图源:adobestock/petovarga

 

近年来,电动化、网联化、智能化、共享化等汽车新四化已经成为汽车产业的发展趋势。经过十多年的规划和培育,中国新能源汽车产业具备了一定的规模优势,更是在汽车新“四化”中抢得了先机。

 

来自工信部网站的数据:2020年1-12月,国内乘用车产销分别完成1999.4万辆和2,017.8万辆,同比分别下降6.5%和6%。不过,新能源汽车却走出了不一样的行情。1-12月,国内新能源汽车产销分别完成136.6万辆和136.7万辆,同比分别增长7.5%和10.9%。

根据国家产业政策和发展规划,接下来,新能源汽车的市占率还将进一步扩大。工信部发布的《新能源汽车产业发展规划(2021-2035年)》显示,到2025年,国内新能源汽车新车销售量将达到汽车新车销售总量的20%左右。到2035年,纯电动汽车将成为新销售车辆的主流。

图1:2017-2020年月度新能源汽车销量及同比变化情况

(图源:工信部网站)

 

01 充电桩:新能源汽车发展的短板

“新基建”是发力于科技端的基础设施建设,主要围绕5G基建、特高压、城际高速铁路和城市轨道交通、新能源汽车充电桩、大数据中心、人工智能、工业互联网等七大领域展开。

近年来,新能源汽车作为一项战略性新兴产业获得了快速发展。但作为新能源汽车的基础设施,充电桩的建设速度却没有与之同步。充电桩之所以能够入选国家“新基建”序列,主要是因为它已经成为制约中国新能源汽车发展的重要短板。截止到2020年1月底,中国已建成公共充电桩53.1万台,私人充电桩71.2万台。其实,充电桩发展初期,公共充电桩主要面向出租车、网约车和物流车等服务型车辆,随着新能源汽车个人购买量的增加,私人充电桩的建设明显赶不上不断增长的市场需求。

 

02 未来十年:万亿元的市场规模

根据中国电动汽车充电基础设施促进联盟发布的数据,截至2019年12月底,全国充电基础设施累计数量为121.9万台,其中,公共充电桩数量为51.6万台,私人充电桩数量为70.3万台。2020年1-2月,全国充电基础设施增量为2.6万台,其中公共充电桩增加1.5万台,私人充电桩增加1.1万台。预计到2025年,投资规模将达到900亿元。充电桩的建设将进一步带动与之相关的零部件产业的快速发展,包括充电运营管理、新能源汽车保有量等,预计2025年,带动的相关投资额累计超2,700亿元。

图2:2015-2020年新能源汽车充电桩保有量情况

(图源:中国电动汽车充电基础设施促进联盟)

 

工信部发布的《新能源汽车产业发展规划(2021-2035)》征求意见稿中提到,预计到2030年,我国新能源汽车保有量将达6,420万辆。根据车桩比1∶1的建设目标,未来十年,我国充电桩建设存在6,300万的缺口,预计将形成万亿元的充电桩基础设施建设市场。

 

03 直流充电桩:技术优势明显、市场前景光明

从产业链来看,中国新能源汽车充电桩行业有三个环节,其中,位于产业链上游的是建设充电桩所需设备的制造商,产业链中游的参与者则是充电桩的运营商,产业链下游的参与者就是充电桩的最终用户,包括新能源汽车整车企业和个人消费者。

从充电设备的类型来看,目前的充电基础设施有交流充电桩、直流充电桩、交直流一体桩以及无线充电桩。其中,交流充电桩和直流充电桩是现阶段市场中最主要的两种类型,交直流一体桩的应用规模较小,无线充电虽然呼声较高,但尚未形成产业化规模。

 

图3:充电基础设施分类

(图源:2020-2025中国充电基础设施发展预期报告)

直流充电桩充电时间短,平均功率在100-120kW。根据市场统计数据,全球商用直流充电设备单桩均价在10-15万元之间。不过,大功率直流充电桩的单桩价格要高出很多,均价达到60-70万元。交流充电桩,也就是我们俗称的“慢充桩”,均价约在5,000-20,000元之间。

充电桩的成本包括原材料成本、制造成本和人工成本。其中,原材料成本即充电桩硬件设备投入成本,约占充电桩总成本的90%。充电桩所需设备主要包括充电模块、有源滤波设备、监控计费设备、电池维护设备等。此外,功率大、电压高的直流充电桩还需额外安装配电设备,如大型变压器、高低压保护设备等。

 

以直流充电桩为例,充电模块是其核心设备,主要用于将交流电转化成能为电池充电的直流电,这部分成本约占原材料成本的50%,有源滤波设备约占15%,监控计费设备和电池维护设备各占10%。

如果对充电桩硬件做进一步细分的话还可以看到,真正影响充电模块性能的核心电子元器件是IGBT,该器件在充电过程中起到电力转换与传输作用,在充电模块中的成本占比达到20%以上。

 

04 半导体厂商入局,提供整体解决方案

在这场“新基建”的技术盛宴中,又怎能没有半导体厂商的支持?当然,他们也绝不会缺席。

ST直流快速充电站解决方案

STMicroelectronics(意法半导体)认为,虽然基于可再生能源和电池存储技术(将充电站移出电网)的架构正在兴起,但主流的解决方案依然是通过电网和变换器(功率范围是120kW或以上,拥有一个三相输入功率因数校正(PFC)和一个隔离的DC-DC转换器供电。

ST在碳化硅(SiC)和硅功率MOSFET、二极管和保护器件(TV)、绝缘栅极驱动器、以及高性能STM32微控制器上拥有很强的技术实力,由这些器件构成的充电桩解决方案,可帮助充电桩制造企业开发出高效的高功率密度直流快速充电站。

图4:ST直流快速充电站解决方案方框图
(图源:ST)

TI直流充电站解决方案

直流充电站设计需要专业知识才能实现如下特性:精确检测和控制直接流向汽车电池的电源输出;高功率密度以支持更快、更高功率的充电标准;高效的PFC和直流/直流转换,以降低损耗;方便用户与系统互动的HMI。

TI(德州仪器)提供的直流充电(桩)站参考设计主要围绕上述技术要求展开,从而帮助充电桩制造企业快速打造更加智能且更加高效的电动汽车(EV)直流充电(桩)站。

无论是PFC级、直流/直流功率级设计,还是中央控制系统,每个子系统都是设计高效的直流充电站所需的正确组成要素,用户可以直接采用整体的参考设计,亦可根据自己所需选取其中的一个子系统。

图5:TI直流充电站解决方案主要子系统方框图

(图源:TI官网)

Infineon直流充电解决方案

英飞凌(Infineon Technologies)将EV汽车直流充电桩的设计要求归纳为四点:一是增加输出功率以缩短充电时间;二是在一组充电站尺寸内提高功率密度;三是通过增加负载来提高效率;四是降低功耗达到节约成本的目的。

Infineon的直流充电桩解决方案涵盖了从千瓦到兆瓦的功率范围,是一系列高效的半导体产品组合,包括优质的功率半导体、微控制器、栅极驱动器IC和安全身份验证解决方案,可满足EV电池的快速充电需求。

图6:Infineon直流充电解决方案

(图源:贸泽电子)

如今,120kW的直流充电桩可以在30分钟内将EV电池的电量充至接近80%,随着快速充电技术的改进,充电时间有望进一步缩短。与新能源汽车性比,虽然充电桩的硬件技术门槛要低很多。但是,要设计一款成功的EV直流充电电源仍然极具挑战性。从半导体厂商提供的充电桩解决方案来看,他们基本都给出了完整的参考设计,用户也可以选取其中的一个子系统用于自己的设计中,这种灵活的设计思路,非常有利于充电桩制造企业将产品快速推向市场。
众所周知,充电桩已被写入政府工作报告和“十四五”规划纲要,随着国家对“新基建”任务的部署不断加强,以及新能源汽车的高速发展,充电桩行业将步入高速发展阶段。为有效解决各类应用场景下的新需求,充电桩技术亦将持续优化升级,在安全、低碳、经济性和方便性等方面都将有极大改善。

 

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