新能源汽车充电系统趋势研究
一、新能源车快充介绍
1.1、快充有望成为新能源车补能的重要模式
新能源车的补能模式主要包括换电和充电。换电模式是在换电站将新能源车电池进行更换，目前典型代表车企是蔚来，对于车型类型较少、电池系统规格较为单一的主机厂，换电模式具备一定应用前景；二是充电模式，分别有家用桩常见的交流慢充模式以及公共桩的直流快充模式，而快充模式又分两条路线，一个是以特斯拉为代表的大电流快充，另一个是以比亚迪等为代表的高压快充路线。快充模式正处在快速升级和演进过程中，充电倍率正在由2C向4C提升，充电时长正在从30分钟缩短为15分钟，多数主机厂在积极布局快充技术，发展前景较为广阔。
大电流快充可支持200kW级快充，充电10分钟可续航200-300km。根据国家推荐标准电动汽车传导充电系统，搭载400V电压平台时，100kW级功率充电10min大约补充16.7kWh的电量，对应续航约100km（假设百公里耗电量13kWh）。当充电电流提升至500A以上时，充电功率可以达到200kW级，充电10min补充电量约33kWh，对应续航约200-300km（假设百公里耗电量13kWh），有效提高充电效率，缓解充电焦虑。
高电压快充可实现400kW级超充，充电5分钟可续航200-300km，同时高压架构有利于降低热损耗和减轻整车重量。实现400kW级充电则须将电动车从400V升级至800V级高电压平台，当电流为500A时即能够将充电功率提升至400kW，实现
充电5min，续航200-300km。采用800V高压架构除了能够提高充电功率，在整车电机输出功率不变的情况下，能够显著减小电流，从而有效降低热损耗；大幅降低的电流带来车内线束线径的减小，有利于车内空间布局的优化，同时减轻整车重量、提升续航里程。
ChaoJi快充标准加速落地，推动快充发展。国家电网创立并统一国内充电设施和充电接口的ChaoJi充电标准，并在2021年9月宣布加速落地。立项标准预计2021年底完成，并开启试点示范，预计2025年普遍安装。在2015年时充电桩标准支持的最高充电电压为950V，充电电流为250A；而Chaoji快充标准可支持350kW-900KW大功率充电，充电电压1000-1500V，充电电流500-600A，10分钟增加续航300公里以上。
ChaoJi快充标准兼容性强，有望成为重要的电动汽车接口和系统标准。ChaoJi充电能够向前兼容中国、日本、美国、欧洲的GB/T、CHAdeMO、CCS1、CCS2老标准，向后兼容具有可扩展性，也可以支持慢充，目前已被日本和IEC采纳了ChaoJi方案，如果能得到欧洲认可就会成为重要的电动汽车接口和系统标准之一。
1.2、大功率快充引领高压架构变革
全栈高压架构由于其能量转换效率高的优势有望成为主流。大电流快充技术会导致电气系统发热加剧，对散热的要求很高，使得当前高压快充成为行业的多数选择。目前预计能实现大功率快充的高压系统架构共有全栈高压架构、多电压架构、全栈低压架构三类。
全栈高压架构：电池包、电机以及充电接口均达到800V，车中只有800V和12V 两种电压级别的器件，OBC、空调压缩机、DC/DC以及PTC均重新适配以满足800V 高电压平台。
多电压架构：整车搭载一个800V电池组，通过在电池组和其他高压部件之间增加DCDC转换器将800V电压降至400V，车上其他高压部件均采用400V电压平台。
全栈低压架构：1）采用两个400V的电池组，通过高压配电盒的设计进行组合使用。大功率快充时，两个电池组可串联成800V平台；在汽车运行时，两个电池组并联成400V平台。2）采用单个400V的电池，充电接口与电池之间通过DC/DC降压。
二、快充桩市场规模有望超千亿，高电压、大功率、液冷是重要趋势
2.1、快充需求量快速增长，2025年快充桩市场规模有望超千亿
充电桩属于电动车的重要基础设施。随着新能源车保有量的不断增加，充电桩需求也会不断提高。按照安装条件分类，充电桩可分为立式充电桩和壁挂充电桩；按照安装地点分类，可分为室内充电桩和室外充电桩；按充电接口分类，可分为一桩一充和一桩多充；按充电类型分类，可分为交流充电桩和直流充电桩。直流充电桩是未来行业的重要发展方向。交流充电桩输出单相/三相交流电，通过车载充电机转换成直流电给电池充电，功率较小，充电速度较慢。而直流充电桩直接输出直流电给电池充电，功率较大，充电速度较快，是未来行业的重要发展方向。
充电桩建设有望持续快速增长。截止2021年底中国新能源车保有量约798万辆，车桩比约3：1。今年以来充电桩建设加速，车桩比下降，目前约2.7:1，车桩比仍较高。未来三年新能源车销量有望继续维持高速增长态势，叠加车桩比存在进一步下降的潜力，预计充电桩的建设有望持续爆发式增长。
2025年全国新增快充桩需求量有望超过290万根，快充桩市场规模在2025年或将超过1450亿元。国内电动车销量持续超预期，而国内目前车桩比约2.7:1，尤其是上海、深圳等新能源汽车保有量较大的地区经常出现充电排队的现象，充电桩数量明显不足。政府有望对充电桩领域开展新的刺激政策，预计2021-2025年中国新能源汽车销量CAGR在36%左右。同时，预计2025年车桩比可达1.5:1。此外，我们假设目前快充桩的渗透率为20%，至2025年提升至41%，快充桩平均价格为4万元/根，随充电桩的功率不断提升，超充的渗透率不断提升，预计到
2025年快充桩的平均价格有望达到5.1万元。预计2025年全国充电桩保有量有望超过2000万根，全国新增快充桩需求量有望超过290万根，对应快充桩市场空间有望超过1450亿元。
2.2、充电模块价值量占比大、壁垒高、市场规模增长迅速
充电桩的零部件主要包括：充电模块、交流配电单元、监控单元、防雷单元、熔断器、继电器，外部结构包括充电、高压绝缘检测板、显示屏等。其中充电模块是充电桩的核心，模块的性能直接决定了充电桩的输出能力。
充电模块在整个充电桩的成本中占比最高，约为40%。充电模块又称功率模块，在模块内部进行交直流转换、直流放大隔离等工作，决定了充电桩的性能和效率，是充电桩行业具有较高技术门槛的核心产品，目前其重要技术只掌握在行业少数企业手中。充电模块内部结构复杂，内含元器件众多，是影响充电桩性能的重要部件，成本占充电桩建设总成本的40%左右。
充电模块核心技术壁垒在于模块内部拓扑结构的设计水平和集成化能力。充电模块的关键元器件在于MOS管开关，当充电模块工作时，三相交流电源经过整流滤波后，变成直流输入电压供给DC/DC变换电路。控制器通过驱动电路作用于功率开关MOS管，使整流滤波后的直流电压转换成交流电压，这时的交流电压是脉宽调制的。交流电压经高频变压器的变压隔离，再次经整流滤波得到直流脉冲，进而对电池组充电。单个充电模块涵盖1000多个核心原件，同时其拓扑结构的设计直接决定效率和性能，具备较高
技术门槛。
快充/超充桩要求更大功率的充电模块，推动充电模块技术门槛进一步提高。充电桩的快充能力主要是通过高压化来实现大功率的电能输出，这对充电模块的质量和数量都提出了更高的要求。随着功率等级的提升，充电模块的内部结构设计难度和内部原件集成化难度也随之提高，在保证充电模块能够适配高电压平台的同时也要保证其安全性和可靠性，对充电模块厂家提出了新的要求，进一步提高了充电模块的技术门槛。
快充充电模块2025年市场空间有望超过500亿元。当前充电模块的成本占比约为40%，随着技术进步和产业规模带来的降本，预计到2025年充电模块成本占比约为35%。随着快充桩广泛快速建设的拉动，预计到2025年快充充电模块市场空间有望超过500亿元。
2.3、充电模块向大功率化、标准化发展
2.3.1、充电模块大功率化已成为发展趋势
随着快充需求的不断增大，充电模块的功率等级也随之不断提高。随着新能源车的发展，车载平台电压等级不断提高，续航里程不断延长，车主对充电速度的需求也在上升。充电桩正处于从过去以交流慢充为主转变为未来以直流快充为主的发展路径上，充电模块的功率等级不断提升。目前中国市场主流充电
模块已经发展了三代，从一开始2016年以前的7.5kW到目前普遍的第二代15/20kW，2020年开始普及的第三代30/40kW模块目前正在逐渐成为市场主流。
上海新能源汽车充电桩体积空间有限，充电模块功率密度提高是必然趋势。提高充电桩的输出功率主要方式就是提高模块的总功率，一般途径有两个：一是增加模块的数量，二是提高模块的功率密度。充电桩的体积是有限的，随着快充技术的不断发展，单纯的增加模块数量已经不能满足功率提升的要求，模块功率密度的提升是必然趋势。相同的模块尺寸下，功率密度越大，模块总的输出功率就越大。
目前中国头部模块厂商的功率密度已达到较高水平，超过第三代45W/in3的标准。国内厂商在模块功率密度提升方面做了很多尝试，从不同厂商的30KW模块目前达到的最高功率密度看，华为电源模块的功率密度遥遥领先，达到
58.6W/in3，目前优优绿能的20/30KW充电模块功率密度接近45W/in3，较2017年的32.8W/in3（15kW）提升了37%。
模块的功率提升必须考虑快充的功率提升和充电桩规格多样化的需求。主要原因是不同系统功率，不同充电功率分配需求的充电桩，需要不同的最合适功率颗
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