萬億充電樁市場，半導體廠商如何入局？
發布時間：2021-11-10 12:01
發布者：eechina
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近年來，電動化、網聯化、智能化、共享化等汽車新四化已經成為汽車產業的發展趨勢。經過十多年的規劃和培育，中國新能源汽車產業具備了一定的規模優勢，更是在汽車新"四化"中搶得了先機。 來自工信部網站的數據：2020年1－12月，國內乘用車產銷分別完成1999.4萬輛和2,017.8萬輛，同比分別下降6.5%和6%。不過，新能源汽車卻走出了不一樣的行情。1－12月，國內新能源汽車產銷分別完成136.6萬輛和136.7萬輛，同比分別增長7.5%和10.9%。 根據國家產業政策和發展規劃，接下來，新能源汽車的市占率還將進一步擴大。工信部發布的《新能源汽車產業發展規劃（2021-2035年）》顯示，到2025年，國內新能源汽車新車銷售量將達到汽車新車銷售總量的20%左右。到2035年，純電動汽車將成為新銷售車輛的主流。 
圖1：2017－2020年月度新能源汽車銷量及同比變化情況（圖源：工信部網站） 充電樁：新能源汽車發展的短板 “新基建”是發力于科技端的基礎設施建設，主要圍繞5G基建、特高壓、城際高速鐵路和城市軌道交通、新能源汽車充電樁、大數據中心、人工智能、工業互聯網等七大領域展開。 近年來，新能源汽車作為一項戰略性新興產業獲得了快速發展。但作為新能源汽車的基礎設施，充電樁的建設速度卻沒有與之同步。充電樁之所以能夠入選國家"新基建"序列，主要是因為它已經成為制約中國新能源汽車發展的重要短板。截止到2020年1月底，中國已建成公共充電樁53.1萬臺，私人充電樁71.2萬臺。其實，充電樁發展初期，公共充電樁主要面向出租車、網約車和物流車等服務型車輛，隨著新能源汽車個人購買量的增加，私人充電樁的建設明顯趕不上不斷增長的市場需求。 未來十年：萬億元的市場規模 根據中國電動汽車充電基礎設施促進聯盟發布的數據，截至2019年12月底，全國充電基礎設施累計數量為121.9萬臺，其中，公共充電樁數量為51.6萬臺，私人充電樁數量為70.3萬臺。2020年1－2月，全國充電基礎設施增量為2.6萬臺，其中公共充電樁增加1.5萬臺，私人充電樁增加1.1萬臺。預計到2025年，投資規模將達到900億元。 充電樁的建設將進一步帶動與之相關的零部件產業的快速發展，包括充電運營管理、新能源汽車保有量等，預計2025年，帶動的相關投資額累計超2,700億元。
圖2：2015－2020年新能源汽車充電樁保有量情況（圖源：中國電動汽車充電基礎設施促進聯盟） 工信部發布的《新能源汽車產業發展規劃（2021-2035）》征求意見稿中提到，預計到2030年，我國新能源汽車保有量將達6,420萬輛。根據車樁比1∶1的建設目標，未來十年，我國充電樁建設存在6,300萬的缺口，預計將形成萬億元的充電樁基礎設施建設市場。 直流充電樁：技術優勢明顯、市場前景光明 從產業鏈來看，中國新能源汽車充電樁行業有三個環節，其中，位于產業鏈上游的是建設充電樁所需設備的制造商，產業鏈中游的參與者則是充電樁的運營商，產業鏈下游的參與者就是充電樁的最終用戶，包括新能源汽車整車企業和個人消費者。 從充電設備的類型來看，目前的充電基礎設施有交流充電樁、直流充電樁、交直流一體樁以及無線充電樁。其中，交流充電樁和直流充電樁是現階段市場中最主要的兩種類型，交直流一體樁的應用規模較小，無線充電雖然呼聲較高，但尚未形成產業化規模。
圖3：充電基礎設施分類（圖源：2020－2025中國充電基礎設施發展預期報告） 直流充電樁充電時間短，平均功率在100－120kW。根據市場統計數據，全球商用直流充電設備單樁均價在10－15萬元之間。不過，大功率直流充電樁的單樁價格要高出很多，均價達到60－70萬元。交流充電樁，也就是我們俗稱的"慢充樁"，均價約在5,000－20,000元之間。 充電樁的成本包括原材料成本、制造成本和人工成本。其中，原材料成本即充電樁硬件設備投入成本，約占充電樁總成本的90%。充電樁所需設備主要包括充電模塊、有源濾波設備、監控計費設備、電池維護設備等。此外，功率大、電壓高的直流充電樁還需額外安裝配電設備，如大型變壓器、高低壓保護設備等。 以直流充電樁為例，充電模塊是其核心設備，主要用于將交流電轉化成能為電池充電的直流電，這部分成本約占原材料成本的50%，有源濾波設備約占15%，監控計費設備和電池維護設備各占10%。 如果對充電樁硬件做進一步細分的話還可以看到，真正影響充電模塊性能的核心電子元器件是IGBT，該器件在充電過程中起到電力轉換與傳輸作用，在充電模塊中的成本占比達到20%以上。 半導體廠商入局，提供整體解決方案 在這場"新基建"的技術盛宴中，又怎能沒有半導體廠商的支持？當然，他們也絕不會缺席。 · ST直流快速充電站解決方案 STMicroelectronics（意法半導體）認為，雖然基于可再生能源和電池存儲技術（將充電站移出電網）的架構正在興起，但主流的解決方案依然是通過電網和變換器（功率范圍是120kW或以上，擁有一個三相輸入功率因數校正（PFC）和一個隔離的DC-DC轉換器供電。 ST在碳化硅（SiC）和硅功率MOSFET、二極管和保護器件 (TV)、絕緣柵極驅動器、以及高性能STM32微控制器上擁有很強的技術實力，由這些器件構成的充電樁解決方案，可幫助充電樁制造企業開發出高效的高功率密度直流快速充電站。
圖4：ST直流快速充電站解決方案方框圖（圖源：ST） · TI直流充電站解決方案 直流充電站設計需要專業知識才能實現如下特性：精確檢測和控制直接流向汽車電池的電源輸出；高功率密度以支持更快、更高功率的充電標準；高效的PFC和直流/直流轉換，以降低損耗；方便用戶與系統互動的HMI。 TI（德州儀器）提供的直流充電（樁）站參考設計主要圍繞上述技術要求展開，從而幫助充電樁制造企業快速打造更加智能且更加高效的電動汽車（EV）直流充電（樁）站。 無論是PFC級、直流/直流功率級設計，還是中央控制系統，每個子系統都是設計高效的直流充電站所需的正確組成要素，用戶可以直接采用整體的參考設計，亦可根據自己所需選取其中的一個子系統。
圖5：TI直流充電站解決方案主要子系統方框圖（圖源：TI官網） · Infineon直流充電解決方案 英飛凌（Infineon Technologies）將EV汽車直流充電樁的設計要求歸納為四點：一是增加輸出功率以縮短充電時間；二是在一組充電站尺寸內提高功率密度；三是通過增加負載來提高效率；四是降低功耗達到節約成本的目的。 Infineon的直流充電樁解決方案涵蓋了從千瓦到兆瓦的功率范圍，是一系列高效的半導體產品組合，包括優質的功率半導體、微控制器、柵極驅動器IC和安全身份驗證解決方案，可滿足EV電池的快速充電需求。
圖6：Infineon直流充電解決方案（圖源：貿澤電子） 結語 如今，120kW的直流充電樁可以在30分鐘內將EV電池的電量充至接近80%，隨著快速充電技術的改進，充電時間有望進一步縮短。與新能源汽車性比，雖然充電樁的硬件技術門檻要低很多。 但是，要設計一款成功的EV直流充電電源仍然極具挑戰性。從半導體廠商提供的充電樁解決方案來看，他們基本都給出了完整的參考設計，用戶也可以選取其中的一個子系統用于自己的設計中，這種靈活的設計思路，非常有利于充電樁制造企業將產品快速推向市場。 眾所周知，充電樁已被寫入政府工作報告和“十四五”規劃綱要，隨著國家對“新基建”任務的部署不斷加強，以及新能源汽車的高速發展，充電樁行業將步入高速發展階段。為有效解決各類應用場景下的新需求，充電樁技術亦將持續優化升級，在安全、低碳、經濟性和方便性等方面都將有極大改善。 來源：貿澤電子 作者：M |
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