充電樁產(chǎn)業(yè)鏈背后的芯片紅利
隨著歐洲市場的電動化趨勢不斷推進(jìn)，其充電樁的增速反而滯后于新能源車銷量的增長，且充電基礎(chǔ)設(shè)施出現(xiàn)分布不均衡的現(xiàn)象，整體數(shù)量偏少，公共車樁比持續(xù)推升。IEA數(shù)據(jù)顯示，歐洲新能源汽車銷量2022年達(dá)260.0萬輛，保有量達(dá)762萬輛，同年公共樁保有量為47.47萬個(gè)，車樁比創(chuàng)歷史新高，達(dá) 16:1，缺口不斷增大，給充電樁行業(yè)留下了巨大的空間。
在此背景之下，疊加歐盟此前政策規(guī)定要在2035年全面禁售燃油車，同時(shí)設(shè)定了2030年350萬個(gè)新充電站的目標(biāo)。因此，從市場和政策兩個(gè)層面，都表現(xiàn)出巨大的市場潛力。
美國充電樁基礎(chǔ)設(shè)施同樣滯后，甚至有過之而無不及。IEA數(shù)據(jù)顯示，2022年美國公共充電樁數(shù)量為12.8萬個(gè)，而新能源車保有量達(dá)296萬輛，車樁比高達(dá)23:1。
相對而言，美國各州之間存在的差距較大，除加州在公共樁保有量方面占據(jù)一定領(lǐng)先地位，其他州有陸續(xù)出臺支持電動車充電樁建設(shè)的政策，拜登曾在2022年9月宣布過9億元基礎(chǔ)設(shè)施法案資金，用于35個(gè)州新建新能源汽車充電站。
反觀國內(nèi)，2022年我國車樁比已達(dá)2.5:1，公共車樁比也達(dá)到了7.1:1。相對海外市場來講，本土充電樁的競爭也更為激烈，加上海外市場對于充電樁價(jià)格敏感度低，樁企售價(jià)和利潤空間均更高，因此國內(nèi)企業(yè)有足夠的動力出海“廝殺”。當(dāng)然，不同的地區(qū)，其對充電樁的標(biāo)準(zhǔn)制定也有所不同，因此也存在著一定的進(jìn)入門檻，對企業(yè)來說具有更高的挑戰(zhàn)性。若能在海外市場持續(xù)占據(jù)一定市場份額，將從一定程度上體現(xiàn)我國樁企產(chǎn)品的競爭力。
看到這里，你或許會疑惑，為什么對于這些地區(qū)主要的車樁比數(shù)據(jù)，筆者在橫向比較的時(shí)候主要采用了公共車樁比，而非強(qiáng)調(diào)總的車樁比數(shù)據(jù)。正常來說，電動汽車的補(bǔ)能措施，除了換電以外，主流的還是依靠交流充電樁和直流充電樁兩種。
交流充電樁需要通過車載充電機(jī)（OBC）來實(shí)現(xiàn)，受限于車內(nèi)空間小，而無法搭載及使用對散熱要求高的大功率充電設(shè)施，所以通過交流電樁充電補(bǔ)能的速度通常較慢；而直流充電樁則不同，由于直流快充樁擁有更大的空間，其整流器的功率也可以做得更大，在補(bǔ)電時(shí)將電網(wǎng)的交流電通過內(nèi)置整流器直接轉(zhuǎn)換成直流電，補(bǔ)給到動力電池端，充電效率更高。
值得一提的是，直流充電樁由于功率更大，結(jié)構(gòu)更復(fù)雜，核心部件包括AC/DC 轉(zhuǎn)化器、APFC和整流器等模塊，其內(nèi)部接觸器、熔斷器、控制電路等使用量都會明顯增加，因此成本要比內(nèi)部結(jié)構(gòu)相對簡單的交流充電樁高得多。
私人充電樁由于對時(shí)效性要求不高，通常都是采用交流充電樁。而直流充電樁則多用于對充電效率要求更高的場景，如公共樓宇、商場、公共停車場等。隨著快充的加速發(fā)展，直流充電樁將成為公共場合快充的主要發(fā)展方向，同時(shí)也代表著充電樁背后更高的附加價(jià)值——在半導(dǎo)體層面表現(xiàn)為更多的芯片、功率器件等等。
在直流充電樁的結(jié)構(gòu)中，充電模塊作為“心臟”充當(dāng)電能轉(zhuǎn)換的橋梁。其性能也將直接影響充電樁的整體性能，甚至是充電安全等相關(guān)問題，成本占比達(dá)50%之多。再往上游看，就涉及到芯片、功率器件、PCB等電子元器件。
其實(shí)充電模塊并不是近兩年才在國內(nèi)崛起，而是經(jīng)歷多年市場競爭和價(jià)格戰(zhàn)后，行業(yè)產(chǎn)品價(jià)格大幅下降，充分內(nèi)卷后才形成今天的格局。價(jià)格從2016年單瓦1.2元降至2022年的0.13元每瓦。同時(shí)，充電模塊的供應(yīng)商也從2015年底的近40家，到如今活躍在市場上的僅剩10來家，數(shù)量遠(yuǎn)少于充電樁制造和運(yùn)營環(huán)節(jié)的企業(yè)數(shù)量，頭部企業(yè)市占率較高，行業(yè)CR 5超過80%。
充電模塊單個(gè)產(chǎn)品內(nèi)有超過2500個(gè)元器件，其結(jié)構(gòu)之復(fù)雜，使得拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)會在很大程度上影響產(chǎn)品的性能和效率。其次，集成化能力也代表著充電模塊產(chǎn)品的競爭力。最后，散熱效率的表現(xiàn)也是充電模塊核心技術(shù)壁壘的一部分。這些都意味著充電模塊具有很高的行業(yè)技術(shù)壁壘。
從原理上講，當(dāng)充電模塊工作時(shí)，交流電經(jīng)過電路整流后，變成直流電供給DC/DC變化電路。控制器則通過軟件算法來驅(qū)動電路作用于半導(dǎo)體功率開關(guān)，從而控制充電模塊的輸出電壓和電流，從而對電池組進(jìn)行充電。在這過程中，關(guān)鍵的元器件包括功率器件、磁性元器件、電阻電容、芯片及PCB等。
隨著直流快充在公共樁中的應(yīng)用趨勢愈加明顯，充電模塊的功率也朝著更大的方向發(fā)展。單個(gè)充電模塊的功率從早期的3KW、7.5KW、15KW，到如今以 20KW、30KW為主，并朝著 40KW 甚至更高功率級別繼續(xù)挺進(jìn)。
在這過程中，碳化硅功率器件的應(yīng)用可以幫助提升充電模塊的功率密度及使用壽命。相比過去硅基器件，碳化硅由于具有更低的導(dǎo)通損耗和開關(guān)損耗、更高的開關(guān)頻率、耐高溫高壓等材料特性，碳化硅MOSFET正在高功率化及高壓平臺化的過程中逐步取代硅基器件，甚至包括IGBT的部分應(yīng)用場景。
另一方面，隨著功率的提升，散熱問題也一直受到充電模塊企業(yè)廣泛的關(guān)注。獨(dú)立風(fēng)道散熱的設(shè)計(jì)，通過優(yōu)化風(fēng)道使得散熱器與密閉箱體防水防塵，從而讓電子元器件免于粉塵污染和腐蝕，提高充電模塊的可靠性和使用壽命。
液冷散熱目前也是主要的發(fā)展方向之一。其全隔離防護(hù)的設(shè)計(jì)使得充電模塊具有更高的防護(hù)性，尤其是在惡劣環(huán)境下效果更加明顯。雖然成本更高，但效果更好，后期檢修維護(hù)的次數(shù)也會相應(yīng)降低，隨著技術(shù)的發(fā)展和成本的降低，未來有望成為充電模塊的主流散熱方式。
對于充電樁產(chǎn)業(yè)鏈而言，其實(shí)我們可以觀察到，無論是下游的充電整樁制造、設(shè)施運(yùn)營，還是中游的充電模塊，本土企業(yè)已經(jīng)占據(jù)主導(dǎo)地位，甚至有望出海搶占更多市場份額，產(chǎn)品具有一定競爭力。但再往上游走，到技術(shù)含量更高的半導(dǎo)體芯片、功率器件層面，國際廠商則占據(jù)著主導(dǎo)地位，無論是功率半導(dǎo)體還是充電芯片。
相比而言，電池管理芯片（BMIC）更具有產(chǎn)業(yè)的代表性，尤其是動力電池領(lǐng)域。BMIC被稱為“模擬芯片的皇冠”，但其實(shí)它是屬于數(shù)模混合芯片，既有數(shù)字端SOC/SOH 算法等功能的高技術(shù)壁壘，又需要模擬端深厚積累的模擬電路設(shè)計(jì)。
在ADI 2021年收購Maxim之后，它就和TI共同占據(jù)了全球BMIC市場六成的份額，使得市場呈現(xiàn)雙寡頭格局。根據(jù) GGII 數(shù)據(jù)，本土企業(yè)在2022上半年全球動力電池裝機(jī)量中占比超過五成，同時(shí)BMIC市場又不足一成。雖說巨大的份額差距、較高的行業(yè)關(guān)注度以及資本的紛紛入局，或有望加速國產(chǎn)替代，但就當(dāng)前而言，并沒有看到太多突破的跡象。
在國內(nèi)上市及擬上市公司中，在動力電池方向上的BMIC，筆者觀察到的相關(guān)突破寥寥無幾。鉅泉科技曾公告，預(yù)計(jì)2023年一季度首顆AFE芯片將流片；比亞迪半導(dǎo)體有動力電池管理相關(guān)的MCU產(chǎn)品；琪埔維產(chǎn)品包括汽車級電池組監(jiān)控器和隔離器。而國際廠商們已經(jīng)朝著BMIC通訊無線化，功能復(fù)雜化、智能化，高壓化、高可靠性，以及電池全生命周期延伸等諸多方向進(jìn)一步發(fā)展。
在深入研究充電樁產(chǎn)業(yè)鏈后，下游充電整樁制造及運(yùn)營企業(yè)以及中游的充電模塊，本土企業(yè)的強(qiáng)勢發(fā)展意味著在新能源車快速發(fā)展的時(shí)代，能夠與國產(chǎn)整機(jī)廠商的發(fā)展相互協(xié)同。
雖說隨著充電樁產(chǎn)業(yè)鏈不斷向上游演進(jìn)，到半導(dǎo)體芯片層面，甚至動力電池的BMIC方面，本土企業(yè)的落后也并不讓人意外，但筆者還是希望能夠看到更多的本土企業(yè)技術(shù)的突破及產(chǎn)品的出擊，來逐步扭轉(zhuǎn)不同產(chǎn)業(yè)鏈環(huán)節(jié)的本土、國際廠商地位的巨大反差。
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