全國(guó)充電樁突破1000萬(wàn)臺(tái)，相關(guān)電子元器件借勢(shì)起飛

電子發(fā)燒友網(wǎng)報(bào)道（文/吳子鵬）日前，中國(guó)充電聯(lián)盟發(fā)布2024年6月全國(guó)電動(dòng)汽車(chē)充換電基礎(chǔ)設(shè)施運(yùn)行報(bào)告。數(shù)據(jù)指出，截至2024年6月，全國(guó)充電基礎(chǔ)設(shè)施總量已達(dá)到1024.3萬(wàn)臺(tái)；2024年1-6月，充電基礎(chǔ)設(shè)施的增量為164.7萬(wàn)臺(tái)，漲幅為14.2%。

充電樁設(shè)計(jì)和制造涉及大量的電子元器件，包括MCU、DC/DC、MOSFET、IGBT、RS485通信芯片、RS232通信芯片、LDO、顯示驅(qū)動(dòng)、安全管理芯片、藍(lán)牙芯片等。因此，相關(guān)廠商借助充電樁基建大潮，迎來(lái)了一個(gè)重大的產(chǎn)業(yè)機(jī)遇。

8位和32位MCU競(jìng)逐充電樁市場(chǎng)

在充電樁內(nèi)部，MCU是核心的控制器件，主要負(fù)責(zé)充電過(guò)程控制、數(shù)據(jù)通信、人機(jī)交互和安全管理。MCU可以監(jiān)測(cè)充電電流、電壓和充電時(shí)間等參數(shù)，確保充電過(guò)程的安全和高效進(jìn)行。同時(shí)，MCU可以和車(chē)端通信以調(diào)整充電功率和充電模式。

充電樁是一個(gè)綜合體，包括了充電槍和固定的樁體。其中，在槍體一端，出于成本的考慮，很多方案都選擇使用8位MCU，比如廣汽新能源汽車(chē)2860W交流充電槍采用的就是STM8S005K6這顆8位MCU，Delphi德?tīng)柛?760W交流充電槍采用的則是恩智浦的8位MCU——S9S08AW16A。槍體部分對(duì)MCU的性能要求并不高，因此主頻為16 MHz，提供16-32Kb Flash和必要接口功能的8位MCU更具性價(jià)比。

在樁體一端，因?yàn)樯婕傲薍MI、通信和充電管理等功能，因此32位MCU是更好的選擇。除了ST、TI、瑞薩、恩智浦和英飛凌等公司提供的32位MCU，國(guó)產(chǎn)32位MCU在這個(gè)方面也很有競(jìng)爭(zhēng)力。如下圖所示，這是基于兆易創(chuàng)新GD32系列的充電樁解決方案，適用于充電樁主板控制模塊、HMI顯示以及AD/DC逆變控制。

兆易創(chuàng)新充電樁MCU方案

此外，極海半導(dǎo)體、國(guó)民技術(shù)、中科芯等公司也有32位MCU應(yīng)用于充電樁領(lǐng)域。如下圖所示，這是一款基于極海半導(dǎo)體APM32F411系列MCU打造的EV充電樁，可滿足系統(tǒng)精確的電源管理與充電控制需求，并具備多種工作模式，實(shí)現(xiàn)靈活的充電樁運(yùn)行控制。

基于APM32F411系列打造EV充電樁

綜合而言，憑借通用性和標(biāo)準(zhǔn)化、靈活性、低成本、可靠性、低功耗等優(yōu)勢(shì)，目前MCU是打造充電樁的首選核心，隨著充電樁智能化水平提升，MCU也在逐漸強(qiáng)化自己的性能，甚至是加入NPU算力，為充電樁的差異化功能創(chuàng)新賦能。

充電樁帶來(lái)的第三代半導(dǎo)體需求

當(dāng)前，充電樁一個(gè)核心訴求是充電要快，為了實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，具有導(dǎo)通損耗、開(kāi)關(guān)損耗、高可靠性、高功率密度的超級(jí)結(jié)MOSFET成為主流的功率器件選擇，最具代表性的產(chǎn)品是英飛凌的CoolMOS?。不過(guò)，超級(jí)結(jié)MOSFET依然是Si器件，擁有一定的性能瓶頸，因此第三代半導(dǎo)體逐漸被應(yīng)用于充電樁領(lǐng)域。比如，英飛凌碳化硅CoolSiC? MOSFET系列和羅姆公司的EcoSiC?系列。

新能源車(chē)是第三代半導(dǎo)體材料需求量最大的應(yīng)用市場(chǎng)。CASA Research數(shù)據(jù)顯示，2022年我國(guó)第三代半導(dǎo)體功率電子在電動(dòng)汽車(chē)及充電樁市場(chǎng)規(guī)模約為68.5億元；2023年市場(chǎng)規(guī)模達(dá)94億元，同比增長(zhǎng)37.5%。

在充電樁里面，充電模塊的價(jià)值量占比高達(dá)50%，所用到的元器件主要包括功率器件、磁性元件、電容、PCB等，其中功率器件以30%的價(jià)值量占比居首。上面只是以SiC器件舉例，目前SiC和GaN在充電樁市場(chǎng)都有重要應(yīng)用，主要用于實(shí)現(xiàn)直流/直流（DC/DC）轉(zhuǎn)換器、直流/交流（DC/AC）逆變器等關(guān)鍵部件。

在800V以下的充電樁平臺(tái)上，目前GaN器件的機(jī)會(huì)比較大，由于其高頻率、輕量化的特性，可以有效減少磁性元件的體積和重量，還能提高系統(tǒng)的整體效率。由于成本問(wèn)題，800V以下的充電樁平臺(tái)仍較少采用SiC器件。不過(guò)，隨著800V級(jí)以上充電平臺(tái)的普及，需要1200V的器件，SiC器件可以體現(xiàn)自己的優(yōu)勢(shì)，是實(shí)現(xiàn)高壓快充+大功率充電的理想方案。與傳統(tǒng)硅基器件相比，碳化硅模塊可以增加充電樁近30%的輸出功率，并且減少損耗高達(dá)50%左右。

充電樁里的通信和收發(fā)器件

充電樁并不是一個(gè)獨(dú)立的系統(tǒng)，而是需要和車(chē)端以及用戶進(jìn)行交互，因此通信器件在充電樁中也很重要，比如藍(lán)牙芯片、NFC芯片、RS485芯片和RS232芯片等。

目前，相當(dāng)一部分智能充電樁選擇搭載低功耗藍(lán)牙芯片，相比于傳統(tǒng)藍(lán)牙技術(shù)，低功耗藍(lán)牙技術(shù)可以將功耗降至最低，以極佳的能效比提供可靠的無(wú)線性能，能夠提供更好的人機(jī)交互，還可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)充電樁狀態(tài)，將漏電跳閘等危險(xiǎn)信號(hào)第一時(shí)間反饋到平臺(tái)進(jìn)行報(bào)警處理。目前，SKYLAB和倫茨科技等公司都在推動(dòng)相關(guān)的方案。

NFC也是非常流行的一種充電樁通信方式。NFC是一種近場(chǎng)通訊技術(shù)，通過(guò)13.56 MHz短距離高頻通信，來(lái)允許電子設(shè)備進(jìn)行非接觸式點(diǎn)對(duì)點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸，具有短距離、高頻、非接觸式、點(diǎn)對(duì)點(diǎn)等特點(diǎn)。目前，瑞盟科技MS520和宏晶RC522等NFC芯片在充電樁市場(chǎng)都已經(jīng)落地。其中，MS520是一顆13.56MHz非接觸式通信中的高集成度NFC讀寫(xiě)卡芯片，擁有高度集成的解調(diào)和解碼模擬電路，支持ISO/IEC 14443 A 106kBd、212kBd、424kBd、848kBd傳輸速率的通信。

充電樁用到的RS-485接口采用的是一種差分傳輸方式，各節(jié)點(diǎn)之間的通信都是通過(guò)一對(duì)（半雙工）或兩對(duì)（全雙工）雙絞線作為傳輸介質(zhì)。由于傳輸距離遠(yuǎn)、穩(wěn)定性強(qiáng)等特點(diǎn)，很多的傳統(tǒng)設(shè)備對(duì)外的接口就是RS485接口，包括工控主板、工業(yè)控制器、智能電表、中央空調(diào)控制面板、新能源充電樁等。比如，芯谷科技D3485是一款5V供電、半雙工的RS-485收發(fā)器，芯片內(nèi)部包含一路驅(qū)動(dòng)器和一路接收器，通過(guò)使用限擺率驅(qū)動(dòng)器，能顯著減小EMI和由于不恰當(dāng)?shù)慕K端匹配電纜所引起的反射，并實(shí)現(xiàn)高達(dá)10Mbps的無(wú)差錯(cuò)數(shù)據(jù)傳輸。

充電樁里面的被動(dòng)元器件

當(dāng)然，作為一個(gè)融合的電子電氣設(shè)備，充電樁也需要用到大量的被動(dòng)元器件，包括防雷模塊、?自恢復(fù)保險(xiǎn)絲、?大功率TVS瞬態(tài)抑制二極管、薄膜電容器、?分流電阻器、?加熱熔斷器、?預(yù)充電阻等。我們主要以防雷和薄膜電容為例展開(kāi)解讀一下。

防雷模塊對(duì)于放置在室外的充電樁而言是非常有必要的，可以幫助抵御雷擊浪涌，其實(shí)現(xiàn)方式有很多種。比如，如果是基于陶瓷氣體放電管與壓敏電阻，可以有壓敏電阻與氣體放電管串并聯(lián)、壓敏電阻與氣體放電管串聯(lián)和壓敏電阻與氣體放電管串并聯(lián)，每一種連接方式都會(huì)有具體的功效。

再看一下薄膜電容器。電容能夠有效防止功率變化對(duì)IGBT等關(guān)鍵元件的損害，傳統(tǒng)的車(chē)載電容以鋁制電解電容為主，薄膜電容憑借其高額定電壓、優(yōu)異的頻率特性、高安全性以及寬溫度范圍等特點(diǎn)，在直流充電樁有廣泛的應(yīng)用。比如，DC-LINK薄膜電容能夠有效地過(guò)濾電路中的紋波電流，提供穩(wěn)定的直流電壓，并減小電路中的電感效應(yīng)，是直流充電樁PCB方案上的重要元器件。

結(jié)語(yǔ)

按照國(guó)家相關(guān)機(jī)構(gòu)的預(yù)測(cè)，預(yù)計(jì)到2025年底，新能源汽車(chē)保有量將突破6000萬(wàn)輛。若按照規(guī)劃中的車(chē)樁比2∶1來(lái)測(cè)算，2025年底全國(guó)共需要充電樁3000萬(wàn)臺(tái)。因此，我國(guó)依然存在一個(gè)巨大的充電樁缺口，后續(xù)建設(shè)的力度還會(huì)進(jìn)一步提升，且低功率樁淘汰也會(huì)同步進(jìn)行。對(duì)于各種電子元器件來(lái)說(shuō)，這會(huì)是一個(gè)巨大的市場(chǎng)藍(lán)海。