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新能源汽车充电桩行业研究:需求快速发展,大功率快充未来已来

电能配件 2023-1-19 12:29 Au: 新能源说

(报告出品方/作者:安信证券,马良,王哲宇)

1.充电桩是推动汽车电动化的根本设施,大功率快充有望加速发展

1.1.充电桩是保障电动汽车出行的根本设施,行业增速确定

充电桩是保障电动汽车用户出行的根本设施,是推动汽车电动化的最根本抓手。据充电同盟 数据,2022 年 12 月相比 2022 年 11 月全国新增 6.6 万台公共充电桩,同比增长 56.7%,截 至 2022 年 12 月,同盟内成员单元总计上报公共类充电桩 179.7 万台,2022 年 1 月-2022 年 12 月,月均新增公共类充电桩约 5.4 万台。按照电源输入能力分歧,充电桩可分为 3 种充电种别,别离适用于分歧的应用场景。今朝 2 级充电桩较为常见,由于充电时间较长,主要适用于家庭、工作场所、卖场、饭馆等“目标 地充电”场景,3 级充电设檀越要应用于交通忙碌、停留时间较短的地址。

按照电流输出方式分歧,充电桩又可分为交换充电桩和直流充电桩,两者均固定在电动汽车 外、与交换电网相连,主要区别在于 AC-DC 变流环节分歧。交换充电桩直接输出的交换电, 需要先经过车内 OBC 转换为直流电再向电池充电,充电速度较慢,俗称“慢充”,而直流充电 桩将 AC-DC 变流环节外置,输出的直流电可以直接向电池充电,而且可以通过量模块并联实 现极大的充电功率,充电速度较快,俗称“快充”。


新能源汽车充电桩行业研究:需求快速发展,大功率快充未来已来

1.2.充电桩往大功率快充偏向发展,技术难度不竭进步

交换充电桩本质是一个带控制的插座,主要包括交换电表、控制主板、显示屏、急停旋钮、 交换接触器、充电枪线等结构,结构较为简单,需要车载充机电自己进行变压整流,几近不 涉及功率器件。直流充电桩结构更加复杂,包括充电模块、主控制器、绝缘检测模块、通讯 模块、主继电器等部分,其中充电模块又称功率模块,焦点功能是将电网中的交换电转化为 可直接向电池充电的直流电,组成部分包括半导体功率器件、集成电路、磁性元件、PCB、电 容、机箱风扇等,是充电模块的关键组成部分。 据第一电动网数据,充电桩硬件设备组成中充电模块占比最高约 50%,其中功率器件占比约 30%,磁性元件(25%)、半导体 IC(10%)、电容(10%)、PCB(10%),其他如机箱风扇等占 15%。

以 15kW 电池充电器模块为例,今朝常见直流充电桩拓扑电路采用3相380VAC输入电压经 过两路3相 Vienna 功率因数校正(PFC)后获得 800V 直流电压,再经过两路全桥LLC DC/DC 电路后输出 250V-750V 直流电压供电动汽车使用,功率器件在PFC整流电路以及 LLC DC/DC 电路中均有应用,并在进步电路效率、优化电路结构等方面发挥重要作用。

1.3.直流快充需求旺盛,大功率充电面临蓝海市场

今朝交换充电桩仍占主流,但直流快充有望提速发展。由于直流充电桩面临更高的技术壁垒, 今朝公共类充电桩傍边交换充电桩仍为主流,占比约 60%,直流充电桩只占据约 40%市场份 额,但直流充电桩充电速度更快、充电时间更短,加倍匹配电动汽车用户姑且性、应急性的 充电需求,据中国充电同盟发布的《2021 中国电动汽车用户充电行为利剑皮书》,直流充电桩 已成为 99.3%用户的首选,因此直流充电桩面临较大的需求缺口,未来有望提速发展。


新能源汽车充电桩行业研究:需求快速发展,大功率快充未来已来

大功率充电桩可助力用户获得更贴近传统燃油车加油的充电体验。要解决电动汽车用户面临 的“充电焦虑”,除了提升充电桩结构密度,还要进一步缩短充电时间。今朝国内常见的普通 快充设备充电时间仍需要 40min 左右,而慢充则需要 8h 左右,与传统燃油车只需要 5min 即 可加油完毕的体验相差较远。相对于普通直流快充,大功率高压充电技术可帮助电动汽车实 现快速补能,助力用户获得更贴近传统燃油车加油的充电体验。今朝大功率直流充电技术受 到国际普遍关注,列国相继展开大功率充电技术的研究和标准制定,日标 CHAdeMO 及国标 GB/T 直流快充最大功率正在由 400kW/250kW 配合迈向 900kW,欧洲已经完成了 350kW 大功率 充电标准体系扶植,今朝正与美标一同向 460kW 发展。

进步充电速度的方式主要包括进步电流和进步电压两种。大电流模式轻易发生高热量损失, 能够实现的功率上限并不高,而且大电流下线束加粗也会增加整车本钱、下降使用便捷性, 因此采用高电压平台架构进步功率成为大大都厂商的选择。高电压技术的落地和推广,需要 电动汽车端、电池端、充电桩端三方联动,需要整个产业链上下游协同发展、配合扶植大功 率高压快充产业生态。

汽车端:今朝电动汽车架构由 400V 升至 800V 所需的电池包、电驱动、PTC、空调压缩机、车 载充机电等高压零部件供给链根本已较为完备,各龙头车企已争相入局抢占市场。2019 年 4 月保时捷 Taycan Turbo S 全球首发,成为业内首款采用 800V 高电压架构的车型,并将最大 充电功率提升到 350kW,可以在 22.5 分钟内把 Taycan Turbo S 容量 93.4kWh 的动力电池从5%充至 80%,提供 300 千米的续航能力。

2021 年 9 月,比亚迪发布 e 平台 3.0,有 800V 闪充 功能,实现充电 5 分钟续航 150 千米。吉利推出的极氪 001 具有 400V 和 800V 两种电压 架构,10%-80% SOC 充电时间仅需 30 分钟,充电 5 分钟续航可增加 120 千米。2021 年 11 月,小鹏汽车在 2021 广州车展展示的 G9 车型成为国内首款基于 800V 高压 SiC 平台的量 产车,充电 5 分钟最高可补充续航 200 千米,已于 2022 年 Q3 上市。理想汽车将同步研发 Whale 以及 Shark 平台 800V 高压架构车型,并配备 400kW 大功率充电桩,计划于 2023 年以 后每年至少推出两款高压纯电动汽车,实现充电 10 分钟续航 400 千米。

电池端:动力电池是新能源汽车的焦点零部件,对新能源汽车的本钱、续航里程、平安性发 挥重要影响。据电池中国,快充技术对于电池包的热治理系统性能以及电芯层面能量密度、充电速度和平安性的平衡都提出了更高的要求。今朝国内多家动力电池企业已在各方面取得 技术突破,结构高电压平台动力电池市场。


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蜂巢能源 2019 年发布自主研发的全球首款短刀 电池,能够实现 A0 级以上车型 500km 以上续驶里程,并实现 2-4C 快充性能,满足 800V 高 压电气架构高端车型应用,0-80%SOC 快充时间控制在 30min 以内。孚能科技自主研发的 800VTC 超充超压技术可实现整包充电等效 2.2C,10%-80%SOC 充电仅需 15min,兼容 400-800V 系统,成为国内首个可量产的 800V 高电压平台,公司也凭仗该技术获“2021 高工金球奖— —年度创新技术”奖项。宁德时代在超快充技术开辟方面同样走在前列,通过超电子网、快 离子环、各向同性石墨、超导电解液、高孔隙隔膜、多梯度极片、多极耳、阳极电位监控等 多种技术手段,可实现最快 5 分钟充至 80%电量。

充电桩端:将 DC500 系统升级到 DC950 系统后,只需变更充电枪线、直流熔丝、直流接触器 等配电器件,充电模块等焦点部件无需重新选型,因此充电桩逐步实现 1000V 以下的高压化 较为轻易。而当电压提升至 1000V 以上,直流充电桩的结构将发生较大改变,同时面临来自 技术、本钱等方面的一系列挑战。

在结构层面,今朝主流充电桩是一体机,而大功率充电需要把焦点控制模块和电路放在后端 设备,多个充电终端共用一套后端设备从而形成份体机。 在技术层面,今朝主流充电桩采用风冷散热模块,通太高转速风扇将空气由前面板吸入后在 模块尾部排出,带走机柜内的热量,实现降温效果,但空气中夹杂的灰尘、盐雾、水气等会 在散热进程中吸附在机柜内部、腐蚀焦点器件,致使系统充电效率下降、损耗设备寿命,同 时风冷散热模块运行时噪声超 70dB,也会给充电桩四周居民带来噪音干扰。

大功率充电桩对 于散热性能的要求更高,传统风冷技术难以满足其散热需求,液冷散热技术成为必定选择。 液冷技术则通过冷却液在密闭通道中循环,实现发热器件与散热器之间的热交换,采用大风 量低频风扇或水冷机散热,解决了传统散热方式下故障率高以及噪声污染两大痛点问题,同 时能够实现更高的转化效率。

在本钱层面,一方面涉及到 2015 年以前扶植的大量充电桩已不再满足当前大功率充电桩趋 势下的性能需要,老旧充电桩革新升级面临着来自设备更换、场地施工等各方面的本钱压力; 另一方面,在大型城市、富贵地段结构充电桩面临着较为明显的城市空间本钱,对于大功率 充电桩的体积提出更高要求。 大功率充电发展趋势有助于更高性能功率器件产物的导入。首先,今朝实现大功率充电的方 式主要依托于高压架构,因此需要应用击穿电压更高的功率器件;其次,充电桩运营商对于 本钱比力敏感,因此为下降运营本钱,充电桩需要应用转换效率更高、导通损耗更小的功率 器件;最后,为控制城市空间本钱、削减占地面积,要求充电桩功率密度更高,相同尺微暇下 可以设计更高功率的充电桩产物,应用更高性能的功率器件有助于简化电路结构,下降应用 本钱。


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1.4.国内厂家具有本钱上风,充电桩出海有望打开市场

1.4.1.海外新能源汽车渗透率快速上升,市场空间广漠

欧洲方面,近年来,陪伴着欧盟收紧减排政策以及列国政府相继推出政策优惠,新能源汽车 在欧洲发展迅速,发展远景可观。北美方面,美国的新能源汽车市场方兴日盛,按照 Marklines 的数据显示,2021 年美国的新能源汽车渗透率仅仅为 4.4%,显示出庞大的增长潜力,预计在 2025 年美国的新能源汽车销量能够到达大约 473 万辆,新能源汽车的保有量能够到达 1100 万辆。同时在政策层面,2022 年拜登总统在其签署的《2022 年通胀削减法案》中取消了对于 车企的销量上限,并对采办新车提供税收减免,美欧新能源汽车市场远景广漠。

1.4.2.海外市场充电桩根本设施发展滞后,显示庞大市场缺口

与新能源汽车的快速发展相对应的是海外市场充电桩根本设施的发展缓慢,显示出明显的滞 后性,公路充电桩缺口较大。按照 ACEA 的数据显示,欧洲充电桩的散布极为不均,主要散布 在荷兰、法国、德国等 5 个国家。美国的新能源汽车发展起步,但充电桩的配套相比之下更 为不足,据 IEA 和 AFDC 数据,2021年美国新能源汽车保有量 204 万辆,充电桩保有量唯一 13.3 万台,车桩比高达15.3:1。欧洲的车桩比也有较大缺口,据 IEA 数据,2021 年欧洲新 能源汽车保有量546万辆,公用充电桩 35.6 万台,对应车桩比 15.3:1。

1.4.3.国外龙头企业主导欧美市场,国内企业有望借助本钱上风打开市场

今朝欧美的充电桩市场由其本土企业主导,包括老牌电气龙头企业(如 ABB、西门子和施耐 德等)以及第三方充电桩厂商(如北美 Chargepoint、欧洲 EVBox 等)。国内企业出海面临着 认证标准、客户渠道等竞争壁垒,例如中国的充电桩生产进入欧洲需要通过 CE 等认证,进入 美国则需要 UL、FCC 等认证,对技术水平要求较高。不外国内企业的充电桩制造和人工本钱 较低,商业化成熟度高,有望打开海外市场。


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2.高容量电池+大功率快充有望在速度上追赶换电模式

电动汽车换电可分为集中充电和充换电两种模式。集中充电模式通过集中型充电站对大量电 池进行集中存储、集中充电、同一配送,电池配送站负责进行电池更换,充换电模式则由换 电站同时负责电池充电和电池更换,拥有快换系统、充电系统、供电系统、监控系统等多项 功能模块,充换电模式是当前市场普遍采用的换电方式。据乐晴智库,换电站内充电系统主 要以集中充电、交换慢充的方式对电池进行充电,充电模块还是充电系统的焦点部件,供给 商包括泰坦、通合、华为等,充电功率约 10kW-60kW,充电电压 200V-500V,因此相比大功率 快充,换电模式对于功率器件的性能要求更低。

换电可以避免充电期待时长,快捷、灵活地解决充电难、充电慢问题,是能够实现电动汽车 快速补能、助力用户获得加油站加油体验的另一路径。换电技术能够在当前车桩比严重、快 充充电桩求过于供的情况下承接部分充电需求,尤其是在超级充电桩尚未大范围推广、普通 充电又难以满足部分车辆运营需求的应用场景下,换电技术上风明显。此外,换电能够在重载荷和载荷敏感应用场景中下降车辆对电池装机的需求,“车电分手”模式还可以下降初度购 置价格,今朝换电技术主要由重卡、运营车辆等市场起头切入。

据中国充电同盟数据,蔚来占据国内换电市场较大份额。按照蔚来官方网站数据显示,截至 2022 年,蔚来累计扶植 1300 多座换电站、13000 多根充电桩。蔚来换电技术拥有跨越 1400 项专利,于 2022 年 12 月 24 日(NIO Day)发布了第三代换电站与 500kW 超快充。第三代换 电站采用全新的三工位协同换电模式,相较第二代换电站服务能力提升 30%,单日最大换电 能力提升至 408 次,单次换电时间进一步缩短,缩短了 20%;第三代换电站还将配备 2 颗激 光雷达和 2 颗英伟达 OrinX 芯片,总算力到达 508TOPS,可实现车辆召唤换电功能,以创新 性功能直击客户需求。

同时运用了自主研发的 HPC 双向大功率液冷电源模块,使得最高效率 到达 98%,充放电功率到达 62.5 千瓦,使得换电站内电池充放电效率大幅进步,有利于电网 互动流利和谐,第三代换电站将会从 2023 年 3 月起全面摆设。据蔚来 NIO Power 2025 换电 站结构计划,2022-2025 年蔚来将在中国市场每年新增 600 座换电站,至 2025 年末蔚来换电 站全球总数超 4000 座,其中中国以外市场换电站约 1000 座。

随着快充技术快速发展,换电上风将被削弱。据中国充电同盟数据,截至 2022 年 3 月,国 内换电站保有量到达 1451 座,同比增长 136.7%,其中北京市以 269 座换电站保有量位列各 省份换电站总量排行榜榜首。随着 2021 年 11 月《电动汽车换电平安要求》国家标准正式实 施、各车企积极研发和投放换电车型,换电模式市场范围有望稳步增长。据《中国电动汽车 充电根本设施发展战略与线路图研究 2021-2035》预判,在轻型车范畴,随着快充技术快速 发展,换电技术的上风将有所削弱,而在快充较难满足需求的重卡范畴,换电技术能够助力 车辆实现电动化,近中期发展有望加速,中持久有望形成“快充+换电”并存格式。


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3.作为下一代技术线路,V2G尚处于试探阶段

V2G(Vehicle-to-grid)即车辆到电网,描写了电动汽车与电网间的双向活动关系。电动车 在电网负荷低时,可以吸纳电能,在电网负荷高时开释电能。电动汽车用户可以通过电力市 场买卖获得辅助调峰服务补助或峰谷电价差的收益,下降电动汽车的使用本钱;电网公司借 助用户侧灵活的储能资源调控负荷,能够削减电网在储能扶植上的投资,进步电网效率和可 靠性; V2G 技术下降用户使用电动汽车的本钱,间接进步了市场对电动汽车的需求,新能源 汽车企业亦将受益。

国家已出台多项相关政策,激励发展 V2G 技术。2020 年国务院出台的《新能源汽车产业发展 计划(2021-2035)》夸大,在推动新能源汽车产业发展时,需要同步推动产业间融合,尤其是 增强新能源汽车与电网(V2G)能量互动,激励地方展开 V2G 示范应用。欧美等国多以车企牵 头推进 V2G 技术的应用落地,中国国家电网是世界上最大的公用事业企业,在推动 V2G 示范 落地上具有庞大上风。威马汽车与国家电网结合,配合推进 V2G 技术的落地应用,于 2020 年 6 月顺利通过全项 V2G 技术的车、桩实测与道路测试,并成为首家应用 V2G 技术落地的造车 新势力。在电网和新能源汽车对 V2G 的协同发展下,晟曼科技、星星充电等充电桩扶植运营 商也起头结构该范畴,未来,V2G 技术将延续开辟充电根本设施蓝海市场。

V2G 技术处在早期探索阶段,市场尚未成熟。V2G 从 20 世纪 90 年月起进入列国研究范畴, 在中国,V2G 技术仍处于试验验证和示范运行阶段,尚未进行商业推广。V2G 技术的使用需要 分歧技术组件之间的协调互动,即新能源汽车、充电桩和电网等各个环节的系统性配合,因 此整体推进速度受限。此外,用户侧储能主要通过电价的凹凸差实现盈利,按照 FraunhoferISE 批发电价信息,2022 年德国峰谷价差约合人民币 1.4 元/度,而国内各区域 均匀峰谷电价差较低,按照北极星储能网统计数据,2022 年 4 月国内大部分省市最大峰谷价 差处于 0.5 元/度-1.1 元/度区间内,用户侧储能经济效益不明显,盈利空间有待提升。


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4.充电模块是充电桩的焦点部件,技术迭代进入快车道

4.1.“一车一桩”方针在前,政策不竭向充电桩扶植倾斜

《电动汽车充电根本设施发展指南(2015-2020 年)》首次提出“一车一桩”方针,连系国家 新能源汽车推广应用相关政策要求和计划方针,经测算到 2020 年需建成新增集中式充换电 站跨越 1.2 万座, 分离式充电桩跨越 480 万个,以满足全国 500 万辆电动汽车充电需求,车 桩比根基实现 1:1。但今朝车桩比离这一方针相距甚远,按照公安部和中国充电同盟数据, 截至 2022 年末,我国新能源汽车保有量到达 1310 万辆,车桩比降至到 2.5:1。近三年车桩 比变化趋势平缓,主要是由于新能源汽车保有量增速过快,未来,政策助力充电桩行业加速 发展,车桩比将延续下降。

自 2009 年起国家启动对新能源汽车的补助,十年间新能源汽车补助政策不竭完善,国家对 新能源汽车的发展线路愈加清楚,近年充电根本设施的短板已经成为制约新能源汽车发展的 重要因素,国家政策转向调剂,新能源汽车的补助基准逐年退坡,直至 2022 年末将完全退 出,补助将向充电根本设施及配套运营服务环节等方面倾斜。国家和地方已积极出台一系列 产业激励政策,将切实推动充电桩的高效扶植和公道结构。

4.2.充电模块是充电桩的焦点器件,技术在不竭迭代

交换充电桩:本质是一个带控制的插座,主要包括交换电表、控制主板、显示屏、急停旋钮、 交换接触器、充电枪线等结构,结构较为简单,需要车载充机电自己进行变压整流,几近不 涉及功率器件。 直流充电桩:其结构更加复杂,包括充电模块、主控制器、绝缘检测模块、通讯模块、主继 电器等部分,其中充电模块又称功率模块,是充电桩行业具有技术门坎的焦点部件,约占据 充电桩总本钱的 50%,焦点功能是将电网中的交换电转化为可直接向电池充电的直流电,组 成部分包括半导体功率器件、集成电路、磁性元件、PCB、电容、机箱风扇等,半导体功率器 件本钱占充电模块总本钱的 30%,是充电模块的关键组成部分。

充电模块是(直流)充电桩最焦点的组件,单体功率延续迭代提升。一个充电桩通常采用多 个充电模块并联而成,比如 120kW 充电桩可由 8 个 15kW 充电模块组成,也可由 4 个 30kW 充 电模块组成。单个充电模块输出功率越大,功率密度越高,能有效优化桩内空间。今朝充电 模块已历经第一代 7.5kW、第二代 15/20kW,向着 30/40kW 甚至更高功率不竭演进。据各公司 官网表露,通合科技、英飞源、优优绿能等均已研发出 40kW 充电模块产物;欧陆通 12 月 28 日在其官微表露,公司在 2022 第三届中国国际充电桩运营商大会上首次发布多款充电模块 产物,包括 75KW ACDC 液冷模块、63KW DCDC 液冷模块、30KW 双向 ACDC 模块、25KW 双向 ACDC 模块,由其全资子公司上海安世博自主研发及生产,均采用 SiC 技术设计。


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充电模块标准化水平在不竭进步。国家电网对体系内充电桩和充电模块发布标准化设计规范: (1)充电桩“六同一”:同一电气性能、同一结构结构、同一专用部件设计、同一通用器件 选型、同一外形结构,同一设备安装;(2)充电模块“三同一”:同一模块外形尺微暇、同一模 块安装接口、同一模块通讯协议。充电桩和充电模块设计规范的标准化一定水平上解决了以 往市场上产物兼容性差的问题,将有效推动充电桩产业的快速发展。

风冷向液冷转换是大功率充电模块的散热技术趋势。充电模块在工作进程中会发生大量热量, 一般来说,充电模块散热方式主要有风冷散热和液冷散热两种,今朝主流充电桩采用风冷散 热模块。风冷散热技术应用较成熟,本钱较低,其原理比力简单,通太高转速风扇将空气由 前面板吸入后在模块尾部排出,带走机柜内的热量,实现降温效果,但同时也发生大量噪音, 影响周边居民。另一方面,模块内部元件与空气直接接触,轻易堆集灰尘、腐蚀零件,充电 桩故障率较高,使用寿命短,每年还需要专人定期维护,维护工作复杂,维护本钱较高。并 且风冷散热效率较低,不能满足未来大功率充电模块的散热需求。

液冷散热技术起步较晚, 今朝采用较少,设备本钱较高,其原理是,通过冷却液在密闭通道中循环,实现发热器件与 散热器之间的热交换,采用大风量低频风扇或水冷机散热,其噪音明显低于风冷散热的高速 风扇。液冷散热效率高于风冷散热,能适应未来大功率充电模块的散热需求。同时,由于模 块内部元件与不空气直接接触,每年的维护本钱较低,设备故障率也较低,设备使用寿命长。 总的来说,液冷散热的总拥有本钱要低于风冷散热。

充电模块除了传统的给汽车充电的功能之外,也在发展双向充电技术。模块双向充电技术的 发展,进一步使得 V2G 技术和 V2H 技术得以实现,在削峰填谷、平衡用电负荷、进步充电桩 使用效率等方面起到积极的作用。以意法半导体15KW三相维也纳非隔离方案STDES-PFCBIDIR 为例,整个方案由主功率回路,LCL 滤波电路,传感电路,浪涌庇护电路,电网毗连电路和 辅助电源电路几部分组成,MCU 通过开关去控制与交换电网的断开与毗连,以及在整流或者 逆变模式下的负载和电流的治理,ST STGAP2S 芯片控制相应的开关管,以确保开关频率和死 区时间的自主治理。该方案可同时实现 AC/DC 和 DC/AC 的双向转换,也可以实现纯数字控制 和灵活配置,尺微暇小,频率高,可达 100KHz。此外,其控制芯片可以输出 12 路高精度 PWM, 频率可以配置 2 至 3 级拓扑。

4.3.功率器件是充电模块的焦点部件,碳化硅应用已拉开序幕

充电模块作为充电桩的焦点部件,其焦点功能的实现主要依托于功率半导体器件发挥整流、 稳压、开关、变频等作用,随着用户加倍追求充电系统的小型化、高效化,功率器件作为充 电桩的焦点器件,也面临着不竭优化和升级。


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4.3.1.今朝国内充电桩所采用的功率器件主要是硅基MOSFET和IGBT

MOSFET(金属氧化物半导体场效应管)是一种较为成熟的功率器件,更适用于中小功率应用 场景,具有工作频率高、驱动功率小、抗击穿性好、电流关断能力强等优点,应用范围普遍。 据 Yole 数据,MOSFET 已占据功率器件市场最大份额,市场范围有望从 2020 年 75 亿美元增 长至 2026 年的 94 亿美元。MOSFET 在充电桩傍边是实现电能高效转换、增强充电桩稳定性的 关键器件,受益于充电桩市场的快速发展迎来增长机遇。

IGBT 是由 BJT(双极型三极管)和 MOS(绝缘栅型场效应管)组成的复合全控型电压驱动式 功率半导体器件,兼有 MOSFET 的高输入阻抗和 GTR 的低导通压降两方面的优点,是电力电 子范畴较为理想的开关器件。相对于 MOSFET,IGBT 拥有电导调制效应,能够承载更高的电流 密度,同时克服了 MOSFET 通态电阻随电压升高而增大的问题,在高压系统中更具上风。IGBT 在充电桩傍边同样作为焦点开关器件应用,在充电模块工作时,三相交换电源经过整流滤波 后转为直流输入电压供给 IGBT 桥,控制器通过驱动电路作用于 IGBT 将直流电压转换为脉宽 调制的交换电压,交换电压经高频变压器变压隔离后,再次经过整流滤波后获得直流脉冲, 对电池组进行充电。

4.3.2.超级结MOSFET是对传统MOSFET的结构改良

充电桩向高压架构发展的趋势促进高性能 MOSFET 在充电桩市场的应用。由于耐压能力与 N外延层的厚度成正比、与搀杂浓度成反比,因此为进步平面 MOSFET 的击穿电压需要增加外 延层厚度并下降搀杂浓度,此时会带来导通电阻急剧增加、开关损耗增大的晦气影响。IGBT 通过引入少数载流子导电来下降导通压降的方式会致使关断时发生电流拖尾,增加了开关损 耗,同时开关频率也会下降。

超级结 MOSFET 通过改良器件结构,具有更好的导通特性。相比平面 MOSFET,超级结 MOSFET 通过在漂移区设置多个 P 柱,形成交替 PN 结结构。在器件关断时,P 区和 N 区的电荷相互平 衡而建立的耗尽层具有极高的耐压性,从而使得进步器件击穿电压不再有赖于增加外延层厚 度并下降搀杂浓度。在器件导通时,漂移区搀杂浓度提升,从而形成低导通电阻的电畅通路。 因此超级结 MOSFET 能够在保证较低导通电阻的同时大猛进步耐压性,并可以进一步进步功 率密度和工作频率。

在公共直流充电桩所需的工作功率和电流要求下,超级结 MOSFET 以其更低的导通损耗和开 关损耗、高可靠性、高功率密度正在逐步占据更大的市场份额,并将充实受益于充电桩的快 速扶植。据 Omidia 和 Yole 猜测,2020 年全球超级结 MOSFET 晶圆出货量(折合 8 英微暇)约 为 23.8 万片,2025 年将增长至 35.1 万片,CAGR 达 8.1%,增长速度约为普通硅基 MOSFET 的 两倍左右,同时全球超级结 MOSFET 产物市场范围也将于 2024 年到达 10 亿美元。


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4.3.3.碳化硅功率器件:材料改良推动解决充电困难

为缩短充电速度、与产业链协同配合向高压架构迈进,功率半导体器件应具有更优良的耐高 压特性。与硅材料相比,碳化硅材料具有更高的带隙和击穿电压、更高的热导率、更低的理 想本体迁移率以及更大的电子饱和速度,从而碳化硅器件具有耐高压、耐高温、导通损耗小、 开关速度快的特性。由于碳化硅材料拥有更高的击穿场强,克服了硅材料导通电阻随耐压性增强而增大的缺点, 在相同的击穿电压下,碳化硅可以制成标准化导通电阻(单元面积导通电阻)更低的器件。 据 ROHM,900V 平台下相同导通电阻的 SiC MOSFET 芯片尺微暇仅为硅基 MOSFET 的 1/35、超级 结 MOSFET 的 1/10。

相比 IGBT,碳化硅器件不需要进行电导率调制即能够实现高耐压、低阻抗,开关速度更快。 在功率器件开启或封闭时,由于 IGBT 关断时存在拖尾电流,与 IGBT 搭配使用的 FRD 在开关 进程中也存在较大的反向恢复电流,因此充电桩中应用 IGBT 模块会致使较大的导通损耗。 与硅基 IGBT 相比,碳化硅 MOSFET 的反向恢复电流和反向恢复时间明显削减,换流速度的加 快也有助于削减开关损耗、实现散热部件的小型化。此外,IGBT 较大的开关损耗限制其在 20kHz 以上高频区域的使用,而碳化硅 MOSFET 可以进行 50kHz 以上高频开关,有助于无源器 件的进一步小型化。

据半导体投资同盟,与传统硅器件相比,碳化硅模块可以帮助充电桩提升近 30%的输出功率、 削减 50%左右的损耗,并增强充电桩的稳定性。而针对推广大功率充电桩面临的本钱制约, 尤其是在城市微暇土微暇金的富贵地段扶植充电桩面临的城市空间本钱,碳化硅器件能够大大简 化充电模块电路结构,进步充电桩的功率密度,下降充电桩系统应用本钱。据英飞凌产业半 导体,采用 SiC MOSFET 的三相全桥 PFC 整流电路,相比 Vienna 拓扑电路,能够大大削减功 率器件数量、简化电路结构,碳化硅器件更高的开关频率也可以下降电感的感量、尺微暇和成 本。

另一方面,采用 SiC MOSFET 的 DC/DC 电路,可由原来的三电平优化为两电平 LLC,进一 步简化拓扑电路、进步 LLC 电路开关频率的同时,可以削减磁性器件的尺微暇和本钱以及系统 散热本钱。连系斟酌各方面本钱以及使用体验,碳化硅器件在充电桩市场拥有庞大的市场潜 力。


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4.4.充电模块作为充电桩焦点器件之一,有望迎来百亿新增市场

据第一电动网数据,充电桩硬件设备组成中充电模块占比最高约 50%,其中功率器件占比约 30%,磁性元件(25%)、半导体 IC(10%)、电容(10%)、PCB(10%),其他如机箱风扇等占 15%。 据艾瑞咨询数据,截至 2021 年末,中国新能源汽车与公共充电桩的比例为 6.8:1,与私人充 电桩的车桩比接近 3.7:1。即私人充电桩在充电桩中占比约 65%,公共充电桩约 35%。 据未来智库数据,交换充电桩,其设备单价为在 1000-3000 元之间,其中车厂随车配送充电 桩单价较低在 1000 元左右,设备厂商 2C 销售的交换桩单价较高在 2000-3000 元之间,私人 交换充电桩均匀单价可取 1500 元。

据乘联会数据,2022 年国内新能源车保有量为 1310 万台,销量为 650 万台。中汽协猜测 2023 年中国新能源汽车销量 900 万辆,高盛猜测中国新能源车销量 2025 年有望到达 1500 万台。 我们假定 2023 年中国新能源车销量为 900 万辆,2024 年 1200 万辆,2025 年为 1500 万辆, 假定新能源车报废率为国际均匀报废率 8%,可以估算 2023-2025 年中国新能源车保有量约为 2033 万辆/2974 万辆/4116 万辆。 据工信部要求,2025 年国内车桩比为 2:1,2022 年车桩比约 2.5:1,我们假定 2023 年-2025 年车桩比别离为 2.3/2.2/2。

按照以上假定,可以估算中国新能源车充电桩 2023-2025 年市场空间为 286.74 亿,335.53 亿,455.63 亿。其中充电模块占比为充电桩的 50%,对应市场空间为 143.37 亿元/167.77 亿 元/ 227.82 亿元,功率器件在充电模块中的本钱占比为 30%左右,对应功率器件市场空间为 43.01 亿元/50.33 亿元/68.34 亿元。


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4.5.磁性元件是充电模块价值量占比次高的器件,有望迎来新市场机遇

4.5.1.磁性元件普遍应用电源设备,本土企业拥有成熟的技术根本

磁性元件是电子变压器、电感等的统称。其中,变压器是指操纵电磁感应原理实现电能变换 或把电能从一个电路传递到另一个电路的静止电磁装置。依照用途将变压器分为电子变压器、 电力变压器等。电子变压器一般指的是输入为高电压(例如 220 伏),输出为低电压(例如几 伏到几十伏),功率范围一般为几瓦到几十千瓦之间的变压器,具有性能稳定、体积小、效率 高档优点。电子变压器在电子设备中占有重要地位,尤其是在电源设备中,交换电压和直流 电压几近都要经过变压器变换、整流取得。

4.5.2.磁性元件普遍应用充电桩范畴

磁性元件的三大下游市场别离是新能源汽车、光伏和充电桩,其中市面上及正在开辟的充电 桩均需要大量操纵磁性元件作为充电桩中的重要元器件。以铭普操纵于直流充电桩的磁集成 方案为例,60KW 的直流快充充电站需要使用 8 个磁性元件(4 个变压器及 4 个谐振电感), 120KW 的直流快充充电站需要使用 16 个磁性元件。

磁性元件在充电桩中主要以 AC 共模电感、PFC 电感、谐振电感、主变压器等形式存在,主要 起到功率因数校正、电压变换、平安 隔离、消除 EMI 等作用。而相较传统充电桩而言,目 前越来越受到市场青睐的快充直流充电桩对于磁性元件的需求会更高,快充充电桩发展的趋 势也会推动磁性元件行业市场的拓展,大功率、模块化行将成为充电桩磁性元件行业技术发 展的大趋势。 依据磁性元件在总本钱价值量的结构性占比,我们预计磁性元件 2023-2025 年仅在国内充电 桩范畴新增市场为 35.84 亿元,41.94 亿元,56.95 亿元。

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