2023 年 1 月 30 日，工信部等八部門(mén)印發(fā)《組織開(kāi)展公共領(lǐng)域車(chē)輛全面電動(dòng)化先行區(qū)試點(diǎn)工作通知》，提出新增公共充電樁（標(biāo)準(zhǔn)樁）與公共領(lǐng)域新能源汽車(chē)推廣數(shù)量（標(biāo)準(zhǔn)車(chē)）比例力爭(zhēng)達(dá)到 1：1，高速公路服務(wù)區(qū)充電設(shè)施車(chē)位占比預(yù)期不低于小型停車(chē)位的 10%。意味著政策面上，對(duì)于新能源行業(yè)的發(fā)展及推動(dòng)，已經(jīng)在充電樁領(lǐng)域進(jìn)一步細(xì)化并展開(kāi)，有助于緩解電動(dòng)汽車(chē)車(chē)主及潛在車(chē)主對(duì)于里程的擔(dān)心與焦慮。
國(guó)產(chǎn)新能源汽車(chē)快充平臺(tái)的布局現(xiàn)狀
目前，國(guó)內(nèi)常見(jiàn)的普通快充設(shè)備充電時(shí)間仍需要 40min 左右，而慢充則將近要8h，新能源汽車(chē)廠商們陸續(xù)布局充電更快的大功率充電方案，充電速度爭(zhēng)相狂飆，并在這兩年紛紛落地。
小鵬G9作為全國(guó)首款支持800V高壓SiC平臺(tái)的量產(chǎn)車(chē)型，于2021年11月份廣州車(chē)展亮相，宣稱充電5分鐘，續(xù)航200公里，成為量產(chǎn)車(chē)型中充電速度最快的一款。
比亞迪早在2021年9月推出的e平臺(tái)3.0，就配備了800V閃充功能，實(shí)現(xiàn)了充電5分鐘，續(xù)航150公里。同時(shí)，其部分車(chē)型還搭配了號(hào)稱全球首創(chuàng)的電驅(qū)升壓技術(shù)，普通國(guó)標(biāo)快充站即可使用，可以達(dá)到充電15分鐘，續(xù)航300公里。
吉利在2021年發(fā)布的極氪001上引入了SEA浩瀚架構(gòu)，支持400V和800V兩種電壓架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了最快充電5分鐘，續(xù)航120公里的充電速度。
另外，理想、廣汽、東風(fēng)等多家主機(jī)廠商，也都在2021年前后就發(fā)布了800V/超級(jí)快充的技術(shù)與平臺(tái)，并將相關(guān)車(chē)型于2022、2023年逐步推出。暫且不說(shuō)別的，至少在充電速度上，能夠看到國(guó)內(nèi)新能源汽車(chē)的快速迭代。
就好像安卓手機(jī)一步步走向超級(jí)快充的歷程，從一開(kāi)始普通的Micro USB到后面逐步采用Type C接口，并隨著技術(shù)的突破，充電速度也開(kāi)始狂飆。某品牌“充電5分鐘，通話2小時(shí)”的宣傳語(yǔ)至今還朗朗上口，而現(xiàn)在不少國(guó)產(chǎn)安卓機(jī)廠商已經(jīng)可以達(dá)到10分鐘左右就幾乎可以充滿電的速度，讓終端消費(fèi)者手機(jī)電池續(xù)航的焦慮大大得到了緩解。
充電樁大功率化高壓化的變化趨勢(shì)
那么新能源汽車(chē)在充電技術(shù)與速度的升級(jí)和迭代過(guò)程中，有哪些趨勢(shì)和變化呢？不難發(fā)現(xiàn)，前面提到的多家主機(jī)廠商推出的超級(jí)快充，多數(shù)都是基于800V的高壓平臺(tái)。
正常來(lái)說(shuō)，電池電量=充電功率*充電時(shí)間=充電電壓*充電電流*充電時(shí)間。因此，在充滿相同電量的情況下，如果要縮短充電時(shí)間的話，那一定需要將功率提高，電壓和電流中總有一位需要承擔(dān)這項(xiàng)任務(wù)。眾所周知，電流越大，其傳輸過(guò)程中的損耗也越大，同時(shí)，大電流意味著電纜也需要更粗，耗材成本同樣會(huì)很大，因此，提高電壓成了最為理想的選擇。
所以，無(wú)論是機(jī)車(chē)端，還是充電樁端，高壓平臺(tái)的應(yīng)用是必然趨勢(shì)。雖然現(xiàn)狀是，并非所有的新能源汽車(chē)都可以一下子從低壓慢充跨越到高壓快充，但這是一個(gè)逐步迭代的過(guò)程，并且汽車(chē)相比手機(jī)的產(chǎn)品周期更長(zhǎng)，迭代的周期也會(huì)更久一些，但迭代的方向是不會(huì)變的。
直流快充樁逐漸替代交流慢充樁
另外一個(gè)現(xiàn)象，就是直流快充的充電樁正在逐步替代交流慢充的充電樁。交流充電樁和直流充電樁由于AC-DC變流環(huán)節(jié)的不同，而導(dǎo)致前者充電速度不及后者，通常就將交流充電樁稱為“慢充”，而將直流充電樁稱為“快充”。
圖：電動(dòng)汽車(chē)充電架構(gòu)
交流充電樁的本質(zhì)是一個(gè)帶控制的插座，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，在充電過(guò)程中需要車(chē)載充電機(jī)自身進(jìn)行變壓整流，因此交流充電樁本身幾乎用不到功率器件。反之，直流充電樁則更為復(fù)雜，其核心功能是將電網(wǎng)中的交流電提前轉(zhuǎn)化為可以直接向電池充電的直流電。整個(gè)充電模塊包括了半導(dǎo)體功率器件、集成電路、磁性元件等關(guān)鍵組成部分。
圖：充電模塊成本構(gòu)成
充電模塊本身占據(jù)充電樁硬件設(shè)備將近一半的成本，其中功率器件、磁性元件和半導(dǎo)體IC的占比分別為30%、25%、10%。
表：直流充電樁與交流充電樁對(duì)比
截至 2022 年 10 月，公共充電樁保有量中，直流快充樁占比約 42.3%，較 2018 年的 36.7% 提升約 5.7個(gè)百分點(diǎn)，伴隨下游新能源汽車(chē)快充車(chē)型的進(jìn)一步投放，未來(lái)直流快充樁占比有望進(jìn)一步提升。
從價(jià)值量看的話，交流慢充樁從家用的7kw到公用三相交流電的40kw，單價(jià)大概在2000-5000元之間；而直流快充樁功率基本都在50kw以上，單價(jià)也貴了不少，基本在3萬(wàn)元之上，部分功率更高的甚至可達(dá)十幾萬(wàn)元。因此，在直流快充逐步替代交流慢充的過(guò)程中，不光是占比的逐步提高，其單樁的價(jià)值量也在大幅提升，所用到的功率器件及半導(dǎo)體IC也會(huì)水漲船高。
除了這兩個(gè)趨勢(shì)變化外，前文提到比亞迪采用的電驅(qū)升壓技術(shù)也是值得關(guān)注的點(diǎn)。目前業(yè)內(nèi)不少?gòu)S家為了能夠加快充電速度，也在采用類似技術(shù)。有專業(yè)人士對(duì)比了比亞迪和華為的相關(guān)專利，發(fā)現(xiàn)比亞迪利用了電機(jī)的繞組作為400V轉(zhuǎn)800V升壓時(shí)的電感和MCU的功率管進(jìn)行功率轉(zhuǎn)換來(lái)實(shí)現(xiàn)的；而華為的專利是通過(guò)外置電感和MCU的功率管來(lái)實(shí)現(xiàn)升壓功能的，同時(shí)還包括了通過(guò)電驅(qū)放電的方案，覆蓋的面也更加廣泛。這一類技術(shù)，目前可以作為從400V到800V普及過(guò)程中的過(guò)渡方案。
背后功率器件那些事兒MOSFET、IGBT及碳化硅的應(yīng)用
功率器件作為充電模塊的核心部件，作用是通過(guò)整流、穩(wěn)壓、開(kāi)關(guān)、變頻等一系列操作幫助電流完成從充電樁端到達(dá)電池端這樣一整個(gè)充電的過(guò)程。目前，國(guó)內(nèi)充電樁采用的功率器件主要就是硅基的MOSFET和IGBT。
其中，MOSFET更適用于中小功率的應(yīng)用場(chǎng)景，是在充電樁中實(shí)現(xiàn)電能高效轉(zhuǎn)換、增強(qiáng)穩(wěn)定性的關(guān)鍵器件；而IGBT兼具M(jìn)OSFET高輸入阻抗和GTR低導(dǎo)通壓降的優(yōu)點(diǎn)，是理想的開(kāi)關(guān)器件，在高壓系統(tǒng)中也更具優(yōu)勢(shì)。
當(dāng)充電樁向高壓架構(gòu)發(fā)展的趨勢(shì)越來(lái)越明顯，高性能MOSFET的需求也越來(lái)越大，通過(guò)改進(jìn)器件結(jié)構(gòu)的超級(jí)結(jié)MOSFET應(yīng)運(yùn)而生了。超級(jí)結(jié)MOSFET能夠在保證較低導(dǎo)通電阻的同時(shí)大大提升耐壓性，并進(jìn)一步提高功率密度和工作頻率。目前國(guó)內(nèi)外的功率器件廠商均已布局相關(guān)產(chǎn)品。超級(jí)結(jié)MOSFET的產(chǎn)品市場(chǎng)規(guī)模也將于2024年達(dá)到10億美元，Omidia和Yole預(yù)測(cè)2020-2025年，全球超級(jí)結(jié)MOSFET晶圓出貨量CAGR達(dá)8.1%，增速為普通硅基MOSFET的兩倍。
還有碳化硅功率器件，根據(jù)ROHM測(cè)算，900V 平臺(tái)下相同導(dǎo)通電阻的碳化硅MOSFET 芯片尺寸僅為硅基 MOSFET 的 1/35、超級(jí)結(jié) MOSFET 的 1/10。與傳統(tǒng)硅器件相比，碳化硅模塊可以幫助充電樁提升近 30%的輸出功率、減少 50%左右的損耗，并增強(qiáng)充電樁的穩(wěn)定性。
目前碳化硅價(jià)格仍是硅基 IGBT 的 3-4 倍，而充電樁行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)激烈，對(duì)成本控制要求高，現(xiàn)階段碳化硅模塊在充電樁市場(chǎng)當(dāng)中滲透率較低。相比純碳化硅方案，目前硅基 IGBT+碳化硅 SBD 混合方案應(yīng)用更為廣泛。隨著全球碳化硅襯底產(chǎn)能的逐步釋放、工藝改善下良率的不斷提升以及技術(shù)方案的不斷成熟，碳化硅器件的價(jià)格持續(xù)下降，其在充電樁市場(chǎng)的應(yīng)用有望得到進(jìn)一步推廣。
里程焦慮問(wèn)題遠(yuǎn)期逐漸弱化
隨著充電樁速度的持續(xù)提升，背后各式各樣的功率器件都起著舉足輕重的作用，無(wú)論是硅基MOSFET、IGBT，還是碳化硅、氮化鎵等第三代半導(dǎo)體材料的應(yīng)用
雖然距離真正消除“里程焦慮”還很遠(yuǎn)，但可以說(shuō)這塊電動(dòng)汽車(chē)的“短板”正在被一點(diǎn)一點(diǎn)地補(bǔ)上。無(wú)論是大功率高壓充電平臺(tái)的趨勢(shì)，還是直流充電平臺(tái)的趨勢(shì)，適用的都是交通繁忙、停留時(shí)間短等需要快速補(bǔ)電的場(chǎng)景，比如商場(chǎng)、高速公路服務(wù)區(qū)的充電樁。針對(duì)的更多是終端消費(fèi)者需要快速補(bǔ)電的需求，而普通家用或工作場(chǎng)所等停留時(shí)間長(zhǎng)的應(yīng)用場(chǎng)景，快充的吸引力則較為有限。
對(duì)于這些應(yīng)用場(chǎng)景來(lái)說(shuō)，大多會(huì)安裝私人或小范圍人群共享的充電樁，即使是交流慢充的充電樁，通常都有足夠的時(shí)間去完成充電，考慮更多的是用電的成本，從而轉(zhuǎn)化為對(duì)每公里耗電成本的考量。
隨著功率器件硬件及解決方案的不斷進(jìn)步，充電模塊的不斷改進(jìn)，充電樁的充電速度也會(huì)不斷提升。如果有一天，電動(dòng)汽車(chē)的補(bǔ)電便利程度真的趕上了傳統(tǒng)燃油汽車(chē)，充電就像加油一樣方便，你還會(huì)糾結(jié)選購(gòu)電車(chē)嗎？（文：與非網(wǎng)eefocus）
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