全国充电桩突破1000万台，相关电子元器件借势起飞

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MCU、DC/DC、MOSFET、IGBT、RS485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、恩智浦和英飞凌等公司提供的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。
 

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。
 

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件

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。