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    充電樁芯片:新能源汽車“補能戰”的急先鋒

    2022-05-30 17:16:58

    新能源汽車產業持續火熱,與之配套的重要基礎設施充電樁也需要跟上腳步。從充電技術、市場格局、產業鏈構成三個層次看,當下新能源汽車“補能戰”已至中章。


    新基建窗口期仍在,“節能”戰略良機又來!在這兩大機遇下,符合環保理念的新能源汽車自然成為汽車業的明日之星。其中充電樁作為電動汽車的重要配套,截至2021年底,中國本土的充電設施規模達到261萬臺,換電站近1300座,服務近800萬輛新能源汽車,為新能源汽車產業發展提供了有力支撐,產業景氣度持續高漲。


    2022年以來充電樁領域捷報頻頻,熱鬧非凡。1月,國家發展改革委等十部門聯合發布《關于進一步提升電動汽車充電基礎設施服務保障能力的實施意見》,要求加快推進居住社區充電設施建設安裝,加強車網互動等新技術研發應用,探索推廣有序充電、V2G等形式,以滿足2035年底超過2000萬輛電動汽車的充電需求。2月,國產功率半導體廠商東微半導以發行價130元/股登陸科創板,市值近百億元,被業界譽為“充電樁芯片第一股”,開啟產業的新一輪增長勢頭。3月,國家電網公司公布2022年度電動汽車充電設備供應商核實結果,65家本土企業憑借領先技術和優異性能成功通過核實,進一步壯大充電樁“國家隊”規模。


    本文將聚焦充電樁市場,邀請海內外芯片供應商談談充電樁市場趨勢暢想。


    千軍萬馬涌入“補能戰”



    隨著減少碳排放之聲響遍全球,新能源汽車已成為市場最關注的產業之一。為了搶占商機,各國政府、商界及學界早已部署發展新能源汽車,全球車企也紛紛投入資源研制這類綠色汽車,甚至推出了各自的燃油車停產或停售計劃,集中精力爭奪電動車的主動權。


    2025年成為車企們實現全面電動化的關鍵節點。那一年,北汽集團將停售除特種車輛外自主品牌燃油車,長安汽車將停產停售燃油車,捷豹將轉變為純電動品牌。而傳統大型車企的步伐相對穩健,如大眾汽車計劃到2030年實現所有車型電動化,本田計劃在2040年全面停售燃油車。值得一提,比亞迪已在2022年3月起停止燃油汽車的整車生產,成為全球第一家停產燃油汽車的車企。它將成為新型車企的代表之一,直接拉起全球汽車電動化革新的序幕。


    盡管全球都在大力發展新能源汽車,但依然有不少消費者對購買新能源汽車心存猶豫。其中,里程焦慮、充電焦慮與新能源汽車的發展相生相伴,反映的是產業快速發展與充電基礎設施建設滯后的現實矛盾。


    根據調研顯示,中國消費者的補能痛點有三:一是總體供給不足造成供需缺口巨大,充電樁布局速度跟不上新能源汽車整車發展速度,造成“排隊四小時,充電一小時”的尷尬。二是布局不合理,車流量大的區域,充電樁數量不能滿足充電需求,導致充電等待時間過長;而車流量小的區域,充電樁使用率低,無法滿足企業商業化運營要求,有的長時間閑置甚至成為“僵尸樁”。三是私樁報裝困難,車主要么沒有產權車位,要么有產權車位卻因為用電負荷大、存在消防安全隱患等得不到物業的配合。


    因此,新能源汽車產業持續火熱,與之配套的重要基礎設施?充電樁也需要跟上腳步。從充電技術、市場格局、產業鏈構成三個層次看,當下新能源汽車“補能戰”已至中章。


    技術層面,電動汽車充電方式目前有五種:直流快充、交流慢充、換電、無線充電、大功率充電,并且在中國市場形成了“慢充為主、快充為輔、兼具換電”的市場格局。盡管各項充電技術的應用和模式都尚待拓展,但實際上,上述五個充電技術已經能相互補充,滿足大多數場景需求。


    TI FAE Manager Eric Fu表示,以上的幾種充電方式都有比較適合的場景,因此在談充電市場格局的時候是需要結合不同場景來看。比如在家用電動汽車場景,電動汽車作為人日常出行的載體,在一天時間內的運行時間是很有限的,其中大部分的時間是處于靜置狀態,在這種情況下,充電市場的格局應該是符合“慢充為主,快充為輔”的格局,快充或者是將來的超級快充可作為節假日和平時應急需要快速補滿續航里程的有效手段,平時的出行即可用慢充滿足。但是如果考慮運營車輛場景,快充、超充或者是換電應該是主要的充電方式,在這類場景里時間是關鍵。


    產業鏈方面,經過多年來的發展,中國新能源汽車充電樁已經形成了相對完整的產業鏈體系。包括:上游設備商主要提供材料和設備,產業相對成熟,有一定的技術門檻,產品差異化程度小,格局相對分散;中游運營商主要負責充電站的搭建和運營,是產業鏈的關鍵部分,由于依賴投資建設,具備規模效應,集中度相對較高;下游整體解決方案商提供充電樁運營管理平臺和解決方案,善于統籌上下游及客戶需求,合理布局提供整體的運營方案。


    據《國際電子商情》觀察,上游環節里的芯片供應商是充電樁產業發展的急先鋒,他們在技術、產品、方案服務、產能供應,甚至是生態建設方面積極探索,牢牢把握充電樁應用的航舵。


    五大趨勢看“補能戰”的下半場



    未來汽車充電樁市場有哪些新的可能?我們結合全球充電樁芯片供應商代表的觀點,梳理出五大趨勢看點。


    趨勢一:超級快充


    2021年以來,超級快充技術比拼潮不斷,越來越多廠商進場搶占市場份額。


    Eric Fu表示,比如350kW功率充電,這種技術需要多項半導體技術創新才能實現,比如更高電子遷移率的寬禁帶半導體技術,更加全面和快速的鋰電池參數監測器件和技術,支持更高電壓(如800V)的拓撲技術等等。TI在超級快充有全面布局:比如帶有集成式驅動器的第三代寬禁帶半導體GaN FET,同時通過拓撲的創新實現用650V電壓等級功率器件完成800V輸出電源變換模塊。


    東微半導體認為:“在國家倡導節能減排的背景下,尤其是新能源產業的轉型升級,低碳環保是大趨勢,可以實現更高效率電能轉換效率的超級結會有更大的市場空間。”據介紹,其超級硅系列產品是公司自主研發、性能對標氮化鎵功率器件產品的高性能硅基MOSFET產品。該產品突破了傳統硅基超級結功率器件的開關速度瓶頸,適用于高密度電源模塊的應用,在新能源汽車直流充電樁、車載充電器等領域有很好的表現。


    趨勢二:V2G


    V2G描述了電動汽車與電網之間的雙向互動關系。當車載電池需要充電,電流則由電網流向車輛;當電動汽車不使用時,車載電池將剩余可控電能反向輸送到(銷售給)電網系統。


    V2G的價值在于電動汽車和電網的互動,可以利用大量電動汽車的儲能源作為電網和可再生能源的緩沖,提供相關調峰調頻、黑啟動等輔助服務。“電動汽車不僅作為電網的負載,同時也可以作為虛擬的儲能設備參與電網能量的調度。”EricFu介紹道,在V2G上,TI近期也推出了多個雙向的AC/DC參考設計,可以幫助客戶快速實現系統。一個例子是基于GaN的11kW、雙向、三相ANPC參考設計,它使用TI的650V GaN器件支持雙向AC/DC轉換,使該設計能夠比基于Si、IGBT或SiC的解決方案實現更高的頻率和更高的效率。


    趨勢三:模塊化


    在充電樁鋪設的進程中,消費者提出越來越多的場景需求,如語音互動、休閑娛樂、信息查詢等等。這使得充電樁需要搭載更多的元器件組件,同時衍生出成本問題。作為上游元器件供應商,持續投入新產品的開發來適應變化多端的市場需求,是最有效的應對策略之一。


    Eric Fu向《國際電子商情》介紹,TI致力于通過持續的創新,以技術讓電子應用更小、更高效、更可靠和更實惠,充電樁也不例外。舉例來說,可在充電樁中應用的器件就包括新一代的C2000微控制器(F28002x/F28003x)、光兼容隔離柵極驅動器UCC23513、低成本的IGBT驅動器UCC27624,以及眾多與采樣和通信接口相關的模擬器件等。最后,在充電樁應用中采用GaN技術可以幫助實現更小的磁性元件和散熱器尺寸,從而降低系統的總體成本。TI一直在開發新的器件和不同的解決方案,這些器件的導入會讓客戶在當前方案的基礎上獲取進一步的降本,在以相同的成本來實現更豐富的功能。


    而英飛凌重視一站式服務和生態合作的力量


    英飛凌科技大中華區安全互聯系統事業部市場經理溫俊嘉指出,所謂成本包含金錢、時間、售后維修等等。英飛凌身為半導體領導廠商通過提供廣泛的元器件組合,涵蓋從傳感器、電源開關、柵極驅動器、安全芯片、微控制器或連接器件,到分立封裝或模塊等多樣化的產品,為優化應用解決方案奠定了廣泛的基礎,而產品的品質更是在業界有口皆碑。所以英飛凌不但有能力提供一站式的服務,更能夠讓客戶花費最小時間成本在英飛凌找到最適合的高可靠度產品,幫助客戶節省下許多隱形成本。


    溫俊嘉補充道:“英飛凌也會保持開放的態度去了解充電樁市場在未來的應用趨勢,并歡迎制造商反饋所需的元器件規格。在合理的商業模式及互利共贏之下,我們也愿意借助自身深厚的技術儲備開發相應的產品協助制造商搶占市場的先機。”


    趨勢四:第三代半導體


    不難看出,上述三個趨勢里均不約而同地出現了第三代半導體的身影。事實上,基于動態參數小、效率高、損耗小、發熱小等優勢,發電、輸變電、用電環節都有寬禁帶半導體的發展空間。


    據Eric Fu觀察,一直以來業界大部分客戶在電動汽車充電樁中使用MOSFET和IGBT,但同時也看到客戶出于不同的原因同時轉向GaN和SiC。對于真正具備快速充電功能的100kW以上的直流充電樁,TI支持客戶采用高達1700V的SiCFET以及UCC21710隔離柵極驅動器等器件,該器件具有在1.5kV工作電壓下運行的隔離技術。對于家庭和工作場所中支持V2G的小于25kW的直流充電器,TI正在幫助客戶采用GaN器件以實現出色的充電性能和高功率密度,讓這些新款充電器占用更少的家庭空間。


    國產芯片企業作為后來者,也在第三代半導體領域奮力跟進。東微半導體表示,公司在第三代半導體領域有一定的技術積累和經驗,同時也在積極關注和探索相關產品及其應用。


    趨勢五:智慧城市


    長遠來看,充電樁連接的不單純是一輛新能源汽車,通過通信連接后,它可以是能源變現的渠道,也可以是能源數據流量的導入端口,進而也可以是一個數據門戶的入口。有了互聯網和物聯網的加持,充電樁將形成新的產業鏈,可以配合電動汽車的分時租賃、電動車4S店的增值服務、電子支付、大數據等,形成智慧城市的一個智能運維平臺,承擔更多的社會角色。


    小結


    在充電樁補能賽道,國際芯片大企、本土芯片企業的打法各有側重。首先,技術創新肯定是硬本事,加大技術開發投入,持續產品創新,是共同的方式;而中國本土企業更著重于技術自主可控,順應國產替代的迫切需求。其次,國際芯片大企憑借豐富產品線,已開展模塊布局,提供方案服務,并且越來越強調聯合生態力量。


    最后在供應穩定方面,是共同面臨的新課題。盡管充電樁客戶具有粘性高、議價頻率低、用量穩定等特點,芯片供應商可以憑借穩定的業務量獲得產能保障;但車規類芯片緊缺度居高不下,充電樁芯片供應商始終要逐步從成本導向轉為價值導向,做到供應鏈安全,才會發展更加長久及開放。


    來源:國際電子商情微信公眾號


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