新能源汽車充電樁行業(yè)市場分析

L充電樁是推動汽車電動化的基礎設施，大功率快充有望加速發(fā)展

1.1.充電樁是保障電動汽車出行的基礎設施，行業(yè)增速確定

充電樁是保障電動汽車用戶出行的基礎設施，是推動汽車電動化的最

基礎抓手。據(jù)充電聯(lián)盟數(shù)據(jù)，2022年12月相比2022年11月全國

新增6.6萬臺公共充電樁，同比增長56.7%,截至2022年12月，

聯(lián)盟內(nèi)成員單位總計上報公共類充電樁179.7萬臺，2022年1月

?2022年12月，月均新增公共類充電樁約5.4萬臺。根據(jù)電源輸入

能力不同，充電樁可分為3種充電類別，分別適用于不同的應用場景。

目前2級充電樁較為常見，由于充電時間較長，主要適用于家庭、工

作場所、賣場、飯店等“目的地充電”場景，3級充電設施主要應用于

交通繁忙、停留時間較短的地點。

根據(jù)電流輸出方式不同，充電樁又可分為交流充電樁和直流充電樁,

二者均固定在電動汽車外、與交流電網(wǎng)相連，主要區(qū)別在于AC-DC

變流環(huán)節(jié)不同。交流充電樁直接輸出的交流電，需要先經(jīng)過車內(nèi)OBC

轉換為直流電再向電池充電，充電速度較慢，俗稱“慢充”，而直流充

電樁將AC-DC變流環(huán)節(jié)外置，輸出的直流電可以直接向電池充電,

并且可以通過多模塊并聯(lián)實現(xiàn)極大的充電功率，充電速度較快，俗稱

“快充”。

圖2.電動汽車充電架構

1.2,充電樁往大功率快充方向發(fā)展，技術難度不斷提高

交流充電樁本質是一個帶控制的插座，主要包含交流電表、控制主板、

顯示屏、急停旋鈕、交流接觸器、充電槍線等結構，結構較為簡單,

需要車載充電機自己進行變壓整流，幾乎不涉及功率器件。直流充電

樁結構更為復雜，包括充電模塊、主控制器、絕緣檢測模塊、通信模

塊、主繼電器等部分，其中充電模塊乂稱功率模塊，核心功能是將電

網(wǎng)中的交流電轉化為可直接向電池充電的直流電，組成部分包括半導

體功率器件、集成電路、磁性元件、PCB、電容、機箱風扇等，是充

電模塊的關鍵組成部分。據(jù)第一電動網(wǎng)數(shù)據(jù)，充電樁硬件設備構成中

充電模塊占比最高約50%,其中功率器件占比約30%,磁性元件

(25%)、半導體IC(10%)、電容(10%)、PCB(10%),其

他如機箱風扇等占15%o

以15kW電池充電器模塊為例，目前常見直流充電樁拓撲電路采用3

相380VAC輸入電壓經(jīng)過兩路3相Vienna功率因數(shù)校正(PFC)后

得至ij800V直流電壓，再經(jīng)過兩路全橋LLCDC/DC電路后輸出

250V-750V直流電壓供電動汽車使用，功率器件在PFC整流電路以

及LLCDC/DC電路中均有應用，并在提高電路效率、優(yōu)化電路結構

等方面發(fā)揮重要作用。

1.3,直流快充需求旺盛，大功率充電面臨藍海市場

目前交流充電樁仍占主流，但直流快充有望提速發(fā)展。由于直流充電

樁面臨更高的技術壁壘，目前公共類充電樁當中交流充電樁仍為主流,

占比約60%,直流充電樁只占據(jù)約40%市場份額，但直流充電樁充

電速度更快、充電時間更短，更加匹配電動汽車用戶臨時性、應急性

的充電需求，據(jù)中國充電聯(lián)盟發(fā)布的《2021中國電動汽車用戶充電

行為白皮書》，直流充電樁已成為99.3%用戶的首選，因此直流充電

樁面臨較大的需求缺口，未來有望提速發(fā)展。

87.2019-2021中美歐新能源汽車滲透率（％）

2019-2021中美歐新能源汽車滲透率（%）

大功率充電樁可助力用戶獲得更貼近傳統(tǒng)燃油車加油的充電體驗。要

解決電動汽車用戶面臨的“充電焦慮”，除了提升充電樁布局密度，還

要進一步縮短充電時間。目前國內(nèi)常見的普通快充設備充電時間仍需

要40min左右，而慢充則需要8h左右，與傳統(tǒng)燃油車只需要5min

即可加油完畢的體驗相差較遠。相對十普通直流快充，大功率高壓充

電技術可幫助電動汽車實現(xiàn)快速補能，助力用戶獲得更貼近傳統(tǒng)燃油

車加油的充電體驗。目前大功率直流充電技術受到國際廣泛關注，各

國相繼開展大功率充電技術的研究和標準制定，日標CHAdeMO及

國標GB/T直流快充最大功率正在由400kW/250kW共同邁向900kW,

歐洲己經(jīng)完成了350kW大功率充電標準體系建設，目前正與美標一

同向460kW發(fā)展。

提高充電速度的方式主要包括提高電流和關高電壓兩種。大電流模式

容易產(chǎn)生高熱量損失，能夠實現(xiàn)的功率上限并不高，而且大電流下線

束加粗也會增加整車成本、降低使用便捷性，因此采用高電壓平臺架

構提高功率成為大多數(shù)廠商的選擇。高電壓技術的落地和推廣，需要

電動汽車端、電池端、充電樁端三方聯(lián)動，需要整個產(chǎn)業(yè)鏈上下游協(xié)

同發(fā)展、共同建設大功率高壓快充產(chǎn)業(yè)生態(tài)。

汽車端：目前電動汽車架構由400V升至800V所需的電池包、電驅

動、PTC、空調壓縮機、車載充電機等高壓零部件供應鏈基礎已較為

完備，各龍頭車企已爭相入局搶占市場。2019年4月保時捷

TaycanTurboS全球首發(fā)，成為業(yè)內(nèi)首款采用800V高電壓架構的車

型，并將最大充電功率提升到350kW,可以在22.5分鐘內(nèi)把

TaycanTurboS容量93.4kWh的動力電池從5%充至80%,提供300

公里的續(xù)航能力。

2021年9月，比亞迪發(fā)布e平臺3.0,有800V閃充功能，實現(xiàn)充電

5分鐘續(xù)航150公里。吉利推出的極氟001具備400V和800V兩種

電壓架構，10%-80%SOC充電時間僅需30分鐘，充電5分鐘續(xù)航

可增加120公里。2021年11月，小鵬汽車在2021廣州車展展示的

G9車型成為國內(nèi)首款基于800V高壓SiC平臺的量產(chǎn)車，充電5分

鐘最高可補充續(xù)航200公里，已于2022年Q3上市。理想汽車將同

步研發(fā)Whale以及Shark平臺800V高壓架構車型，并配備400kW

大功率充電樁，計劃于2023年以后每年至少推出兩款高壓純電動汽

車，實現(xiàn)充電10分鐘續(xù)航400公里。

圖8.2021年中美歐新能源汽車車樁比

2021年中美歐新能源汽車車樁比

電池端：動力電池是新能源汽車的核心零部件，對新能源汽車的成本、

續(xù)航里程、安全性發(fā)揮重要影響。據(jù)電池中國，快充技術對于電池包

的熱管理系統(tǒng)性能以及電芯層面能量密度、充電速度和安全性的平衡

都提出了更高的要求。目前國內(nèi)多家動力電池企業(yè)已在各方面取得技

術突破，布局高電壓平臺動力電池市場。

蜂巢能源2019年發(fā)布自主研發(fā)的全球首款短刀電池，能夠實現(xiàn)A0

級以上車型500km以上續(xù)駛里程，并實現(xiàn)2-4C快充性能，滿足800V

高壓電氣架構高端車型應用，0-80%SOC快充時間控制在30min以

內(nèi)。孚能科技自主研發(fā)的800VTC超充超壓技術可實現(xiàn)整包充電等

效2.2C,10%-80%SOC充電僅需15min,兼容400-800V系統(tǒng)，成

為國內(nèi)首個可量產(chǎn)的800V高電壓平臺，公司也憑借該技術獲“2021

高工金球獎——年度創(chuàng)新技術”獎項。寧德時代在超快充技術開發(fā)方

面同樣走在前列，通過超電子網(wǎng)、快離子環(huán)、各向同性石墨、超導電

解液、高孔隙隔膜、多梯度極片、多極耳、陽極電位監(jiān)控等多種技術

手段，可實現(xiàn)最快5分鐘充至80%電量。

充電樁端：將DC500系統(tǒng)升級到DC950系統(tǒng)后，只需變更充電槍

線、直流熔絲、直流接觸器等配電器件，充電模塊等核心部件無需重

新選型，因此充電樁逐步實現(xiàn)1000V以下的高壓化較為容易。而當

電壓提升至1000V以上，直流充電樁的結構將發(fā)生較大改變，同時

面臨來自技術、成本等方面的一系列挑戰(zhàn)。

在結構層面，目前主流充電樁是一體機，而大功率充電需要把核心控

制模塊和電路放在后端設備，多個充電終端共用一套后端設備從而形

成分體機。在技術層面，目前主流充電樁采用風冷散熱模塊，通過高

轉速風扇將空氣由前面板吸入后在模塊尾部排出，帶走機柜內(nèi)的熱量,

實現(xiàn)降溫效果，但空氣中夾雜的灰塵、鹽霧、水氣等會在散熱過程中

吸附在機柜內(nèi)部、腐蝕核心器件，導致系統(tǒng)充電效率降低、損耗設備

壽命，同時風冷散熱模塊運行時噪聲超70dB,也會給充電樁附近居

民帶來噪音干擾。

大功率充電樁對于散熱性能的要求更高，傳統(tǒng)風冷技術難以滿足其散

熱需求，液冷散熱技術成為必然選擇。液冷技術則通過冷卻液在密閉

通道中循環(huán)，實現(xiàn)發(fā)熱器件與散熱器之間的熱交換，采用大風量低頻

風扇或水冷機散熱，解決了傳統(tǒng)散熱方式下故障率高以及噪聲污染兩

大痛點問題，同時能夠實現(xiàn)更高的轉化效率。

在成本層面，一方面涉及到2015年以前建設的大量充電樁已不再滿

足當前大功率充電柱趨勢下的性能需要，老舊充電樁改造升級面臨著

來自設備更換、場地施工等各方面的成本壓力；另一方面，在大型城

市、繁華地段布局充電樁面臨著較為顯著的城市空間成本，對于大功

率充電樁的體積提出更高要求。大功率充電發(fā)展趨勢有助于更高性能

功率器件產(chǎn)品的導入。首先，目前實現(xiàn)大功率充電的方式主要依托于

高壓架構，因此需要應用擊穿電壓更高的功率器件；其次，充電樁運

營商對于成本比較敏感，因此為降低運營成本，充電樁需要應用轉換

效率更高、導通損耗更小的功率器件；最后，為控制城市空間成本、

減少占地面積，要求充電樁功率密度更高，相同尺寸下可以設計更高

功率的充電樁產(chǎn)品，應用更高性能的功率器件有助于簡化電路結構,

降低應用成本。

圖9.2021年ABB公司充電樁產(chǎn)品銷售區(qū)域.(%)

2021年ABB公司充電樁產(chǎn)品銷售區(qū)域的

?美洲地區(qū)?歐洲?亞洲、非洲和中東

1.4.國內(nèi)廠家具備成本優(yōu)勢，充電樁出海有望打開市場

1.4.1?海外新能源汽車滲透率快速上升，市場空間廣闊

歐洲方面，近年來，伴隨著歐盟收緊減排政策以及各國政府相繼推出

政策優(yōu)惠，新能源汽車在歐洲發(fā)展迅速，發(fā)展前景可觀。北美方面,

美國的新能源汽車市場方興未艾，根據(jù)Marklines的數(shù)據(jù)顯示，2021

年美國的新能源汽車滲透率僅僅為4.4%,顯示出巨大的增長潛力，

預計在2025年美國的新能源汽車銷量能夠達到大約473萬輛，新能

源汽車的保有量能夠達到1100萬輛。同時在政策層面，2022年拜

登總統(tǒng)在其簽署的《2022年通脹削減法案》中取消了對于車企的銷

量上限，并對購買新車提供稅收減免，美歐新能源汽車市場前景廣闊。

1.4.2.海外市場充電樁基礎設施發(fā)展滯后，顯示巨大市場缺口

與新能源汽車的快速發(fā)展相對應的是海外市場充電樁基礎設施的發(fā)

展緩慢，顯示出明顯的滯后性，公路充電桃缺口較大。根據(jù)ACEA

的數(shù)據(jù)顯示，歐洲充電樁的分布極其不均，主要分布在荷蘭、法國、

德國等5個國家。美國的新能源汽車發(fā)展起步，但充電樁的配套相比

之下更為不足，據(jù)IEA和AFDC數(shù)據(jù)，2021年美國新能源汽車保有

量204萬輛，充電樁保有量僅有13.3萬臺，車樁比高達15.3:1。歐

洲的車樁比也有較大缺口，據(jù)IEA數(shù)據(jù)，2021年歐洲新能源汽立保

有量546萬輛，公用充電樁35.6萬臺，對應車樁比15.3:1。

1.4.3.國外龍頭企業(yè)主導歐美市場，國內(nèi)企業(yè)有望借助成本優(yōu)勢打開

市場

目前歐美的充電樁市場由其本土企業(yè)主導，包括老牌電氣龍頭企業(yè)

（如ABB、西門子和施耐德等）以及第三方充電樁廠商（如北美

Chargepoint,歐洲EVBox等）。國內(nèi)企業(yè)出海面臨著認證標準、

客戶渠道等競爭壁壘，例如中國的充電樁生產(chǎn)進入歐洲需要通過CE

等認證，進入美國則需要UL、FCC等認證，對技術水平要求較高。

不過國內(nèi)企業(yè)的充電樁制造和人工成本較低，商業(yè)化成熟度高，有望

打開海外市場。

圖10.2021年美國市場L2充電樁運營競爭格局（％）

2021年美國市場L2充電樁運營競爭格局（％）

?Chargepoint-Tesla?SemaConnect-BlinkNetwork

?EVConnect?Greenlots(Shell)?Volta?Others

2.高容量電池+大功率快充有望在速度上追趕換電模式

電動汽車換電可分為集中充電和充換電兩種模式。集中充電模式通過

集中型充電站對大量電池進行集中存儲、集中充電、統(tǒng)一配送，電池

配送站負責進行電池更換，充換電模式則由換電站同時負責電池充電

和電池更換，擁有快換系統(tǒng)、充電系統(tǒng)、供電系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)等多項

功能模塊，充換電模式是當前市場普遍采用的換電方式。據(jù)樂晴智庫，

換電站內(nèi)充電系統(tǒng)主要以集中充電、交流慢充的方式對電池進行充電,

充電模塊仍是充電系統(tǒng)的核心部件，供應商包含泰坦、通合、華為等，

充電功率約10kW-60kW,充電電壓200V-500V,因此相比大功率快

充，換電模式對于功率器件的性能要求更低。

換電可以避免充電等待時長，快捷、靈活地解決充電難、充電慢問題，

是能夠實現(xiàn)電動汽車快速補能、助力用戶獲得加油站加油體驗的另一

路徑。換電技術能夠在當前車樁比緊張、快充充電樁供不應求的情況

下承接部分充電需求，尤其是在超級充電樁尚未大規(guī)模推廣、普通充

電又難以滿足部分車輛運營需求的應用場景下，換電技術優(yōu)勢明顯。

此外，換電能夠在重載荷和載荷敏感應用場景中降低車輛對電池裝機

的需求，“車電分離'模式還可以降低初次購置價格，目前換電技術主

要由重卡、運營車輛等市場開始切入。

據(jù)中國充電聯(lián)盟數(shù)據(jù)，蔚來占據(jù)國內(nèi)換電市場較大份額。根據(jù)蔚來官

方網(wǎng)站數(shù)據(jù)顯示，截至2022年，蔚來累計建設1300多座換電站、

13000多根充電樁c蔚來換電技術擁有超過1400項專利，于2022

年12月24日（NIODay）發(fā)布了第二代換電站與500kW超快充。

第三代換電站采用全新的三工位協(xié)同換電模式，相較第二代換電站服

務能力提升30%,單日最大換電能力提升至408次，單次換電時間

進一步縮短，縮短了20%；第三代換電站還將配備2顆激光雷達和2

顆英偉達OrinX芯片，總算力達到508TOPS,可實現(xiàn)車輛召喚換電

功能，以創(chuàng)新性功能直擊客戶需求。

同時運用了自主研發(fā)的HPC雙向大功率液冷電源模塊，使得最高效

率達到98%,充放電功率達到62.5千瓦，使得換電站內(nèi)電池充放電

效率大幅提高，有利于電網(wǎng)互動流暢和諧，第三代換電站將會從2023

年3月起全面部署。據(jù)蔚來NIOPower2025換電站布局計劃，

2022-2025年蔚來將在中國市場每年新增600座換電站，至2025年

底蔚來換電站全球總數(shù)超4000座,其中中國以外市場換電站約1000

座。

隨著快充技術快速發(fā)展，換電優(yōu)勢將被削弱。據(jù)中國充電聯(lián)盟數(shù)據(jù)，

截至2022年3月，國內(nèi)換電站保有量達到1451座，同比增長136.7%,

其中北京市以269座換電站保有量位列各省份換電站總量排行榜榜

首。隨著2021年11月《電動汽車換電安全要求》國家標準正式實

施、各車企積極研發(fā)和投放換電車型，換電模式市場規(guī)模有望穩(wěn)步增

長。據(jù)《中國電動汽車充電基礎設施發(fā)展戰(zhàn)略與路線圖研究

2021-2035》預判，在輕型車領域，隨著快充技術快速發(fā)展，換電技

術的優(yōu)勢將有所削弱，而在快充較難滿足需求的重卡領域，換電技術

能夠助力車輛實現(xiàn)電動化，近中期發(fā)展有望加速，中長期有望形成“快

充+換電”并存格局。

圖12.蔚來汽車換電站

3.作為下一代技術路線，V2G尚處于摸索階段

V2G(Vehicle-to-grid)即車輛到電網(wǎng)，描述了電動汽車與電網(wǎng)間的

雙向流動關系。電動車在電網(wǎng)負荷低時，可以吸納電能，在電網(wǎng)負荷

高時釋放電能。電動汽車用戶可以通過電力市場交易獲得輔助調峰服

務補貼或峰谷電價差的收益，降低電動汽車的使用成本；電網(wǎng)公司借

助用戶側靈活的儲能資源調控負荷，能夠減少電網(wǎng)在儲能建設上的投

資，提高電網(wǎng)效率和可靠性；V2G技術降低用戶使用電動汽車的成

本，間接提高了市場對電動汽車的需求，新能源汽車企業(yè)亦將受益。

國家已出臺多項相關政策，鼓勵發(fā)展V2G技術。2020年國務院出臺

的《新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃(2021-2035)》強調，在推動新能源汽

車產(chǎn)業(yè)發(fā)展時，需要同步推動產(chǎn)業(yè)間融合，尤其是加強新能源汽車與

電網(wǎng)(V2G)能量互動，鼓勵地方開展V2G示范應用。歐美等國多

以車企牽頭推進V2G技術的應用落地，中國國家電網(wǎng)是世界上最大

的公用事業(yè)企業(yè)，在推動V2G示范落地上具有巨大優(yōu)勢。威馬汽車

與國家電網(wǎng)聯(lián)合，共同推進V2G技術的落地應用，于2020年6月

順利通過全項V2G技術的車、樁實測與道路測試，并成為首家應用

V2G技術落地的造車新勢力。在電網(wǎng)和新能源汽車對V2G的協(xié)同發(fā)

展下，晟曼科技、星星充電等充電樁建設運營商也開始布局該領域,

未來，V2G技術將持續(xù)開拓充電基礎設施藍海市場。

V2G技術處在早期探索階段，市場尚未成熟。V2G從20世紀90年

代起進入各國研究領域，在中國，V2G技術仍處于試驗驗證和示范

運行階段，尚未進行商業(yè)推廣。V2G技術的使用需要不同技術組件

之間的協(xié)調互動，即新能源汽車、充電樁和電網(wǎng)等各個環(huán)節(jié)的系統(tǒng)性

配合，因此整體推進速度受限。此外，用戶側儲能主要通過電價的高

低差實現(xiàn)盈利，根據(jù)FraunhoferlSE批發(fā)電價信息，2022年德國峰

谷價差約合人民幣1.4元/度，而國內(nèi)各區(qū)域平均峰谷電價差較低，

根據(jù)北極星儲能網(wǎng)統(tǒng)計數(shù)據(jù)，2022年4月國內(nèi)大部分省市最大峰谷

價差處于0.5元/度-1.1元/度區(qū)間內(nèi)，用戶側儲能經(jīng)濟效益不明顯，

盈利空間有待提升。

圖14.2022年12月?lián)Q電站總量T0P10省份

4.充電模塊是充電樁的核心部件，技術迭代進入快車道

4.1.“一車一樁”目標在前，政策不斷向充電樁建設傾斜

《電動汽車充電基礎設施發(fā)展指南（2015-2020年）》首次提出“一

車一樁”目標，結合國家新能源汽車推廣應用相關政策要求和規(guī)劃目

標，經(jīng)測算到2020年需建成新增集中式充換電站超過1.2萬座，分散

式充電樁超過480萬個，以滿足全國500萬輛電動汽車充電需求，

車樁比基本實現(xiàn)1:1。但目前車樁比離這一目標相距甚遠，根據(jù)公安

部和中國充電聯(lián)盟數(shù)據(jù)，截至2022年底，我國新能源汽車保有量達

到1310萬輛，車樁比降至到2.5:1。近三年車樁比變化趨勢平緩，

主要是由于新能源汽車保有量增速過快，未來，政策助力充電樁行業(yè)

加速發(fā)展，車樁比將持續(xù)下降。

自2009年起國家啟動對新能源汽車的補貼，十年間新能源汽車補貼

政策不斷完善，國家對新能源汽車的發(fā)展路線愈加清晰，近年充電基

礎設施的短板已經(jīng)成為制約新能源汽車發(fā)展的重要因素，國家政策轉

向調整，新能源汽車的補貼基準逐年退坡，直至2022年底將完全退

出，補貼將向充電基礎設施及配套運營服務環(huán)節(jié)等方面傾斜。國家和

地方已積極出臺一系列產(chǎn)業(yè)鼓勵政策，將切實推動充電樁的高效建設

和合理布局。

4.2,充電模塊是充電樁的核心器件，技術在不斷迭代

交流充電樁：本質是一個帶控制的插座，主要包含交流電表、控制主

板、顯示屏、急停旋鈕、交流接觸器、充電槍線等結構，結構較為簡

單，需要車載充電機自己進行變壓整流，幾乎不涉及功率器件。直流

充電樁：其結構更為復雜，包拈充電模塊、主控制器、絕緣檢測模塊、

通信模塊、主繼電器等部分，其中充電模塊又稱功率模塊，是充電樁

行業(yè)具有技術門檻的核心部件，約占據(jù)充電樁總成本的50%,核心

功能是將電網(wǎng)中的交流電轉化為可直接向電池充電的直流電，組成部

分包括半導體功率器件、集成電路、磁性元件、PCB、電容、機箱風

扇等，半導體功率器件成本占充電模塊總成本的30%,是充電模塊

的關鍵組成部分。

圖17.國內(nèi)新能源汽車、電動車及充電樁保有量

■純電動車保有量（萬臺）

充電模塊是（直流）充電樁最核心的組件，單體功率持續(xù)迭代提升。

一個充電樁通常采用多個充電模塊并聯(lián)而成，比如120kW充電樁可

由8個15kW充電模塊組成，也可由4個30kW充電模塊組成。單

個充電模塊輸出功率越大，功率密度越高，能有效優(yōu)化樁內(nèi)空間,目

前充電模塊已歷經(jīng)第一代7.5kW、第二代15/20kW,向著30/40kW乃

至更高功率不斷演進。據(jù)各公司官網(wǎng)披露，通合科技、英飛源、優(yōu)優(yōu)

綠能等均已研發(fā)出40kW充電模塊產(chǎn)品；歐陸通12月28日在其官

微披露，公司在2022第三屆中國國際充電樁運營商大會上首次發(fā)布

多款充電模塊產(chǎn)品，包括75KWACDC液冷模塊、63KWDCDC液冷

模塊、30KW雙向ACDC模塊、25KW雙向ACDC模塊，由其全資

子公司上海安世博自主研發(fā)及生產(chǎn)，均采用SiC技術設計。

充電模塊標準化程度在不斷提高。國家電網(wǎng)對體系內(nèi)充電樁和充電模

塊發(fā)布標準化設計規(guī)范：（1）充電樁“六統(tǒng)一”：統(tǒng)一電氣性能、統(tǒng)

一結構布局、統(tǒng)一專用部件設計、統(tǒng)一通用器件選型、統(tǒng)一外形結構，

統(tǒng)一設備安裝；（2）充電模塊“三統(tǒng)一”：統(tǒng)一模塊外形尺寸、統(tǒng)一

模塊安裝接口、統(tǒng)一模塊通訊協(xié)議。充電樁和充電模塊設計規(guī)范的標

準化一定程度上解決了以往市場上產(chǎn)品兼容性差的問題，將有效推動

充電樁產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展。

風冷向液冷轉換是大功率充電模塊的散熱技術趨勢。充電模塊在工作

過程中會產(chǎn)生大量熱量，一般來說，充電模塊散熱方式主要有風冷散

熱和液冷散熱兩種，目前主流充電樁采用風冷散熱模塊。風冷散熱技

術應用較成熟，成本較低，其原理比較簡單，通過高轉速風扇將空氣

由前面板吸入后在模塊尾部排出，帶走機柜內(nèi)的熱量，實現(xiàn)降溫效果，

但同時也產(chǎn)生大量噪音，影響周邊居民。另一方面，模塊內(nèi)部元件與

空氣直接接觸，容易積累灰塵、腐蝕零件，充電樁故障率較高，使用

壽命短，每年還需要專人定期維護，維護工作復雜，維護成本較高。

并且風冷散熱效率較低，不能滿足未來大功率充電模塊的散熱需求。

液冷散熱技術起步較晚，目前采用較少，設備成本較高，其原理是，

通過冷卻液在密閉通道中循環(huán)，實現(xiàn)發(fā)熱器件與散熱器之間的熱交換,

采用大風量低頻風扇或水冷機散熱，其噪音顯著低于風冷散熱的高速

風扇。液冷散熱效率高于風冷散熱，能適應將來大功率充電模塊的散

熱需求。同時，因為模塊內(nèi)部元件與不空氣直接接觸，每年的維護成

本較低，設備故障率也較低，設備使用壽命長?？偟膩碚f，液冷散熱

的總擁有成本要低于風冷散熱。

充電模塊除了傳統(tǒng)的給汽車充電的功能之外，也在發(fā)展雙向充電技術。

模塊雙向充電技術的發(fā)展，進一步使得V2G技術和V2H技術得以實

現(xiàn)，在削峰填谷、平衡用電負荷、提高充電樁使用效率等方面起到積

極的作用。以意法半導體15KW三相維也納非隔離方案

STDES-PFCBID舊為例，整個方案由主功率回路，LCL濾波電路，

傳感電路，浪涌保護電路，電網(wǎng)連接電路和輔助電源電路幾部分組成，

MCU通過開關去控制與交流電網(wǎng)的斷開與連接，以及在整流或者逆

變模式下的負載和電流的管理,STSTGAP2s芯片控制相應的開關管,

以確保開關頻率和死區(qū)時間的獨立管理。該方案可同時實現(xiàn)AC/DC

和DC/AC的雙向轉換，也可以實現(xiàn)純數(shù)字控制和靈活配置，尺寸小，

頻率高，可達100KHZ。此外,其控制芯片可以輸出12路高精度PWM,

頻率可以配置2至3級拓撲。

4.3,功率器件是充電模塊的核心部件，碳化硅應用已拉開序幕

充電模塊作為充電樁的核心部件，其核心功能的實現(xiàn)主要依托于功率

半導體器件發(fā)揮整流、穩(wěn)壓、開關、變頻等作用，隨著用戶更加追求

充電系統(tǒng)的小型化、高效化，功率器件作為充電樁的核心器件，也面

臨著不斷優(yōu)化和升級。

圖20.充電模塊成本構成

機箱風扇

及其他,半導體功

15%率器件,

電容,30%

10%

PCB,

10%

集成電

路，10%

件,25%

4.3.1.目前國內(nèi)充電樁所采用的功率器件主要是硅基MOSFET和

IGBT

MOSFET（金屬氧化物半導體場效應管）是一種較為成熟的功率器

件，更適用于中小功率應用場景，具有工作頻率高、驅動功率小、抗

擊穿性好、電流關斷能力強等優(yōu)點，應用范圍廣泛。據(jù)丫。?數(shù)據(jù)，

MOSFET已占據(jù)功率器件市場最大份額，市場規(guī)模有望從2020年

75億美元增長至2026年的94億美元。MOSFET在充電樁當中是實

現(xiàn)電能高效轉換、增強充電樁穩(wěn)定性的關鍵器件，受益于充電樁市場

的快速發(fā)展迎來增長機遇。

IGBT是由BJT（雙極型三極管）和MOS（絕緣棚型場效應管）組成

的復合全控型電壓驅動式功率半導體器件：兼有MOSFET的高輸入

阻抗和GTR的低導通壓降兩方面的優(yōu)點，是電力電子領域較為理想

的開關器件。相對于MOSFET,IGBT擁有電導調制效應，能夠承載

更高的電流密度，同時克服了MOSFET通態(tài)電阻隨電壓升高而增大

的問題，在高壓系統(tǒng)中更具優(yōu)勢。IGBT在充電樁當中同樣作為核心

開關器件應用，在充電模塊工作時，三相交流電源經(jīng)過整流濾波后轉

為直流輸入電壓供給IGBT橋，控制器通過驅動電路作用于IGBT將

直流電壓轉換為脈寬調制的交流電壓，交流電壓經(jīng)高頻變壓器變壓隔

離后，再次經(jīng)過整流濾波后得到直流脈沖，對電池組進行充電。

4?3.2?超級結MOSFET是對■傳統(tǒng)MOSFET的結構改進

充電樁向高壓架構發(fā)展的趨勢促進高性能MOSFET在充電樁市場的

應用。由于耐壓能力與N外延層的厚度成正比、與摻雜濃度成反比，

因此為提高平面MOSFET的擊穿電壓需要增加外延層厚度并降低摻

雜濃度，此時會帶來導通電阻急劇增加、開關損耗增大的不利影響。

IGBT通過引入少數(shù)載流子導電來降低導通壓降的方式會導致關斷時

產(chǎn)生電流拖尾，增加了開關損耗，同時開關頻率也會降低。

超級結MOSFET通過改進器件結構，具備更好的導通特性。相比平

ffiMOSFET,超級結MOSFET通過在漂移區(qū)設置多個P柱，形成

交替PN結結構。在器件關斷時，P區(qū)和N區(qū)的電荷相互平衡而建立

的耗盡層具備極高的耐壓性，從而使得提高器件擊穿電壓不再有賴于

增加外延層厚度并降低摻雜濃度。在器件導通時，漂移區(qū)摻雜濃度提

升，從而形成低導通電阻的電流通路。因此超級結MOSFET能夠在

保證較低導通電阻的同時大大提高耐壓性，并可以進一步提高功率密

度和工作頻率。

在公共直流充電樁所需的工作功率和電流要求下，超級結MOSFET

以其更低的導通損耗和開關損耗、高可靠性、高功率密度正在逐步占

據(jù)更大的市場份額，并將充分受益于充電獨的快速建設。據(jù)Omidia

和Yole預測，2020年全球超級結MOSFET晶圓出貨量（折合8英

寸）約為23.8萬片，2025年將增長至35.1萬片，CAGR達8.1%,

增長速度約為普通硅基MOSFET的兩倍左右，同時全球超級結

MOSFET產(chǎn)品市場規(guī)模也將于2024年達至億美元。

圖27.STDES-PFCBIDIR三相雙向方案拓撲圖

4.3.3.碳化硅功率器件：材料改進推動解決充電難題

為縮短充電速度、與產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)同共同向高壓架構邁進，功率半導體器

件應具備更優(yōu)良的耐高壓特性。與硅材料相比，碳化硅材料具備更高

的帶隙和擊穿電壓、更高的熱導率、更低的理想本體遷移率以及更大

的電子飽和速度，從而碳化硅器件具有耐高壓、耐高溫、導通損耗小、

開關速度快的特性。由于碳化硅材料擁有更高的擊穿場強，克服了硅

材料導通電阻隨耐壓性增強而增大的缺點：在相同的擊穿電壓下，碳

化硅可以制成標準化導通電阻（單位面積導通電阻）更低的器件C據(jù)

ROHM,900V平臺下相同導通電阻的SiCMOSFET芯片尺寸僅為硅

基MOSFET的1/35、超級結MOSFET的1/10。

相比IGBT,碳化硅器件不需要進行電導率調制即能夠實現(xiàn)高耐壓、

低阻抗，開關速度更快。在功率器件開啟或關閉時，由于IGBT關斷

時存在拖尾電流，與IGBT搭配使用的FRD在開關過程中也存在較

大的反向恢復電流，因此充電樁中應用IGBT模塊會導致較大的導通

損耗。與硅基IGBT相比，碳化硅MOSFET的反向恢復電流和反向

恢復時間明顯減少，換流速度的加快也有助于減少開關損耗、實現(xiàn)散

熱部件的小型化。此外，IGBT較大的開關損耗限制其在20kHz以上

高頻區(qū)域的使用，而碳化硅MOSFET可以進行50kHz以上高頻開關,

有助于無源器件的進一步小型化。

據(jù)半導體投資聯(lián)盟，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，并增強充電樁的穩(wěn)

定性。而針對推廣大功率充電樁面臨的成本制約，尤其是在城市寸土

寸金的繁華地段建設充電樁面臨的城市空間成本，碳化硅器件能夠大

大簡化充電模塊電路結構，提高充電樁的功率密度，降低充電樁系統(tǒng)

應用成本。據(jù)英飛凌工業(yè)半導體，采用SiCMOSFET的三相全橋PFC

整流電路，相比Vienna拓撲電路，能夠大大減少功率器件數(shù)量、簡

化電路結構，碳化硅器件更高的開關頻率也可以降低電感的感量、尺

寸和成本。

另一方面，采用SiCMOSFET的DC/DC電路，可由原來的三電平優(yōu)

化為兩電平LLC,進一步簡化拓撲電路、提高LLC電路開關頻率的

同時'可以減少磁性器件的尺寸和成本以及系統(tǒng)散熱成本。結合考慮

各方面成本以及使用體驗，碳化硅器件在充電樁市場擁有巨大的市場

潛力。

圖30.超級結MOSFET結構

4.4,充電模塊作為充電樁核心器件之一，有望迎來百億新增市場

據(jù)第一電動網(wǎng)數(shù)據(jù)，充電樁硬件設備構成中充電模塊占比最高約50%,

其中功率器件占比約30%,磁性元件(25%)、半導體IC(10%)、

電容(10%)、PCB(10%),其他如機箱風扇等占15%。據(jù)統(tǒng)計

數(shù)據(jù)，截至2021年底，中國新能源汽車與公共充電樁的比例為6.8:1,

與私人充電樁的車樁比接近3.7:1o即私人充電樁在