解决方案：受益标的：曼恩斯特；5）车载电源：受益标的：欣锐科技；6）水冷板：受益标的：银轮股份、华峰铝业；7）充电桩：盛弘股份。

快充技术高效补能，改善电车里程焦虑。近年来，随着新能源汽车智能化发展趋势成为主流，更丰富的座舱体验和智能驾驶功能都对动力电池提出了更长续航里程、更高能量密度的要求。虽然相较于传统的交流慢充，直流快充的技术要求及成本较高，但其在充电时间上具有显著优势，成为车企改善电动车里程焦虑和提升品质的重要方向。

快充技术是系统工程，推动“电器件”迭代换新。快充技术主要涉及微电池技术和宏电池技术，前者致力于研究电极材料、电解液以及电荷转移界面等电池内部生态；后者主要关注与充电桩、热管理、电池系统和充电协议。电芯的能量体系上，主要通过负极材料（造粒、包覆、表面功能化）、电解质（新型锂盐LiFSI）、导电剂（碳纳米管）、电极设计（降低电极厚度）等途径优化电芯材料，提高锂离子迁移速率以提升快充能力。电池的管控体系上，主要通过散热（液冷散热、多层液冷板）、车载电源（高电压化）、汽车零部件（第三代半导体材料）等途径升级配套车端零部件，适配快充性能。在基础设施上，主要通过建立快充站及优化电网（配建储能、虚拟电厂）应对快充需求。

国内头部企业全方位布局快充领域，加快快充产业化进程。2018年10月10日，保时捷发布其首款纯电动车Taycan，开启快充商业化探索。由于快充作为系统工程，需要全产业链协同配合，才能实现其产业化应用和发展，目前国内头部企业已从微电池技术到宏电池技术全面开发、协同布局。我们认为，快充技术有助于企业构建差异化竞争优势，同时，头部企业端的推进有望将快充产业化进程大大加快。

风险提示：新能源汽车销量不及预期，快充技术产业化速度不及预期。

1. 快充技术高效补能，改善电车里程焦虑

全球新能源汽车市场持续增长，市场空间广阔。根据EV Sales数据，2020-2022年期间，全球新能源汽车销量分别为324、677和1052万辆。2020年在经济增长放缓的大背景下，全球新能源汽车销量依然实现了逆势增长，同比增长42.7%。2022年，全球新能源汽车市场销量大幅上升至1052万辆，同比增长55.4%，渗透率达13.0%。

快充技术解决补能焦虑，推动新能源汽车发展更进一步。里程焦虑是电动车消费者主要担心的问题之一，之所以存在与电动汽车电池续航能力差、充电慢密不可分，也一定程度上限制了电动汽车的广泛应用。而随着新能源汽车智能化发展趋势成为主流，更丰富的座舱体验和智能驾驶功能都对动力电池提出了更长续航里程、更高能量密度的要求。目前来看，解决里程焦虑的两种途径分别是提升电池充电速率和提高电池能量密度。考虑到目前主流车型续航已经能满足消费者日常通勤需求，在关注油箱大小的同时，催生出产业界对补能方案的进一步探索。相较于传统的交流慢充补能，直流快充补能下充电桩内置功率转换模块，将交流电转换为直流电直接输入车内电池组，无需通过车载充电机进行转换，大幅度提升补能效率。

打造产品高端差异化，保时捷发布快充新能源车型。2018年10月10日，保时捷发布其首款纯电动车Taycan，宣称充电15分钟实现80%的电量，搭载800V电压平台，充电速度居于业内榜首。目前特斯拉、奥迪、起亚等海外车企和比亚迪、上汽、埃安、蔚来等国内车企相继推出了搭载快充技术的电动化平台方案。我们认为，当下新能源车行业竞争激烈，快充技术作为解决新能源车里程焦虑的差异化性能，成为车企引流消费者的一张名片，有望迎来大规模商业化导入。

2. 快充技术是系统工程，推动“电器件”迭代换新

快充技术的应用是系统工程，涉及新能源汽车多环节核心零部件的迭代。新能源汽车产业链囊括动力电池、电子电气部件、整车制造等多行业和多环节。为了实现快速充电，需要多个层面的开发和配合。快充技术主要涉及微电池技术和宏电池技术，微电池技术致力于研究电极材料、电解液以及电荷转移界面等电池内部生态；宏电池技术主要关注与充电桩、热管理、电池系统和充电协议。快充的逐步应用，将有望催生电池材料、电池包及相应的电动车电子电气架构和充电站的开发、快充期间电网负载平衡方面的产品迭代创新。

3.  能量体系-电芯：提高锂离子迁移速率以提升快充能力

锂离子和电子在电极和界面中的迁移速率很大程度上决定了快充能力。通过各种策略提高主体材料和界面中的锂离子的扩散速率和离子电导率被认为是提高快充能力的主要方法。

3.1 负极材料：造粒、包覆工艺提升快充性能

负极材料是限制快充的主要因素。在充电条件下，负极作为锂离子的接受体，需要具备快速接纳大量锂离子嵌入的能力。在快充过程中，负极材料依然存在一些技术瓶颈。第一，虽然石墨独特的层状结构可以实现锂离子的嵌入，但由于石墨层间距较小，造成锂离子的扩散阻力较大，扩散动力学不理想，从而无法达到理想的倍率性能。第二，锂离子嵌入石墨时较长的扩散路径会使得电池的倍率性能不理想。第三，在快速充电的情况下，较大的极化会使石墨的嵌锂电位无限接近于锂金属的沉积电位，从而出现表面析锂甚至产生锂枝晶，不仅会导致电池性能下降，甚至会造成内部短路或热失控。第四，石墨的片层结构之间由微弱的范德华力连接，因此结构不稳定。锂离子嵌入过程中伴随的溶剂分子共嵌入会导致石墨片层的剥离和脱落，进而影响电化学性能。

通过造粒、表面碳包覆、表面功能化等措施改善石墨负极性能，使其满足快充需求。对石墨材料，锂离子的传导速率主要受颗粒的大小、粒度分布、取向性、表面状态等因素的影响。通过造粒可以控制石墨的颗粒大小、粒径分布和形貌。小颗粒石墨材料之间存在凹孔，可以提高材料保液性能和降低材料的膨胀系数，缩短锂离子的扩散路径，降低锂离子的浓差极化，因此小颗粒有利于提高材料倍率性能。表面碳包覆是指以石墨材料为内核，在其表面包覆一层无定型碳材料，形成一种核壳结构。表层的无定型碳相当于形成一层缓冲层，可以有效吸附电解液，更有利于锂离子的扩散，降低锂离子在石墨表面的传递阻力，增加了锂离子的扩散通道，从而可以改善石墨材料的大电流充放电性能。另外，亦可以通过石墨材料的表面功能化，例如通过KOH在石墨表面刻蚀、氧、氮等元素掺杂来提高石墨的活性位点，来提高石墨材料的快充性能。

3.2 电解质：LiFSI满足快充更高的安全稳定性和导电能力

快充模式对电解液的热稳定性及导电性提出更高要求，新型锂盐LiFSI具备更优性能。电解液被称为电池的“血液”，充当连接正极和负极的桥梁，在电池内部发挥离子传导的功能。它不仅可以调节电极/电解质界面，还可以影响电池的性能，茹容量、内阻、倍率性能、工作温度和安全性能等。通常，锂离子在液态电解质中的扩散系数比固体电极中的扩散系数高几个数量级，溶剂化锂离子在电极/电解液界面的去溶剂化是决定电池快充能力的重要因素，因此增加电解液的离子电导率有利于降低锂离子的溶剂化和去溶剂化活化能，并实现快充。此外，电极/电解液界面的不稳定性是限制快充过程中电解液耗尽、可循环锂离子损失以及电极-电解液界面之间电荷转移的另一原因。目前电解液的主流锂盐LiPF6在高电压的情况下会出现严重的析锂反应，同时高电压带来的高温会严重影响LiPF6的化学性质，降低充电速度和电池使用寿命。要实现快充，必须要用更高性能的锂盐对LiPF6进行替代，LiFSI在电解液的热稳定性以及导电性等方面优势明显。国内部分电解液企业已具有LiFSI批量供应能力，并有望在需求驱动下加速应用。

3.3 导电剂：碳纳米管导电性能优异

碳纳米管具备更高导电率，更能满足快充要求。导电添加剂的作用是在活性物质之间、活性物质与集流体之间收集微电流，以减小电极的接触电阻、加速电子的移动速度。锂电池目前常用的导电剂主要包括炭黑类、导电石墨类、碳纤维、碳纳米管(CNT)以及石墨烯等。其中，炭黑类、导电石墨类和碳钎维属于传统的导电剂；碳纳米管和石墨烯属于新型导电剂材料。碳纳米管呈圆柱状，内部中空，具有良好的电子导电性。柱状结构能够与活性材料点对线接触，在电极活性材料中形成连续的导电网络，充当“导线”的作用，有利于提高电池容量、倍率性能、电池循环寿命、降低电池界面阻抗等。根据GGII数据，2022年中国动力电池市场仍以炭黑为主，以碳纳米管为代表的新型导电剂市场份额约24%。随着充电倍率的提升，更高导电率的导电材料将获得更多应用。

3.4 电极设计：降低电极厚度有利于提高快充能力

电极的面密度也能对电池的快充性能产生重要的影响作用，降低电极厚度有利于快充能力的提高。基于目前的电池技术，功率型和能量型电池之间的主要区别在于正极和负极的厚度。当前为提高电池的能量密度，往往采用的是较厚的电极。然而在充电过快的情况下，锂离子不能到达电极活性材料的所有的储存位点，因此需要改进电极制造工艺，采用小颗粒活性物质进行涂薄，从而提升电池的快充性能。

4.  管控体系-电池包+零部件：全面升级适配快充性能

4.1 电池包：液冷符合快充模式下高散热要求

快充模式对电池系统的散热提出更高要求，液冷散热有望得到推广。电动车电池热管理系统通过冷却媒介把电池内部的热量传递到外界环境中，从而降低电池内部温度。目前主流散热系统有液冷散热和风冷散热。由于快充模式下新能源汽车电池中心区域的温度较高，其所需要的散热方式有望向液冷散热转变。

快充有望带来液冷板工艺改进和需求提升。液冷板是采用液体作为冷却介质的冷却板，其原理是在金属板材内加工形成流道，元件安装于板的表面，中间涂装导热介质，通过冷却液在板内流动带走元件所发出的热量，从而起到降温效果。2022年6月23日宁德时代发布能够满足4C快充技术CTP3.0麒麟电池。为保证在快充环境下电池的安全性能，麒麟电池创造性地将隔热垫、水冷板和横纵梁进行了三合一的集成，将传统设在底部的水冷功能件置于电芯之间，使得水冷板的散热从单面散热变为双面散热，将电池整体换热面积扩大了4倍。

4.2 车载电源系统：高电压化方案实现快充效果

车载系统高压化逐渐成为解决动力电池充电慢问题的核心方案。快充技术的核心在于提高整车充电功率，包括大电流及高电压两种方式。根据公式，功率(P)=电压(V)*电流(I)，实现大功率充电有两种方式：(1)加大充电电流，(2)提高充电电压。根据动力电池补能的充电功率（kW）=电压（V）*电流（A）。在现有常规400V充电电压下，若直接提升车载电源的充电功率，则需要提升充电电流，其优点在于，可以更好的兼容现有充电网络。然而大充电电流需要使用更粗更重的线束、散热管理难度大幅提升，整车的高压线束、PDU等部件需更换为通流能力大的产品，使得整车重量和成本增加。相较于常规400V充电系统，在同等功率的情况下，800V电压平台可以降低50%的电流，从而显著减少整车线束等零部件重量及成本和提升驱动效率。目前看，除特斯拉外，主流车企倾向于探索高电压方案实现快充效果。

为实现高电压充电，需要增加单体电池串联个数，对电芯的一致性提出了高要求。单体锂电池之间在容量、内阻、衰减等方面的有差异，因此在对串联的电池组充电时，电池组中容量最小的锂电池单体将最先充满电，而其他电池此时还没有充满电。若继续充电，则已充满电的单体锂电池就会被过充电。而锂电池过充电会严重损害电池的性能，甚至可能会导致爆炸造成人员伤害，因此，为了防止出现单体锂电池过充电，锂电池组使用时需要配有电池管理系统（简称BMS），通过电池管理系统对每一只单体锂电池进行过充电等保护。因此，使用高电压策略提高充电功率，为了监控更多的串联电池，BMS质量和成本会增加。

4.3 汽车零部件：高压快充驱动第三代半导体导入

高压平台下对电驱系统要求提高，SiC渗透率或将提升。在电驱系统方面，高压平台对其绝缘能力、耐压能级等提出更高要求，难点在于电机控制器的核心部件，即功率模块。目前主流车规级功率半导体Si基IGBT的耐压等级在600-750V，当电压超过800V时其存在损耗高、效率低的缺点。而宽禁带、耐高压、低损耗的SiC基MOSFET，能够满足相应要求，有望部分取代Si基IGBT在电控领域的应用。然而SiC功率器件价格居高不下，影响其广泛应用。特斯拉宣布在其第二代功率芯片平台中，将降低75%的SiC用量。未来高低端车型电控路线可能出现分化，硅基IGBT和SiC基MOSFET或将并驾齐驱。

高压平台下汽零全面换新。在空调压缩机、OBC、DC-DC等其他汽零部件方面，面向高电压平台的新产品也在开发中。OBC使用SiC功率器件具备性能优势和全生命周期降本优势。800V架构需要将功率器件额定电压从650V转变为1200V，对应OBC产品功率从3.3/6.6kW提升至11/22kW。Wolfspeed通过对比11kW纯SiC功率器件和Si/SiC功率器件混合的两种单向OBC拓扑结构后发现，全SiC拓扑结构的OBC功率密度提升约50%，OBC效率提升约2pct，全生命周期（系统成本节约+运营节约+二氧化碳节约）带来$435的成本节约。

5.  基础设施：加强基础设施配套，完善快充网络

5.1 充电桩：开发快充桩满足市场需求

为适应新能源汽车快充的需求，加强大功率充电基础设施建设是提升充电效率的重要路径。截止2023年6月，我国充电基础设施保有量达到665.2万台，新能源汽车保有量为1620万辆，车桩比为2.44:1。从增量角度看，2023年1-7月国内充电桩新增数量171.9万桩，同比增长约26.2%。2021年12月31日，国家标准化管理委员会正式下达《电动汽车传导充电用连接装置第1部分:通用要求》推荐性国家标准的修订计划，指出将进一步提高充电电流电压，优化完善控制导引电路、通信协议等功能，满足大功率充电技术发展和市场需求。

相较于新能源汽车高电压平台面临的三电系统全面升级，超级快充桩的开发会相对顺利。800V超级快充桩的内部结构与400V充电桩一致，仍是由充电模块、充电枪线、主控板及其他配件等构成，无须升级为分体机。超级快充桩的充电模块并不需要重新开发，但仍需导入SiC等第三代半导体，因此具有一定的开发难度。除此之外，充电枪、充电线接触器、熔丝等需要根据电压的改变而重新选型。当前星星充电、普天新能源、特来电等充电服务商，均具备400kW以上充电桩的技术储备。

5.2 电网：储能、虚拟电厂应对快充需求

大规模部署快充桩可能冲击配电网。当前新能源汽车的所需电量仍需从电网获得，因此大功率超级快充桩如何友好和经济地接入电网是新能源电车快充的重要问题。伴随新能源汽车快充功率提高，必须完善电网相关基础设施建设。截止2022年6月，全国电车用电量约占全社会用电量的千分之二。即使新能源汽车全面取代燃油车，用电量也是电网能够承受的。但新能源汽车快充对电网带来的最大问题是对配电网的冲击，尤其是800V超级快充桩的充电功率普遍在350kW以上，是目前主流充电桩的3-6倍。而当前大多数地区的配电网并未配备大功率变压器，因此大量部署超级快充桩会对局部配电网产生不利影响。

配建储能电站是减轻电网负担的重要方法。为快速充电桩配建储能电站可在用电低谷期储存电能，在用电高峰期可不借助电网，而直接用储能电站的电能给电动汽车充电。因此储能电站的存在可以减轻配电网的负担，超级快充也可一并实现。但储能电站的建设成本和运营成本高，需要充分做好调研规划和运营调度。

建立虚拟电厂是规范电能调度、满足充电需求的另一必要方法。当前新能源汽车充电多为无序充电，当车主将车连上充电桩时即开始充电，电能传输仅为单向传输。建立虚拟电厂的意义在于实现有规划的电能双向传输，在电车停放时即连接电网。当电网负荷低时向电动车充电，当电网负荷高时则有电动车向电网放电。这种规范调节的频率以秒为单位，每一辆新能源车均可称为电网的微型储能站，实现电能的规范调度，并且满足新能源汽车充电需求。

6.  国内头部企业全面布局快充领域

国内头部企业全方位布局快充领域，加快快充产业化进程。由于快充作为系统工程，需要全产业链协同配合，才能实现其产业化应用和发展，目前国内头部企业已从微电池技术到宏电池技术全面开发、协同布局。从快充技术涉及到的电池、负极、电解质、导电剂、电极制造、车载电源、热管理系统、充电桩、电网基础设施等各环节看，国内企业均有进行研发制造，我们认为，快充技术有助于企业构建差异化竞争优势，同时，头部企业端的推进有望将快充产业化进程大大加快。

7.  投资建议

我们认为，快充技术有望实现里程焦虑的有效缓解，推进新能源车市场空间进一步抬升。作为系统工程，快充技术涉及电池、负极、电解质、导电剂、电极制造、车载电源、热管理系统、充电桩、电网基础设施等各环节的协作搭配，看好布局快充技术研发生产的各环节龙头企业。推荐1）电池：宁德时代、亿纬锂能，受益标的：国轩高科、欣旺达；2）负极：贝特瑞、中科电气、璞泰来，受益标的：信德新材；3）导电剂：受益标的：天奈科技；4）涂布技术解决方案：受益标的：曼恩斯特；5）车载电源：受益标的：欣锐科技；6）水冷板：受益标的：银轮股份、华峰铝业；7）充电桩：盛弘股份。

8.风险提示

新能源汽车销量不及预期。新能源汽车作为消费品大类之一，需求受到国内外宏观经济和居民消费能力影响。如果未来国内外宏观经济增速放缓，新能源汽车市场需求持续低迷，将对快充行业产生不利影响。

快充技术产业化速度不及预期。快充核心技术具备一定难度，不论能量体系、管控体系还是技术设施均有推进难点，若某些环节进展较慢，则可能影响到快充行业的整体发展。

注：本文选自国泰君安证券于2023年8月16日发布的报告《快充驱动新能源车产业链“用电”改造——快充行业系列之一》，证券分析师：石岩 庞钧文 牟俊宇

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