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：

电动汽车快充系统工作原理（电动汽车行业专题报告）(1)