汽車充電模塊技術(shù)壁壘分析

汽車充電模塊技術(shù)壁壘分析汽車充電模塊技術(shù)壁壘新能源汽車充電模塊的關(guān)鍵技術(shù)主要涉及電力電子功率變換電路拓?fù)?、嵌入式軟件控制算法、高頻磁性元件設(shè)計(jì)、大功率散熱結(jié)構(gòu)及先進(jìn)制造工藝等方面，需要綜合運(yùn)用電路原理、現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)、電力電子技術(shù)、電力自動化技術(shù)、機(jī)械設(shè)計(jì)技術(shù)、自動控制技術(shù)、模擬電子技術(shù)、數(shù)字電路技術(shù)等學(xué)科知識。充電模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，內(nèi)含電子元器件眾多，單個(gè)充電模塊內(nèi)含超過2，500個(gè)電子元器件，是影響直流充電設(shè)備性能的重要部件。直流充電設(shè)備的快充能力是通過大電流和高壓化來實(shí)現(xiàn)大功率的電能輸出，這對充電模塊的性能提出了更高的要求。隨著電壓和功率等級的提升，充電模塊的電力電子功率變換電路拓?fù)?、嵌入式軟件控制算法、高頻磁性元件設(shè)計(jì)、大功率散熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等方面的難度也隨之提高，同時(shí)也要保證其安全性和可靠性，對充電模塊廠商提出了新的要求，進(jìn)一步提高了充電模塊的技術(shù)門檻。國內(nèi)電動汽車充電設(shè)備市場容量充電樁其功能類似于加油站里面的加油機(jī)，可以固定在地面或墻壁，安裝于公共建筑（公共樓宇、商場、公共停車場等）和居民小區(qū)停車場或充電站內(nèi)，可以根據(jù)不同的電壓等級為各種型號的電動汽車充電。隨著我國新能源汽車行業(yè)高速發(fā)展，電動汽車銷售量與保有量迅速增長，充電需求快速增長，同時(shí)充電樁產(chǎn)業(yè)支撐政策不斷推出，政府補(bǔ)貼從補(bǔ)車轉(zhuǎn)向補(bǔ)樁，從建設(shè)補(bǔ)貼拓展到運(yùn)營補(bǔ)貼，推動新能源充電樁行業(yè)加速發(fā)展。2022年5月，《國家發(fā)展改革委等部門關(guān)于進(jìn)一步提升電動汽車充電基礎(chǔ)設(shè)施服務(wù)保障能力的實(shí)施意見》明確到十四五末，我國電動汽車充電保障能力進(jìn)一步提升，形成適度超前、布局均衡、智能高效的充電基礎(chǔ)設(shè)施體系，能夠滿足超過2000萬輛電動汽車充電需求。到十四五末，我國電動汽車充電保障能力進(jìn)一步提升，形成適度超前、布局均衡、智能高效的充電基礎(chǔ)設(shè)施體系，能夠滿足超過2000萬輛電動汽車充電需求。近年來我國充電樁保有量增長較快。2021年我國充電樁保有量為261．7萬臺，較上年同比增長55．7%。截止到2022年9月底，我國充電樁保有量已達(dá)448．8萬臺，較2015年擴(kuò)張了68倍。從細(xì)分市場看，國內(nèi)公共充電樁保有量已達(dá)163．6萬臺，占比36%，私人充電樁保持更快增長，保有量上升至285．2萬臺，占比64%。對公共充電樁來說，直流充電樁和交流充電樁兩大類型占比結(jié)構(gòu)較為穩(wěn)定。其中交流充電樁93．1萬臺，直流充電樁70．4萬臺，占比分別為68．2%和31．8%。充電樁行業(yè)競爭概況目前我國正處于充電站基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的高峰期，相關(guān)企業(yè)持續(xù)涌入，其中設(shè)備零部件生產(chǎn)商（裝備端）和充電樁運(yùn)營商（運(yùn)營端）是充電樁產(chǎn)業(yè)鏈最主要的環(huán)節(jié)。充電樁設(shè)備端的技術(shù)門檻相對較低，產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)化程度較高，供應(yīng)商數(shù)量多，因此市場競爭較充分。由于設(shè)備門檻低，充電樁整機(jī)制造商與元器件生產(chǎn)商、中下游的建造運(yùn)營商有部分重合。比如特銳德雖主要負(fù)責(zé)充電樁的運(yùn)營，但也進(jìn)行充電設(shè)備元器件的生產(chǎn)，普天新能源和特斯拉的業(yè)務(wù)也兼顧了充電樁的整機(jī)制造和運(yùn)營。充電樁運(yùn)營商按商業(yè)模式分為運(yùn)營商主導(dǎo)模式、車企主導(dǎo)模式、第三方充電服務(wù)平臺主導(dǎo)模式三種，運(yùn)營商主導(dǎo)模式運(yùn)營管理效率高，為現(xiàn)階段市場主要運(yùn)營模式，現(xiàn)階段公共充電樁運(yùn)營商集中度較高。海外充電樁需求顯著放量隨著歐美新能源汽車銷量快速增長，充電樁配套建設(shè)需求旺盛。在政策推動下各國有望加快發(fā)展，海外充電樁需求顯著放量。歐美市場新能源汽車與公共充電樁的車樁比均較高。根據(jù)IEA統(tǒng)計(jì)，2021年歐洲新能源汽車保有量為550萬輛，公共充電樁保有量為35．6萬座，公共車樁比達(dá)15:1。2021年美國新能源汽車保有量為200萬輛，公共充電樁保有量為11．4萬座，公共車樁比達(dá)18:1。當(dāng)前歐美新能源汽車市場配套基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)明顯不足，其充電樁市場存在較大改善空間。根據(jù)IEA預(yù)測，到2025年歐盟新能源汽車保有量有望達(dá)到2190萬輛，2021-2025年復(fù)合增長率達(dá)41%，到2030年有望達(dá)到5800萬輛，2025-2030年復(fù)合增長率達(dá)22%。根據(jù)IEA預(yù)測，到2025年美國新能源汽車保有量有望達(dá)到1100萬輛，2021-2025年復(fù)合增長率達(dá)53%，到2030年有望達(dá)到3830萬輛，2025-2030年復(fù)合增長率達(dá)28%。伴隨著新能源汽車銷量持續(xù)增長，歐美市場對充電樁的需求快速攀升。但目前歐美市場的車樁比遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于國內(nèi)水平，在其政府補(bǔ)貼政策的積極推動下，歐美市場充電基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)將迎來顯著放量。歐洲方面，歐盟委員會于2021年7月發(fā)布了名為fitfor55環(huán)保減排一攬子計(jì)劃，要求各成員國加快新能源汽車基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，確保主要道路每隔60公里就有1座電動汽車充電站，并提出到2025年建設(shè)100萬臺公共充電樁的目標(biāo)。美國方面，2023年2月，拜登政府發(fā)布了全美電動汽車充電設(shè)施網(wǎng)絡(luò)最終規(guī)定，計(jì)劃在2030年前投資75億美元在全美建設(shè)50萬臺公共充電樁。但要求聯(lián)邦政府資助的電動汽車充電器必須在美國生產(chǎn)；并要求，從2024年7月起，55%的充電器成本需要來自美國零部件，同時(shí)特斯拉公司將向其他汽車型號開放其充電服務(wù)。充電樁中游運(yùn)營處于壟斷競爭格局充電樁產(chǎn)業(yè)鏈的中游為充電運(yùn)營商，負(fù)責(zé)運(yùn)營大型充電站或提供充電樁充電服務(wù)等，中游充電運(yùn)營的投資成本大，需要較強(qiáng)的資金實(shí)力，屬于重資本環(huán)節(jié)，是行業(yè)潛在入局者較難進(jìn)入的一個(gè)環(huán)節(jié)。充電樁運(yùn)營商按商業(yè)模式主要分為運(yùn)營商主導(dǎo)模式、車企主導(dǎo)模式、第三方充電服務(wù)平臺主導(dǎo)模式三種。運(yùn)營商主導(dǎo)模式的運(yùn)營管理效率高，為現(xiàn)階段市場的主要運(yùn)營模式，代表企業(yè)包括特來電、星星充電、國家電網(wǎng)、南方電網(wǎng)等。目前公共充電樁運(yùn)營商集中度高。截至2022年末，全國充電運(yùn)營企業(yè)所運(yùn)營公共充電樁數(shù)量CR10達(dá)86．3%。其中CR4達(dá)64．6%，依次為特來電運(yùn)營36．3萬臺，占比20．2%；星星充電運(yùn)營34．2萬臺，占比19%；云快充運(yùn)營25．9萬臺，占比14．4%；國家電網(wǎng)運(yùn)營19．6萬臺，占比10．9%。按照不同的充電技術(shù)分類，目前充電樁主要分為直流充電和交流充電兩大類。交流充電又稱慢充，交流充電樁的技術(shù)成熟，結(jié)構(gòu)較為簡單，易于安裝且成本較低，采用常規(guī)電壓、充電功率小、充電慢，大多安裝在居民小區(qū)停車場。直流充電又稱快充，先將交流電轉(zhuǎn)化為直流電，再通過充電插口直接給電池充電。直流充電樁的技術(shù)和設(shè)備較交流充電樁復(fù)雜，制造成本和安裝成本等均較高，采用高電壓、充電功率大、充電快，目前更適用于對充電時(shí)長要求較高的場景，如出租車、公交車等，一般安裝在集中式的充電站。我國公共充電樁包含直流充電樁和交流充電樁兩大類。目前仍以交流充電樁為主流，交流充電樁和直流充電樁大概占比為6：4。同時(shí)近三年來公共直流充電樁的占比逐年提升，2020-2022年，占比分別為38．3%、41%、42．3%。從歐洲充電樁市場結(jié)構(gòu)來看，存量公共充電樁也主要以慢充樁為主，但近年來快充樁的占比呈逐年提升的趨勢。從美國充電樁市場結(jié)構(gòu)來看，存量公共充電樁同樣主要以慢充樁為主，慢充樁占比略低于歐洲市場。2019年開始其快充樁的占比明顯提升，且連續(xù)三年呈提升趨勢。充電便利性和縮短充電時(shí)長是解決新能源汽車發(fā)展的痛點(diǎn)之一。目前市場上已有多款車型的續(xù)航里程達(dá)到500km以上，隨著車輛續(xù)航里程不斷增加，用戶迫切需求更大功率的充電技術(shù)和更快的充電速度，希望充電時(shí)長在20min以內(nèi)。快充技術(shù)加速應(yīng)用對于推動新能源車快速發(fā)展至關(guān)重要。目前各國政策從頂層設(shè)計(jì)積極推動快充技術(shù)發(fā)展，未來快充樁占比有望逐步提高。電池充電電量=充電功率×充電時(shí)間，即充電功率越大，充電時(shí)間越短。充電功率=系統(tǒng)電壓×充電電流。因此，實(shí)現(xiàn)快充有兩條技術(shù)路線：一是大電流快充技術(shù)，一是高壓快充技術(shù)。大電流快充技術(shù)，需要升級電芯的材料體系和結(jié)構(gòu)，以提高單體電芯的最大充電電流，對電池的各個(gè)部分進(jìn)行分區(qū)同時(shí)充電，對熱管理要求高，技術(shù)難度較大，因此推廣難度較大。此技術(shù)應(yīng)用以特斯拉Model3為代表，最大充電電流可達(dá)700A，實(shí)現(xiàn)30分鐘充80%電量。高壓快充技術(shù)是目前車企實(shí)現(xiàn)快充的主流選擇，該技術(shù)難度相對較小，成本相對可控。為了實(shí)現(xiàn)超級快充，緩解充電焦慮，目前主流新能源車企紛紛推出800V高壓平臺車型，并將于2023年陸續(xù)上市。后續(xù)高壓快充車型將加速投放市場，預(yù)計(jì)到2025年國內(nèi)高壓快充車型銷量有望突破500萬輛，在新能源汽車中滲透率將達(dá)40%。實(shí)現(xiàn)高壓快充需要搭配大功率直流充電樁，目前市場存量充電樁大多只能支持400V電壓，快充需求推動充電樁技術(shù)變革，未來新建快充樁將大部分具備3C及以上大功率充電能力。充電樁核心部件需要升級適配，大功率充電模塊需求提升，對于充電樁所采用的功率器件的耐壓性、轉(zhuǎn)換效率、導(dǎo)通損耗等性能要求也更高，并且需要快充液冷散熱系統(tǒng)支持。具備相關(guān)技術(shù)儲備的設(shè)備生產(chǎn)商將率先受益。換電站為充電樁之外的又一補(bǔ)能模式。與充電樁模式相比，換電模式的關(guān)鍵優(yōu)勢在于補(bǔ)能效率高，換電耗時(shí)不超5分鐘。同時(shí)車電分離模式能夠降低購車門檻，尤其適用于有運(yùn)營成本控制壓力的出租車、商用車的電動化推廣。換電模式包括：底盤換電、側(cè)方換電、分箱換電。目前底盤換電是市場的主流模式，約占80%的市場份額，主要用于乘用車；側(cè)身換電約占8%的市場份額，主要用于商用車（重卡、礦卡等）；分箱換電目前應(yīng)用較少，主要用于乘用車，其最大的優(yōu)勢是易實(shí)現(xiàn)換電統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)化操作。換電站產(chǎn)業(yè)鏈的上游可以分為換電設(shè)備和動力電池廠商兩大部分，中游為換電站運(yùn)營商，下游為可換電的新能源汽車以及動力電池回收。換電模式主要包括集中充電模式和充換電模式。集中充電模式是通過集中型充電站對大量電池集中存儲、集中充電、統(tǒng)一配送，并在電池配送站內(nèi)對電動汽車提供電池更換服務(wù)。充換電模式是以換電站為載體，換電站同時(shí)具備電池更換和電池充電功能，站內(nèi)包括供電系統(tǒng)、充電系統(tǒng)、電池更換系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)、電池檢測與維護(hù)管理部分等。此外，換電模式的推廣有利于汽車制造商或動力電池制造商作為回收主體提前鎖定廢舊電池來源，實(shí)現(xiàn)批量回收，從而提高回收利用效益。2021年國內(nèi)新能源換電汽車銷量約16萬輛，同比增長1．6倍，市場滲透率約5%，保有量約25萬輛，同比增長1．8倍。隨著換電技術(shù)、商業(yè)模式不斷成熟，新能源換電汽車市場有望實(shí)現(xiàn)高速增長。預(yù)計(jì)到2025年新能源換電汽車銷量有望達(dá)192萬輛，CAGR約86%，市場滲透率約16%，保有量有望達(dá)400萬輛。近年來新能源汽車快速發(fā)展同樣推動了換電站需求快速增長。2021年以來，換電模式得到了國家政策的大力支持，各地加大對換電站建設(shè)的力度。截至2022年末，全國換電站保有量達(dá)1973座，較上一年度增長52%。其中北京、廣東、浙江、江蘇、上海等地?fù)碛袚Q電站數(shù)量位居前五位，均超百座。目前，蔚來奧動新能源和伯坦科技為國內(nèi)主要換電運(yùn)營商，分別運(yùn)營著1300座、565座和108座換電站，分別占比66%、29%、5%。蔚來規(guī)劃于2023年新增1000座換電站，累計(jì)建成超過2300座換電站。在近年來各地政策的大力推動下，未來隨著換電技術(shù)不斷進(jìn)步、商業(yè)模式逐步成熟，市場前景愈發(fā)明朗，換電運(yùn)營商、主機(jī)廠、動力電池廠商紛紛角逐換電賽道。其中，換電運(yùn)營商奧動新能源、伯坦科技加快與主流車企合作開發(fā)換電車型；蔚來、吉利、北汽、廣汽、上汽、一汽、東風(fēng)、長安、小鵬、哪吒、江淮等主機(jī)廠積極研發(fā)換電車型，部分車企已實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)；動力電池廠商寧德時(shí)代、國軒高科、孚能科技等積極探索推進(jìn)換電業(yè)務(wù)。展望未來，考慮快充技術(shù)的快速發(fā)展，在輕型車領(lǐng)域，換電技術(shù)的優(yōu)勢會有所削弱，預(yù)計(jì)換電技術(shù)將主要應(yīng)用于快充較難實(shí)現(xiàn)的重卡等商用車領(lǐng)域。隨著快充技術(shù)和換電技術(shù)持續(xù)進(jìn)步優(yōu)化，中長期有望形成快充+換電并存的新能源汽車配套基礎(chǔ)設(shè)施格局。充電樁產(chǎn)業(yè)鏈分析新能源汽車充電樁產(chǎn)業(yè)鏈的上游為建設(shè)及運(yùn)營充電樁所需要的元器件和設(shè)備生產(chǎn)商；中游為充電運(yùn)營商；下游為各類電動汽車用戶和充電服務(wù)運(yùn)營解決商。其中設(shè)備生產(chǎn)商和充電樁運(yùn)營商是充電樁產(chǎn)業(yè)鏈中最主要的環(huán)節(jié)。充電樁產(chǎn)業(yè)鏈的上游系各類元器件和充電設(shè)備生產(chǎn)商，提供各種充電樁元器件和充電設(shè)備，包括充電模塊（IGBT、逆變器、變壓器、整流器等）、配電濾波設(shè)備、監(jiān)控計(jì)費(fèi)設(shè)備、電池維護(hù)設(shè)備（斷路器、熔斷器等），以及其他元器件和設(shè)備包括接觸器、連接器、電度表、顯示屏、殼體、插頭插座、線纜、充電槍等。充電設(shè)備即充電樁硬件設(shè)備的成本是充電樁的主要成本，占比90%以上。其中充電模塊是充電樁的核心設(shè)備和主要成本來源，占充電樁硬件成本的50%左右。充電模塊的主要功能為將交