2021年中国新能源汽车充电模块市场现状及发展趋势浅析

10月26日,国务院发布《2030年前碳达峰行动方案》,文件表示,大力推广新能源汽车,逐步降低传统燃油汽车在新车产销和汽车保有量中的占比。到2030年,当年新增新能源、清洁能源动力的交通工具比例达到40%左右。新能源汽车作为运输工具低碳转型的重要推动力,将进入快速发展期。无疑,与之相匹配的公共基础配套设施充电桩也将随之迎来广阔的市场前景。

我们知道,充电桩行业发展主要方向是围绕着大功率直流充电进行,其中基础设施核心是直流快充充电桩。常见的直流充电桩核心部件模块包括充电模块、控制模块、电源模块等,而充电模块是充电桩之心,也是构建高功率充电基础设施的核心部分。本文旨在浅要分析目前充电模块产品的发展现状和趋势。

充电模块的市场现状

作为大功率电源应用,充电模块的主要器件有半导体功率器件、磁性元件、电容等。但今年以来,受下游应用需求旺盛,器件产能受限等因素影响,芯片材料成本持续上涨,以MOS管为主要器件的充电模块的利润空间被严重压缩、减少。随着单位利润率的不断下降,充电模块企业规模化效应将越来越重要,产能必将进一步集中,处于行业供货量主流领先的企业,将会更加主导全行业的发展。

根据中国充电联盟最新数据,截至2021年9月公共类充电桩104.4万台,其中直流充电桩42.8万台、交流充电桩61.6万台。2021年1-9月,充电基础设施增量为54.2万台;截止9月,全国充电基础设施累计数量为222.3万台,同比增加56.8%。相较于2020年全年,公共充电桩保有量80.7万台,充电桩总量168.1万台,充电基础设施增量46.2万台,同比增长率12.4%;2021年前9个月的充电桩增量已大大超过2020年全年的水平,这显示全国充电桩行业的建设规模正持续扩大和快速成长。

从以上表格看到,2021年1-9月公共直流充电桩同比增加11.9万台,前9个月公共直流充电桩和公共交流充电桩增长量相当,相对于2020年公共直流充电桩的增长量和在公共充电桩增长总量中占比均有明显提升,而公共交流桩增长量则大幅降低,因此公共充电桩建设越来越重视直流充电桩的需求,随着新能源汽车总量快速增加,包含私人车主在内的对公共场景快速充电的需求正不断强化。预计公共直流充电桩在公共充电桩总量中的占比将进一步提升。

但现实是直流充电桩总体数量相对于蓬勃发展的新能源汽车数量明显不足。实际上车桩比相较于去年还拉高了,数据显示,新能源汽车保有量从2020年底的492万辆快速上升至2021年9月的678万辆,但充电桩增长速度相比新能源汽车的销量增速有所放缓,车桩比由2020年的2.94:1拉开至2021年9月底的3.05:1。

目前充电桩总量中公共桩占比尚不到一半,直流充电桩在公共充电桩总量中占比又不到一半,到2021年9月底新能源汽车保有量与公共桩保有量比例达到6.49:1,也就是说超过6辆新能源汽车共享一台公用充电桩,超过12辆车公用一台直流充电桩,车桩比不协同,正是国庆长假出现长时间等待充电窘境的重要原因之一。可以预见,以充电模块为核心器件的大功率直流充电桩增长潜力巨大。

近年来,与充电设施行业同步增长的充电模块市场经过激烈竞争,目前主要的充电模块供应商已屈指可数,总数维持在十家以内,市场占有率及出货量越来越向优势企业集中化。2020年数据显示,模块龙头企业英飞源市场占有率34.9%,多年保持出货量行业第一地位,其领先优势,与竞争对手呈现逐年拉大趋势,其市场占有率和技术迭代等综合实力亦不断增强。

与此同时,根据《新能源汽车产业发展规划(2021-2035年)》,2025年新能源汽车销量占比20%,2030年达到30%,新能源车保有量将在2025年达到1600万辆,2030年达到5200万辆。同时根据充电桩行业发展现状及对未来的预测,按照车桩比维持在3~3.5:1的水平,预测2020年充电桩保有量将达到175万台,2025年充电桩保有量将达到480万台,2030年充电桩保有量将达到1500万台。

基于上述对于直流充电桩建设增量的预测,并综合考虑充电桩功率提升以及生产成本长期下降的趋势,预计2021~2030年预计直流桩产值总额超过6000亿元,对应的充电模块产值总额在未来十年间可望超过3000亿元的规模。而对于充电模块厂商而言发展才刚刚开始。

充电模块产品的发展趋势

充电模块又称功率模块,是整个充电桩行业、唯一具有技术门槛的核心产品。目前,同尺寸的充电模块的功率密度逐渐升级,是行业广泛共识。由原来的10kW、15kW逐步增加到20kW、30kW、40kW,甚至更大功率。目前英飞源,永联,优优绿能、电王快充等企业均已批量生产使用40kW充电模块。

随着超级快充时代的到来,充电模块的容量升级、可靠性以及安全性面临着更高的要求。市面上中高压的功率器件产品也逐渐推向更新更多的需求与应用,以满足充电模块的广泛普及。值得一提的是,国网三统一标准的充电模块,统一模块外形尺寸、统一模块安装接口、统一模块通讯协议,为充电桩系统集成商及充电运营企业提供了更好的选择,国网三统一型充电模块仍是当下各企业的主流产品。相信随着行业快速发展,充电模块进一步标准化,预计会成为未来趋势。

充电模块的另一个技术演进路径是,模块散热方式的改变。充电模块主要散热方式为风冷散热,但充电桩都是野外环境使用,随着使用过程中经常会因为环境的恶劣导致充电模块的故障率特别高,风冷散热虽然经济性较好,但在抗击长时间高热运转下的散热功能相对较差,因此模块产品不断改进散热方式,从风冷发展到隔离风道散热,风道优化设计后,风只吹发热元器件,不发热或发热量小的器件位于PCB和机壳之间,并被挡风条保护,从而免于粉尘污染和腐蚀,同时所有半导体功率器件均密闭安装在专利设计的结构组件中,从而大大减少故障率,提高可靠性和使用寿命。

此外,全隔离防护技术下的液冷充电模块,采用全封闭模式,散热性能更好,具有更高防护性,效率和使用寿命,但由于其费用成本较高,短时间难以成为市场应用的主要产品,部分厂家有典型应用和新品推出,比如英飞源,英可瑞等。

值得注意的是,随着电价改革的深入发展,储能行业被强力驱动,电网与光储充互动融合发展成为充电桩行业发展的热点方向。作为电网与车,桩互动的转换中心,双向充电技术越来越受到重视,V2G双向充电技术和储能充电解决方案或将成为模块厂商的重要着力点。主要模块厂商英飞源,优优绿能等均有相关产品推出。

目前充电桩上下游产业链企业更多注意力放在如何将模块做到稳定、安全,高效的问题上。目前对于充电模块相关核心技术而言,各个企业之间的技术水平稍有差距,但是总体上差距不大。智能高效,易维护,安全可靠,操作性强的充电桩设备正是目前充电基础设施行业发展的基石和原动力。未来几年,充电模块将逐步满足车主的安全需求,同时采用大功率、高效、便捷可靠的新技术成为主要方向。

总结

随着我国“碳达峰和碳中和”发展目标的提出,新能源汽车的发展进程将进一步加速,充电基础设施如何迎接新挑战、把握新机遇将成为新主题。接下来,充电基础设施加速充电桩与通信技术、智能电网、车联网等技术有机融合。充电模块作为充电桩的重要一环,在其深入发展中,也必将助力充电桩行业的蓬勃发展。