充电桩需求快速发展，大功率快充未来已来

新能源车销量持续增长，充电桩面临较大缺口：根据中汽协数据显示，2022年全年国内新能源汽车呈现持续快速增长，产销达到了705.8万/688.7万量，同比增长96.9%/93.4%，市场占有率达到25.6%。中汽协预计2023年我国新能源汽车销量将达900万辆，同比增长35%。充电桩是新能源车领域的基础设施，发改委披露，截至2021年底，全国充电设施规模达到261.7万台，换电站1298座，服务近800万辆新能源汽车，国家和地方已积极出台一系列产业鼓励政策，将切实推动充电桩的高效建设和合理布局。 据发改委《关于进一步提升电动汽车充电基础设施服务保障能力的实施意见》，到“十四五”末，我国电动汽车充电保障能力将进一步提升，形成适度超前、布局均衡、智能高效的充电基础设施体系，能够满足超过2000万辆电动汽车充电需求。 大功率快充未来已来，缓解“充电焦虑”：目前国内常见的普通快充设备充电时间仍需要40min左右，而慢充则需要8h左右，新能源车厂商纷纷布局充电更快的大功率充电方案，2021年9月，比亚迪发布e平台3.0，有800V闪充功能，实现充电5分钟续航150公里，2021年11月，小鹏汽车在2021广州车展展示的G9车型成为国内首款基于800V高压SiC平台的量产车，充电5分钟最高可补充续航200公里，理想汽车将同步研发Whale以及Shark平台800V高压架构车型，并配备400kW大功率充电桩，计划于2023年以后每年至少推出两款高压纯电动汽车，实现充电10分钟续航400公里。高压平台快充方案对于充电桩所采用的功率器件的耐压性、转换效率、导通损耗等性能要求更高。 功率模块作为充电桩核心器件，产业链将迎来广阔市场空间：充电桩通常可分为交流充电桩和直流充电桩。交流充电桩结构较为简单，需要车载充电机自己进行变压整流，几乎不涉及功率器件，直流充电桩结构更为复杂，核心部件充电模块将电网中的交流电转化为可直接向电池充电的直流电。目前公共类充电桩当中交流充电桩仍为主流，占比约60%，直流充电桩占比约40%，但直流充电桩充电速度更快、充电时间更短，更加匹配电动汽车用户临时性、应急性的充电需求。在国家“一车一桩”目标指导下，充电桩领域的市场规模将保持快速增长，我们测算，2023-2025年充电桩仅国内市场空间为286.74亿元/335.53亿元/455.63亿元，其中充电模块在充电桩中成本占比为50%，对应市场空间约143.37亿元/167.77亿元/227.82亿元，作为充电模块的核心，功率器件、磁性元件等亦将迎来广阔市场。我们预计应用于充电桩的功率器件，2023-2025年国内新增市场为43.01亿元/50.33亿元/68.34亿元，磁性元件为35.84亿元/41.94亿元/56.95亿元。 相关标的：充电桩和充电模块关注盛弘股份、绿能慧充、道通科技、英杰电气、欧陆通、环旭电子、奥海科技，功率器件关注东微半导、斯达半导、时代电气、宏微科技、新洁能，磁性器件关注可立克、京泉华、麦捷科技。 风险提示：行业景气度不及预期；宏观经济复苏不及预期；行业竞争加剧风险；市场测算不及预期风险。 1.充电桩是推动汽车电动化的基础设施，大功率快充有望加速发展 1.1.充电桩是保障电动汽车出行的基础设施，行业增速确定 充电桩是保障电动汽车用户出行的基础设施，是推动汽车电动化的最基础抓手。据充电联盟数据，2022年12月相比2022年11月全国新增6.6万台公共充电桩，同比增长56.7%，截至2022年12月，联盟内成员单位总计上报公共类充电桩179.7万台，2022年1月-2022年12月，月均新增公共类充电桩约5.4万台。 图1.近1年公共类充电桩保有量 根据电源输入能力不同，充电桩可分为3种充电类别，分别适用于不同的应用场景。目前2级充电桩较为常见，由于充电时间较长，主要适用于家庭、工作场所、卖场、饭店等“目的地充电”场景，3级充电设施主要应用于交通繁忙、停留时间较短的地点。 表1：充电桩的充电类别 根据电流输出方式不同，充电桩又可分为交流充电桩和直流充电桩，二者均固定在电动汽车外、与交流电网相连，主要区别在于AC-DC变流环节不同。交流充电桩直接输出的交流电，需要先经过车内OBC转换为直流电再向电池充电，充电速度较慢，俗称“慢充”，而直流充电桩将AC-DC变流环节外置，输出的直流电可以直接向电池充电，并且可以通过多模块并联实现极大的充电功率，充电速度较快，俗称“快充”。 图2.电动汽车充电架构 表2：交流、直流充电桩对比 1.2.充电桩往大功率快充方向发展，技术难度不断提高 交流充电桩本质是一个带控制的插座，主要包含交流电表、控制主板、显示屏、急停旋钮、交流接触器、充电枪线等结构，结构较为简单，需要车载充电机自己进行变压整流，几乎不涉及功率器件。直流充电桩结构更为复杂，包括充电模块、主控制器、绝缘检测模块、通信模块、主继电器等部分，其中充电模块又称功率模块，核心功能是将电网中的交流电转化为可直接向电池充电的直流电，组成部分包括半导体功率器件、集成电路、磁性元件、PCB、电容、机箱风扇等，是充电模块的关键组成部分。 据第一电动网数据，充电桩硬件设备构成中充电模块占比最高约50%，其中功率器件占比约30%，磁性元件（25%）、半导体IC（10%）、电容（10%）、PCB（10%），其他如机箱风扇等占15%。 图3.充电模块成本构成 以15kW电池充电器模块为例，目前常见直流充电桩拓扑电路采用3相380VAC输入电压经过两路3相Vienna功率因数校正（PFC）后得到800V直流电压，再经过两路全桥LLC DC/DC电路后输出250V-750V直流电压供电动汽车使用，功率器件在PFC整流电路以及LLC DC/DC电路中均有应用，并在提高电路效率、优化电路结构等方面发挥重要作用。 图4.直流充电桩拓扑电路 1.3.直流快充需求旺盛，大功率充电面临蓝海市场 目前交流充电桩仍占主流，但直流快充有望提速发展。由于直流充电桩面临更高的技术壁垒，目前公共类充电桩当中交流充电桩仍为主流，占比约60%，直流充电桩只占据约40%市场份额，但直流充电桩充电速度更快、充电时间更短，更加匹配电动汽车用户临时性、应急性的充电需求，据中国充电联盟发布的《2021中国电动汽车用户充电行为白皮书》，直流充电桩已成为99.3%用户的首选，因此直流充电桩面临较大的需求缺口，未来有望提速发展。 图5.截至2022年12月公共类直流交流桩数量占比 大功率充电桩可助力用户获得更贴近传统燃油车加油的充电体验。要解决电动汽车用户面临的“充电焦虑”，除了提升充电桩布局密度，还要进一步缩短充电时间。目前国内常见的普通快充设备充电时间仍需要40min左右，而慢充则需要8h左右，与传统燃油车只需要5min即可加油完毕的体验相差较远。相对于普通直流快充，大功率高压充电技术可帮助电动汽车实现快速补能，助力用户获得更贴近传统燃油车加油的充电体验。目前大功率直流充电技术受到国际广泛关注，各国相继开展大功率充电技术的研究和标准制定，日标CHAdeMO及国标GB/T直流快充最大功率正在由400kW/250kW共同迈向900kW，欧洲已经完成了350kW大功率充电标准体系建设，目前正与美标一同向460kW发展。 表3：日标/国标充电标准演进 表4：美标/欧标充电标准演进 提高充电速度的方式主要包括提高电流和提高电压两种。大电流模式容易产生高热量损失，能够实现的功率上限并不高，而且大电流下线束加粗也会增加整车成本、降低使用便捷性，因此采用高电压平台架构提高功率成为大多数厂商的选择。高电压技术的落地和推广，需要电动汽车端、电池端、充电桩端三方联动，需要整个产业链上下游协同发展、共同建设大功率高压快充产业生态。 汽车端：目前电动汽车架构由400V升至800V所需的电池包、电驱动、PTC、空调压缩机、车载充电机等高压零部件供应链基础已较为完备，各龙头车企已争相入局抢占市场。2019年4月保时捷Taycan Turbo S全球首发，成为业内首款采用800V高电压架构的车型，并将最大充电功率提升到350kW，可以在22.5分钟内把Taycan Turbo S容量93.4kWh的动力电池从5%充至80%，提供300公里的续航能力。2021年9月，比亚迪发布e平台3.0，有800V闪充功能，实现充电5分钟续航150公里。吉利推出的极氪001具备400V和800V两种电压架构，10%-80%SOC充电时间仅需30分钟，充电5分钟续航可增加120公里。2021年11月，小鹏汽车在2021广州车展展示的G9车型成为国内首款基于800V高压SiC平台的量产车，充电5分钟最高可补充续航200公里，已于2022年Q3上市。理想汽车将同步研发Whale以及Shark平台800V高压架构车型，并配备400kW大功率充电桩，计划于2023年以后每年至少推出两款高压纯电动汽车，实现充电10分钟续航400公里。 表5：部分车企布局800V/超级快充情况 电池端：动力电池是新能源汽车的核心零部件，对新能源汽车的成本、续航里程、安全性发挥重要影响。据电池中国，快充技术对于电池包的热管理系统性能以及电芯层面能量密度、充电速度和安全性的平衡都提出了更高的要求。目前国内多家动力电池企业已在各方面取得技术突破，布局高电压平台动力电池市场。蜂巢能源2019年发布自主研发的全球首款短刀电池，能够实现A0级以上车型500km以上续驶里程，并实现2-4C快充性能，满足800V高压电气架构高端车型应用，0-80%SOC快充时间控制在30min以内。孚能科技自主研发的800VTC超充超压技术可实现整包充电等效2.2C，10%-80%SOC充电仅需15min，兼容400-800V系统，成为国内首个可量产的800V高电压平台，公司也凭借该技术获“2021高工金球奖——年度创新技术”奖项。宁德时代在超快充技术开发方面同样走在前列，通过超电子网、快离子环、各向同性石墨、超导电解液、高孔隙隔膜、多梯度极片、多极耳、阳极电位监控等多种技术手段，可实现最快5分钟充至80%电量。 充电桩端：将DC500系统升级到DC950系统后，只需变更充电枪线、直流熔丝、直流接触器等配电器件，充电模块等核心部件无需重新选型，因此充电桩逐步实现1000V以下的高压化较为容易。而当电压提升至1000V以上，直流充电桩的结构将发生较大改变，同时面临来自技术、成本等方面的一系列挑战。 图6.充电桩高压化的重新选型 在结构层面，目前主流充电桩是一体机，而大功率充电需要把核心控制模块和电路放在后端设备，多个充电终端共用一套后端设备从而形成分体机。 在技术层面，目前主流充电桩采用风冷散热模块，通过高转速风扇将空气由前面板吸入后在模块尾部排出，带走机柜内的热量，实现降温效果，但空气中夹杂的灰尘、盐雾、水气等会在散热过程中吸附在机柜内部、腐蚀核心器件，导致系统充电效率降低、损耗设备寿命，同时风冷散热模块运行时噪声超70dB，也会给充电桩附近居民带来噪音干扰。大功率充电桩对于散热性能的要求更高，传统风冷技术难以满足其散热需求，液冷散热技术成为必然选择。 液冷技术则通过冷却液在密闭通道中循环，实现发热器件与散热器之间的热交换，采用大风量低频风扇或水冷机散热，解决了传统散热方式下故障率高以及噪声污染两大痛点问题，同时能够实现更高的转化效率。 表6：风冷散热与液冷散热对比 在成本层面，一方面涉及到2015年以前建设的大量充电桩已不再满足当前大功率充电桩趋势下的性能需要，老旧充电桩改造升级面临着来自设备更换、场地施工等各方面的成本压力； 另一方面，在大型城市、繁华地段布局充电桩面临着较为显著的城市空间成本，对于大功率充电桩的体积提出更高要求。 大功率充电发展趋势有助于更高性能功率器件产品的导入。首先，目前实现大功率充电的方式主要依托于高压架构，因此需要应用击穿电压更高的功率器件；其次，充电桩运营商对于成本比较敏感，因此为降低运营成本，充电桩需要应用转换效