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全国充电桩突破1000万台,相关电子元器件借势起飞

Felix分析 来源:电子发烧友 作者:吴子鹏 2024-07-13 00:07 次阅读

电子发烧友网报道(文/吴子鹏)日前,中国充电联盟发布2024年6月全国电动汽车充换电基础设施运行报告。数据指出,截至2024年6月,全国充电基础设施总量已达到1024.3万台;2024年1-6月,充电基础设施的增量为164.7万台,涨幅为14.2%。


充电桩设计和制造涉及大量的电子元器件,包括MCUDC/DCMOSFETIGBTRS485通信芯片RS232通信芯片、LDO、显示驱动、安全管理芯片、蓝牙芯片等。因此,相关厂商借助充电桩基建大潮,迎来了一个重大的产业机遇。

8位和32位MCU竞逐充电桩市场

在充电桩内部,MCU是核心的控制器件,主要负责充电过程控制、数据通信、人机交互和安全管理。MCU可以监测充电电流、电压和充电时间等参数,确保充电过程的安全和高效进行。同时,MCU可以和车端通信以调整充电功率和充电模式。

充电桩是一个综合体,包括了充电枪和固定的桩体。其中,在枪体一端,出于成本的考虑,很多方案都选择使用8位MCU,比如广汽新能源汽车2860W交流充电枪采用的就是STM8S005K6这颗8位MCU,Delphi德尔福1760W交流充电枪采用的则是恩智浦的8位MCU——S9S08AW16A。枪体部分对MCU的性能要求并不高,因此主频为16 MHz,提供16-32Kb Flash和必要接口功能的8位MCU更具性价比。

在桩体一端,因为涉及了HMI、通信和充电管理等功能,因此32位MCU是更好的选择。除了ST、TI瑞萨、恩智浦和英飞凌公司提供的32位MCU,国产32位MCU在这个方面也很有竞争力。如下图所示,这是基于兆易创新GD32系列的充电桩解决方案,适用于充电桩主板控制模块、HMI显示以及AD/DC逆变控制。

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兆易创新充电桩MCU方案


此外,极海半导体、国民技术、中科芯等公司也有32位MCU应用于充电桩领域。如下图所示,这是一款基于极海半导体APM32F411系列MCU打造的EV充电桩,可满足系统精确的电源管理与充电控制需求,并具备多种工作模式,实现灵活的充电桩运行控制。

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基于APM32F411系列打造EV充电桩


综合而言,凭借通用性和标准化、灵活性、低成本、可靠性、低功耗等优势,目前MCU是打造充电桩的首选核心,随着充电桩智能化水平提升,MCU也在逐渐强化自己的性能,甚至是加入NPU算力,为充电桩的差异化功能创新赋能。

充电桩带来的第三代半导体需求

当前,充电桩一个核心诉求是充电要快,为了实现这一点,具有导通损耗、开关损耗、高可靠性、高功率密度的超级结MOSFET成为主流的功率器件选择,最具代表性的产品是英飞凌的CoolMOS™。不过,超级结MOSFET依然是Si器件,拥有一定的性能瓶颈,因此第三代半导体逐渐被应用于充电桩领域。比如,英飞凌碳化硅CoolSiC™ MOSFET系列和罗姆公司的EcoSiC™系列。

新能源车是第三代半导体材料需求量最大的应用市场。CASA Research数据显示,2022年我国第三代半导体功率电子在电动汽车及充电桩市场规模约为68.5亿元;2023年市场规模达94亿元,同比增长37.5%。

在充电桩里面,充电模块的价值量占比高达50%,所用到的元器件主要包括功率器件、磁性元件、电容PCB等,其中功率器件以30%的价值量占比居首。上面只是以SiC器件举例,目前SiC和GaN在充电桩市场都有重要应用,主要用于实现直流/直流(DC/DC)转换器、直流/交流(DC/AC逆变器等关键部件。

在800V以下的充电桩平台上,目前GaN器件的机会比较大,由于其高频率、轻量化的特性,可以有效减少磁性元件的体积和重量,还能提高系统的整体效率。由于成本问题,800V以下的充电桩平台仍较少采用SiC器件。不过,随着800V级以上充电平台的普及,需要1200V的器件,SiC器件可以体现自己的优势,是实现高压快充+大功率充电的理想方案。与传统硅基器件相比,碳化硅模块可以增加充电桩近30%的输出功率,并且减少损耗高达50%左右。

充电桩里的通信和收发器

充电桩并不是一个独立的系统,而是需要和车端以及用户进行交互,因此通信器件在充电桩中也很重要,比如蓝牙芯片、NFC芯片、RS485芯片和RS232芯片等。

目前,相当一部分智能充电桩选择搭载低功耗蓝牙芯片,相比于传统蓝牙技术,低功耗蓝牙技术可以将功耗降至最低,以极佳的能效比提供可靠的无线性能,能够提供更好的人机交互,还可以实时监测充电桩状态,将漏电跳闸等危险信号第一时间反馈到平台进行报警处理。目前,SKYLAB和伦茨科技等公司都在推动相关的方案。

NFC也是非常流行的一种充电桩通信方式。NFC是一种近场通讯技术,通过13.56 MHz短距离高频通信,来允许电子设备进行非接触式点对点数据传输,具有短距离、高频、非接触式、点对点等特点。目前,瑞盟科技MS520和宏晶RC522等NFC芯片在充电桩市场都已经落地。其中,MS520是一颗13.56MHz非接触式通信中的高集成度NFC读写卡芯片,拥有高度集成的解调和解码模拟电路,支持ISO/IEC 14443 A 106kBd、212kBd、424kBd、848kBd传输速率的通信。

充电桩用到的RS-485接口采用的是一种差分传输方式,各节点之间的通信都是通过一对(半双工)或两对(全双工)双绞线作为传输介质。由于传输距离远、稳定性强等特点,很多的传统设备对外的接口就是RS485接口,包括工控主板、工业控制器、智能电表、中央空调控制面板、新能源充电桩等。比如,芯谷科技D3485是一款5V供电、半双工的RS-485收发器,芯片内部包含一路驱动器和一路接收器,通过使用限摆率驱动器,能显著减小EMI和由于不恰当的终端匹配电缆所引起的反射,并实现高达10Mbps的无差错数据传输。

充电桩里面的被动元器件

当然,作为一个融合的电子电气设备,充电桩也需要用到大量的被动元器件,包括防雷模块、‌自恢复保险丝、‌大功率TVS瞬态抑制二极管薄膜电容器、‌分流电阻器、‌加热熔断器、‌预充电阻等。我们主要以防雷和薄膜电容为例展开解读一下。

防雷模块对于放置在室外的充电桩而言是非常有必要的,可以帮助抵御雷击浪涌,其实现方式有很多种。比如,如果是基于陶瓷气体放电管与压敏电阻,可以有压敏电阻与气体放电管串并联、压敏电阻与气体放电管串联和压敏电阻与气体放电管串并联,每一种连接方式都会有具体的功效。

再看一下薄膜电容器。电容能够有效防止功率变化对IGBT等关键元件的损害,传统的车载电容以铝制电解电容为主,薄膜电容凭借其高额定电压、优异的频率特性、高安全性以及宽温度范围等特点,在直流充电桩有广泛的应用。比如,DC-LINK薄膜电容能够有效地过滤电路中的纹波电流,提供稳定的直流电压,并减小电路中的电感效应,是直流充电桩PCB方案上的重要元器件。

结语

按照国家相关机构的预测,预计到2025年底,新能源汽车保有量将突破6000万辆。若按照规划中的车桩比2∶1来测算,2025年底全国共需要充电桩3000万台。因此,我国依然存在一个巨大的充电桩缺口,后续建设的力度还会进一步提升,且低功率桩淘汰也会同步进行。对于各种电子元器件来说,这会是一个巨大的市场蓝海。


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