充电桩芯片:新能源汽车“补能战”的急先锋

2022-05-30 17:16:58

新能源汽车产业持续火热,与之配套的重要基础设施充电桩也需要跟上脚步。从充电技术、市场格局、产业链构成三个层次看,当下新能源汽车“补能战”已至中章。


新基建窗口期仍在,“节能”战略良机又来!在这两大机遇下,符合环保理念的新能源汽车自然成为汽车业的明日之星。其中充电桩作为电动汽车的重要配套,截至2021年底,中国本土的充电设施规模达到261万台,换电站近1300座,服务近800万辆新能源汽车,为新能源汽车产业发展提供了有力支撑,产业景气度持续高涨。


2022年以来充电桩领域捷报频频,热闹非凡。1月,国家发展改革委等十部门联合发布《关于进一步提升电动汽车充电基础设施服务保障能力的实施意见》,要求加快推进居住社区充电设施建设安装,加强车网互动等新技术研发应用,探索推广有序充电、v2g等形式,以满足2035年底超过2000万辆电动汽车的充电需求。2月,国产功率半导体厂商东微半导以发行价130元/股登陆科创板,市值近百亿元,被业界誉为“充电桩芯片第一股”,开启产业的新一轮增长势头。3月,国家电网公司公布2022年度电动汽车充电设备供应商核实结果,65家本土企业凭借领先技术和优异性能成功通过核实,进一步壮大充电桩“国家队”规模。


本文将聚焦充电桩市场,邀请海内外芯片供应商谈谈充电桩市场趋势畅想。


千军万马涌入“补能战”



随着减少碳排放之声响遍全球,新能源汽车已成为市场最关注的产业之一。为了抢占商机,各国政府、商界及学界早已部署发展新能源汽车,全球车企也纷纷投入资源研制这类绿色汽车,甚至推出了各自的燃油车停产或停售计划,集中精力争夺电动车的主动权。


2025年成为车企们实现全面电动化的关键节点。那一年,北汽集团将停售除特种车辆外自主品牌燃油车,长安汽车将停产停售燃油车,捷豹将转变为纯电动品牌。而传统大型车企的步伐相对稳健,如大众汽车计划到2030年实现所有车型电动化,本田计划在2040年全面停售燃油车。值得一提,比亚迪已在2022年3月起停止燃油汽车的整车生产,成为全球第一家停产燃油汽车的车企。它将成为新型车企的代表之一,直接拉起全球汽车电动化革新的序幕。


尽管全球都在大力发展新能源汽车,但依然有不少消费者对购买新能源汽车心存犹豫。其中,里程焦虑、充电焦虑与新能源汽车的发展相生相伴,反映的是产业快速发展与充电基础设施建设滞后的现实矛盾。


根据调研显示,中国消费者的补能痛点有三:一是总体供给不足造成供需缺口巨大,充电桩布局速度跟不上新能源汽车整车发展速度,造成“排队四小时,充电一小时”的尴尬。二是布局不合理,车流量大的区域,充电桩数量不能满足充电需求,导致充电等待时间过长;而车流量小的区域,充电桩使用率低,无法满足企业商业化运营要求,有的长时间闲置甚至成为“僵尸桩”。三是私桩报装困难,车主要么没有产权车位,要么有产权车位却因为用电负荷大、存在消防安全隐患等得不到物业的配合。


因此,新能源汽车产业持续火热,与之配套的重要基础设施⸺充电桩也需要跟上脚步。从充电技术、市场格局、产业链构成三个层次看,当下新能源汽车“补能战”已至中章。


技术层面,电动汽车充电方式目前有五种:直流快充、交流慢充、换电、无线充电、大功率充电,并且在中国市场形成了“慢充为主、快充为辅、兼具换电”的市场格局。尽管各项充电技术的应用和模式都尚待拓展,但实际上,上述五个充电技术已经能相互补充,满足大多数场景需求。


ti fae manager eric fu表示,以上的几种充电方式都有比较适合的场景,因此在谈充电市场格局的时候是需要结合不同场景来看。比如在家用电动汽车场景,电动汽车作为人日常出行的载体,在一天时间内的运行时间是很有限的,其中大部分的时间是处于静置状态,在这种情况下,充电市场的格局应该是符合“慢充为主,快充为辅”的格局,快充或者是将来的超级快充可作为节假日和平时应急需要快速补满续航里程的有效手段,平时的出行即可用慢充满足。但是如果考虑运营车辆场景,快充、超充或者是换电应该是主要的充电方式,在这类场景里时间是关键。


产业链方面,经过多年来的发展,中国新能源汽车充电桩已经形成了相对完整的产业链体系。包括:上游设备商主要提供材料和设备,产业相对成熟,有一定的技术门槛,产品差异化程度小,格局相对分散;中游运营商主要负责充电站的搭建和运营,是产业链的关键部分,由于依赖投资建设,具备规模效应,集中度相对较高;下游整体凯发官网入口首页的解决方案商提供充电桩运营管理平台和凯发官网入口首页的解决方案,善于统筹上下游及客户需求,合理布局提供整体的运营方案。


据《国际电子商情》观察,上游环节里的芯片供应商是充电桩产业发展的急先锋,他们在技术、产品、方案服务、产能供应,甚至是生态建设方面积极探索,牢牢把握充电桩应用的航舵。


五大趋势看“补能战”的下半场



未来汽车充电桩市场有哪些新的可能?我们结合全球充电桩芯片供应商代表的观点,梳理出五大趋势看点。


趋势一:超级快充


2021年以来,超级快充技术比拼潮不断,越来越多厂商进场抢占市场份额。


eric fu表示,比如350kw功率充电,这种技术需要多项半导体技术创新才能实现,比如更高电子迁移率的宽禁带半导体技术,更加全面和快速的锂电池参数监测器件和技术,支持更高电压(如800v)的拓扑技术等等。ti在超级快充有全面布局:比如带有集成式驱动器的第三代宽禁带半导体gan fet,同时通过拓扑的创新实现用650v电压等级功率器件完成800v输出电源变换模块。


东微半导体认为:“在国家倡导节能减排的背景下,尤其是新能源产业的转型升级,低碳环保是大趋势,可以实现更高效率电能转换效率的超级结会有更大的市场空间。”据介绍,其超级硅系列产品是公司自主研发、性能对标氮化镓功率器件产品的高性能硅基mosfet产品。该产品突破了传统硅基超级结功率器件的开关速度瓶颈,适用于高密度电源模块的应用,在新能源汽车直流充电桩、车载充电器等领域有很好的表现。


趋势二:v2g


v2g描述了电动汽车与电网之间的双向互动关系。当车载电池需要充电,电流则由电网流向车辆;当电动汽车不使用时,车载电池将剩余可控电能反向输送到(销售给)电网系统。


v2g的价值在于电动汽车和电网的互动,可以利用大量电动汽车的储能源作为电网和可再生能源的缓冲,提供相关调峰调频、黑启动等辅助服务。“电动汽车不仅作为电网的负载,同时也可以作为虚拟的储能设备参与电网能量的调度。”ericfu介绍道,在v2g上,ti近期也推出了多个双向的ac/dc参考设计,可以帮助客户快速实现系统。一个例子是基于gan的11kw、双向、三相anpc参考设计,它使用ti的650v gan器件支持双向ac/dc转换,使该设计能够比基于si、igbt或sic的凯发官网入口首页的解决方案实现更高的频率和更高的效率。


趋势三:模块化


在充电桩铺设的进程中,消费者提出越来越多的场景需求,如语音互动、休闲娱乐、信息查询等等。这使得充电桩需要搭载更多的元器件组件,同时衍生出成本问题。作为上游元器件供应商,持续投入新产品的开发来适应变化多端的市场需求,是最有效的应对策略之一。


eric fu向《国际电子商情》介绍,ti致力于通过持续的创新,以技术让电子应用更小、更高效、更可靠和更实惠,充电桩也不例外。举例来说,可在充电桩中应用的器件就包括新一代的c2000微控制器(f28002x/f28003x)、光兼容隔离栅极驱动器ucc23513、低成本的igbt驱动器ucc27624,以及众多与采样和通信接口相关的模拟器件等。最后,在充电桩应用中采用gan技术可以帮助实现更小的磁性元件和散热器尺寸,从而降低系统的总体成本。ti一直在开发新的器件和不同的凯发官网入口首页的解决方案,这些器件的导入会让客户在当前方案的基础上获取进一步的降本,在以相同的成本来实现更丰富的功能。


而英飞凌重视一站式服务和生态合作的力量


英飞凌科技大中华区安全互联系统事业部市场经理温俊嘉指出,所谓成本包含金钱、时间、售后维修等等。英飞凌身为半导体领导厂商通过提供广泛的元器件组合,涵盖从传感器、电源开关、栅极驱动器、安全芯片、微控制器或连接器件,到分立封装或模块等多样化的产品,为优化应用凯发官网入口首页的解决方案奠定了广泛的基础,而产品的品质更是在业界有口皆碑。所以英飞凌不但有能力提供一站式的服务,更能够让客户花费最小时间成本在英飞凌找到最适合的高可靠度产品,帮助客户节省下许多隐形成本。


温俊嘉补充道:“英飞凌也会保持开放的态度去了解充电桩市场在未来的应用趋势,并欢迎制造商反馈所需的元器件规格。在合理的商业模式及互利共赢之下,我们也愿意借助自身深厚的技术储备开发相应的产品协助制造商抢占市场的先机。”


趋势四:第三代半导体


不难看出,上述三个趋势里均不约而同地出现了第三代半导体的身影。事实上,基于动态参数小、效率高、损耗小、发热小等优势,发电、输变电、用电环节都有宽禁带半导体的发展空间。


据eric fu观察,一直以来业界大部分客户在电动汽车充电桩中使用mosfet和igbt,但同时也看到客户出于不同的原因同时转向gan和sic。对于真正具备快速充电功能的100kw以上的直流充电桩,ti支持客户采用高达1700v的sicfet以及ucc21710隔离栅极驱动器等器件,该器件具有在1.5kv工作电压下运行的隔离技术。对于家庭和工作场所中支持v2g的小于25kw的直流充电器,ti正在帮助客户采用gan器件以实现出色的充电性能和高功率密度,让这些新款充电器占用更少的家庭空间。


国产芯片企业作为后来者,也在第三代半导体领域奋力跟进。东微半导体表示,公司在第三代半导体领域有一定的技术积累和经验,同时也在积极关注和探索相关产品及其应用。


趋势五:智慧城市


长远来看,充电桩连接的不单纯是一辆新能源汽车,通过通信连接后,它可以是能源变现的渠道,也可以是能源数据流量的导入端口,进而也可以是一个数据门户的入口。有了互联网和物联网的加持,充电桩将形成新的产业链,可以配合电动汽车的分时租赁、电动车4s店的增值服务、电子支付、大数据等,形成智慧城市的一个智能运维平台,承担更多的社会角色。


小结


在充电桩补能赛道,国际芯片大企、本土芯片企业的打法各有侧重。首先,技术创新肯定是硬本事,加大技术开发投入,持续产品创新,是共同的方式;而中国本土企业更着重于技术自主可控,顺应国产替代的迫切需求。其次,国际芯片大企凭借丰富产品线,已开展模块布局,提供方案服务,并且越来越强调联合生态力量。


最后在供应稳定方面,是共同面临的新课题。尽管充电桩客户具有粘性高、议价频率低、用量稳定等特点,芯片供应商可以凭借稳定的业务量获得产能保障;但车规类芯片紧缺度居高不下,充电桩芯片供应商始终要逐步从成本导向转为价值导向,做到供应链安全,才会发展更加长久及开放。


来源:国际电子商情微信公众号


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