万亿充电桩市场，半导体厂商如何入局？

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）

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。

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。

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。

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）

结语

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。


来源：贸泽电子
作者：M