新能源汽车充电桩行业市场分析.pdf

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国市场每年新增600座换电站,至2025年底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。:..截至年3月,国内换电站保有量达到1451座,%,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《电动汽车换电安全要求》国家标准正式实施、各车企积极研发和投放换电车型,换电模式市场规模有望稳步增长。据《中国电动汽车充电基础设施发展战略与路线图研究2021-2035》预判,在轻型车领域,随着快充技术快速发展,换电技术的优势将有所削弱,而在快充较难满足需求的重卡领域,换电技术能够助力车辆实现电动化,近中期发展有望加速,中长期有望形成快充+换电”并存格局。,V2G尚处于摸索阶段V2G(Vehicle-to-grid)即车辆到电网,描述了电动汽车与电网间的双向流动关系。电动车在电网负荷低时,可以吸纳电能,在电网负荷:..电动汽车用户可以通过电力市场交易获得辅助调峰服务补贴或峰谷电价差的收益,降低电动汽车的使用成本;电网公司借助用户侧灵活的储能资源调控负荷,能够减少电网在储能建设上的投资,提高电网效率和可靠性;技术降低用户使用电动汽车的成本,间接提高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,鼓励发展V2G技术。2020年国务院出台的《新能源汽车产业发展规划(2021-2035)》强调,在推动新能源汽车产业发展时,需要同步推动产业间融合,尤其是加强新能源汽车与电网(V2G)能量互动,鼓励地方开展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示范落地上具有巨大优势。威马汽车与国家电网联合,共同推进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、星星充电等充电桩建设运营商也开始布局该领域,未来,V2G技术将持续开拓充电基础设施蓝海市场。V2G技术处在早期探索阶段,市场尚未成熟。V2G从20世纪90年代起进入各国研究领域,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技术的使用需要不同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高:..批发电价信息,,而国内各区域平均峰谷电价差较低,根据北极星储能网统计数据,-,用户侧储能经济效益不明显,盈利空间有待提升。,技术迭代进入快车道一车一桩”目标在前,政策不断向充电桩建设倾斜《电动汽车充电基础设施发展指南(2015-2020年)》首次提出一车一桩”目标,结合国家新能源汽车推广应用相关政策要求和规划目标,,分散式充电桩超过480万个,以满足全国500万辆电动汽车充电需求,:..。但目前车桩比离这一目标相距甚远,根据公安部和中国充电联盟数据,截至2022年底,我国新能源汽车保有量达到1310万辆,: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,车桩比将持续下降。自2009年起国家启动对新能源汽车的补贴,十年间新能源汽车补贴政策不断完善,国家对新能源汽车的发展路线愈加清晰,近年充电基础设施的短板已经成为制约新能源汽车发展的重要因素,国家政策转向调整,新能源汽车的补贴基准逐年退坡,直至2022年底将完全退出,补贴将向充电基础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鼓励政策,将切实推动充电桩的高效建设和合理布局。充电模块是充电桩的核心器件,技术在不断迭代交流充电桩:本质是一个带控制的插座,主要包含交流电表、控制主板、显示屏、急停旋钮、交流接触器、充电枪线等结构,结构较为简单,需要车载充电机自己进行变压整流,几乎不涉及功率器件。直流充电桩:其结构更为复杂,包括充电模块、主控制器、绝缘检测模块、通信模块、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槛的核心部件,约占据充电桩总成本的50%,核心功能是将电网中的交流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,半导体功率器件成本占充电模块总成本的30%,是充电模块的关键组成部分。充电模块是(直流)充电桩最核心的组件,单体功率持续迭代提升。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。、第二代15/20kW,向着30/40kW乃至更高功率不断演进。据各公司官网披露,通合科技、英飞源、优优绿能等均已研发出40kW充电模块产品;欧陆通12月28日在其官微披露,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品,包括75KWACDC液冷模块、63KWDCDC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。充电模块标准化程度在不断提高。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“六统一”:统一电气性能、统一结构布局、统一专用部件设计、统一通用器件选型、统一外形结构,统一设备安装;(2)充电模块“三统一”:统一模块外形尺寸、统一模块安装接口、统一模块通讯协议。充电桩和充电模块设计规范的标准化一定程度上解决了以往市场上产品兼容性差的问题,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。充电模块在工作过程中会产生大量热量,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,目前主流充电桩采用风冷散热模块。风冷散热技术应用较成熟,成本较低,其原理比较简单,通过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,但同时也产生大量噪音,影响周边居民。另一方面,模块内部元件与空气直接接触,容易积累灰尘、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,维护成本较高。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,目前采用较少,设备成本较高,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,其噪音显著低于风冷散热的高速:..风扇。液冷散热效率高于风冷散热,能适应将来大功率充电模块的散热需求。同时,因为模块内部元件与不空气直接接触,每年的维护成本较低,设备故障率也较低,设备使用寿命长。总的来说,液冷散热的总拥有成本要低于风冷散热。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、提高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,浪涌保护电路,电网连接电路和辅助电源电路几部分组成,MCU通过开关去控制与交流电网的断开与连接,以及在整流或者逆变模式下的负载和电流的管理,STSTGAP2S芯片控制相应的开关管,以确保开关频率和死区时间的独立管理。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,尺寸小,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。,碳化硅应用已拉开序幕充电模块作为充电桩的核心部件,其核心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,随着用户更加追求充电系统的小型化、高效化,功率器件作为充电桩的核心器件,也面临着不断优化和升级。:..(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,应用范围广泛。据Yole数据,MOSFET已占据功率器件市场最大份额,市场规模有望从2020年75亿美元增长至2026年的94亿美元。MOSFET在充电桩当中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,是电力电子领域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,在高压系统中更具优势。IGBT在充电桩当中同样作为核心开关器件应用,在充电模块工作时,三相交流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流电压,交流电压经高频变压器变压隔离后,再次经过整流滤波后得到直流脉冲,对电池组进行充电。。由于耐压能力与N外延层的厚度成正比、与掺杂浓度成反比,因此为提高平面MOSFET的击穿电压需要增加外延层厚度并降低掺杂浓度,此时会带来导通电阻急剧增加、开关损耗增大的不利影响。IGBT通过引入少数载流子导电来降低导通压降的方式会导致关断时产生电流拖尾,增加了开关损耗,同时开关频率也会降低。超级结MOSFET通过改进器件结构,具备更好的导通特性。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备极高的耐压性,从而使得提高器件击穿电压不再有赖于增加外延层厚度并降低掺杂浓度。在器件导通时,漂移区掺杂浓度提升,从而形成低导通电阻的电流通路。因此超级结MOSFET能够在:..保证较低导通电阻的同时大大提高耐压性,并可以进一步提高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,并将充分受益于充电桩的快速建设。据Omidia和Yole预测,2020年全球超级结MOSFET晶圆出货量(折合8英寸),,%,增长速度约为普通硅基MOSFET的两倍左右,同时全球超级结MOSFET产品市场规模也将于2024年达到10亿美元。:材料改进推动解决充电难题为缩短充电速度、与产业链协同共同向高压架构迈进,功率半导体器件应具备更优良的耐高压特性。与硅材料相比,碳化硅材料具备更高:..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(单位面积导通电阻)更低的器件。据ROHM,900V平台下相同导通电阻的SiCMOSFET芯片尺寸仅为硅基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。在功率器件开启或关闭时,由于IGBT关断时存在拖尾电流,与IGBT搭配使用的FRD在开关过程中也存在较大的反向恢复电流,因此充电桩中应用IGBT模块会导致较大的导通损耗。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减少,换流速度的加快也有助于减少开关损耗、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。据半导体投资联盟,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、减少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成本制约,尤其是在城市寸土寸金的繁华地段建设充电桩面临的城市空间成本,碳化硅器件能够大大简化充电模块电路结构,提高充电桩的功率密度,降低充电桩系统:..应用成本。据英飞凌工业半导体,采用SiCMOSFET的三相全桥PFC整流电路,相比Vienna拓扑电路,能够大大减少功率器件数量、简化电路结构,碳化硅器件更高的开关频率也可以降低电感的感量、尺寸和成本。另一方面,采用SiCMOSFET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、提高LLC电路开关频率的同时,可以减少磁性器件的尺寸和成本以及系统散热成本。结合考虑各方面成本以及使用体验,碳化硅器件在充电桩市场拥有巨大的市场潜力。,有望迎来百亿新增市场据第一电动网数据,充电桩硬件设备构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%。据统计数据,截至2021年底,:1,: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,交流充电桩,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销售的交流桩单价较高在2000-3000元之间,私人交流充电桩平均单价可取1500元。据乘联会数据,2022年国内新能源车保有量为1310