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隨全球電動車滲透加速,除了推動車內的電池、半導體元件(可參考<電動車>系列報告)等關鍵零組件發展,車外的充電基礎設施更為各國政府大力建設目標。看完這篇報告,你將會知道以下幾件事:

  1. 什麼是充電樁?
  2. 充電樁產業現況及產業鏈概況
  3. 各國政府充電樁建設目標及產業未來成長潛力

充電樁是什麼?

充電樁主要分為交流慢充( Level 1、 Level 2)與直流快充( Level 3)兩種類型:

1. 交流慢充

其原理是將交流電充入車內的車載充電器(On-Board Charger, OBC),利用 OBC 將充電樁提供的交流電轉成直流電(Direct current, DC)為電池充電(電動車是吃直流電),但 OBC 因受限於體積及重量限制(不能太大,因需安裝在車內),因此無法提供高功率快充服務(充電功率決定電動車充電時長,功率高則充電快)。


Source:Wallbox

其中 Level 1 交流慢充主要建置在家中車庫或社區停車場進行充電,其定位為車主夜間返家充電使用;Level 2 交流慢充為目前公共充電站最普遍的充電樁類型,提供車主利用閒置時間(例如購物、用餐等)進行充電。

2. 直流快充(DCFC,Direct Current Fast Charging)

而直流快充則是將交流電直接在充電樁進行轉換,不需透過 OBC 充電,而因充電樁較無體積限制,因此,可用多組充電模組加大充電功率達成快充,目前 DCFC 約可在一小時內完成充電。

Source:富果研究部整理
註:SAE (國際汽車工程師學會)定義四種充電等級:AC Level 1、AC Level 2、DC Level 1及 DC Level 2,但現今 DC 快充規格已和當時定義的規格不同,同時目前普遍稱 DC 快充為 Level 3 充電樁,故採用現今主流規格和稱謂。

 

充電樁營運模式為設備商、營運商、車廠、公共場所四方組成,營運商為主要建設者

Source:富果研究部

充電樁營運模式由設備商、營運商與車廠、公共場所業者(如百貨公司、停車場、飯店、加油站等)四者組成,設備商會依據營運商、車廠或公共場所業者需求,設計並販售充電樁,而營運商則負責建設與後續維護,提供車廠客戶使用(僅少數車廠會選擇跳過營運商自行維運,如特斯拉的超級充電站)。

但目前營運商數量多且缺乏整合,造成消費者使用不便,因此逐漸發展成平台與各家營運商合作整合資源,如台灣的宅電利用 ChargeSmith App 平台整合全台 3,500 個公共充電樁,與特斯拉、Volvo、Jaguar 等車廠合作,消費者可直接於 App 查看全台有合作的充電站點,並在充電完進行付款

目前充電樁產業的商業模式尚未固定,各家廠商都有自己的銷售與收費模式,且充電規格混亂(過去營運商、設備商客戶來源較依賴車廠,需配合車廠的充電規格製造),因此造成消費者使用不便,但隨近年各國市場開始規範充電規格,單一車廠自有規格將消失,預期未來將逐步建立完整電動車充電生態圈,以利消費者使用。

 

充電樁產業進入門檻高,要求高安全,呈寡占市場

充電樁要求高安全性,充電樁模組、電纜線、電槍等各種零件皆需經安全驗證,在耐電壓、絕緣電阻與接觸電流試驗更為必測項目,確保充電設備在高壓、高電流下,無安全性的疑慮。以瑞士 ABB 、台灣台達與飛宏為例,三家公司皆在電動車充電設備投入研發超過十年以上,研發人員不僅需具備技術,更需多年經驗方能製造高安全性的充電樁,因此進入門檻高,在設備端的整體產業呈現寡占。

 

中、歐、美三國充電樁建設不足,由於建設成本高,需仰賴政府補助和車廠協助建設

參考目前全台汽車和加油島比例 280:1,以及汽車加滿油的時間約 5 分鐘,我們可以簡單推出車樁比,公共交流慢充電樁(7kW)理想車樁比為 3:1(全數改用直流快充充電樁(150kW)理想車樁比則為 50:1,快充充電速度越快,所需充電樁數量越少)。

目前電動車市場主要集中於中國(佔比 66%)、歐洲(佔比 19%)、美國(佔比 12%),車樁比分別為中國 7:1、歐洲 11:1、美國 20:1,且近七成公共充電樁為交流慢充,若根據上段推估的合理車樁比 3:1,三大市場的公共充電樁數量仍不足,且依美國環保局(EPA) 測試結果,純電車平均續航里程為 437 公里,足以應付日常使用,但若需長途旅行,在公共充電樁建設不足情況下,里程焦慮是電動車無法普及的關鍵因素之一,而解決里程焦慮的重要解方便是普設公共充電樁並提升充電效率或提升電池續航力(續航力由電池容量決定,目前主流電池容量為 60~80 kWh,若未來有效提升電池容量或電池能量密度,則充電樁建設數量可能成長有限)

 

Source:IEA、富果研究部

然而,普設公共充電樁困難點在於成本過高,一個充電樁成本(包含樁體和建設成本)約 9,000~ 13,800 美金(約 30 萬~45 萬元新台幣),以一個基礎充電站約有十個充電樁計算,總成本高達 9.3 萬~13.8 萬美金(約 200 萬 ~ 430 萬元新台幣),後續也需維護成本,因此在建設完畢後,若利用率不足將無法有效分攤成本,使營運商處於長期虧損甚至面臨倒閉的風險。

因此目前對營運商來說仍缺乏誘因積極建設公共充電樁,若要推動設置公共充電樁,初期仍需依靠各國政府政策指導與補助,以協助廠商完善充電基礎設施

 

各國政策積極補助公共充電樁,150kW 以上快充充電樁將成新主流

歐盟目標是在 2025 年達到 100 萬個公共充電樁且最低充電功率至少為 150kW,但無提供補助,需由歐洲各國自行達成目標,目前以德國和英國最積極推動建設,而美國政府預期於 2030 年建設 50 萬座充電站,主要補助充電功率達 150 kW 以上的快充充電站

中國則是目前全球公共充電樁建設最多的國家(佔比約六成以上),然近年來補貼逐步退出,中國官方僅給予加強高速公路充電基礎設施建設之指引。

Source:富果研究部整理

小結以上,歐洲各國與美國積極補助公共充電樁且規範充電功率需在 150kW 以上,預期未來快充充電樁將成為新建充電樁主流,因此在歐美市場部分,快充充電樁成長潛力大,而中國充電樁的建設未來則是主要由民間供給驅動,不再享有政府大額補助紅利。

富果推薦閱讀:【產業報告】作為電動車普及的最後一哩路,充電樁技術目前走到哪了?

 

基於充電效率,各家廠商將選擇高電壓作為提高功率之手段

各家廠商持續研發高功率充電樁,欲提升功率可以選擇提高電流或電壓(功率 = 電壓 * 電流)。

1. 高電流

目前使用高電流方案的廠商為特斯拉,Tesla V3 Supercharger 充電功率為 250kW,電流高達 520A。

Source:Tesla、台達電、飛宏

採用高電流最大的問題為能量損失大,根據焦耳定律(見註),電流越高,所產生的廢熱越多,進而導致電線溫度升高,而過高的溫度會使充電效率下降、較耗電,因此特斯拉在充電端採用液冷散熱解決廢熱問題,透過在電纜、充電槍中增加冷卻管,冷卻液在管中不斷循環,藉此帶出廢熱、降低電纜溫度。

註:焦耳定律為 熱量=電流^2*電阻*時間,因此電流為影響充電散發廢熱的關鍵因素

然而,電動車廠商設計充電系統時,為了防止電池過熱,會利用車內的充電管理系統降低充電功率,因此雖特斯拉使用液冷解決熱耗,但高電流流入電池後,電池溫度快速升高下,充電功率也隨之降低,外國台灣的網友對特斯拉 V3 Supercharger 與其他較低功率的充電樁進行評測,特斯拉 V3 Supercharger 只能在電動車電量 5~20% 區間以最高功率充電,但在電量 20~80% 區間充電效率則呈現直線下滑,最後評測結果充電時長差異不大,整體平均充電功率特斯拉超充相較對手低 20%。

Source:INSIDEEVs

2. 高電壓

使用高電壓提升功率則可以較低電流來達成,同時熱耗也得到控制,因此提高電壓為其他快充充電樁廠商主流方案。

目前部分充電功率達 200kW 以上快充充電樁,其電壓已達 800V 以上,而普遍電動車電壓架構為 400V,由於充入車內的充電功率受限於電動車電壓架構,若電動車可承受電壓較低,進入車內後,會採降壓方式充電,無法達到快充最高充電功率,因此欲實現高功率快充需將電動車提升至 800V 電壓架構。

目前全球僅有少數車廠發行 800V 車款,雖價格較高,但銷量表現皆不錯,以現代(Hyundai)車廠為例,截至 2022 年十月,已售出 77,742 輛 IONIQ 5 (為 800V 車款),且目前汽車供應商也紛紛表示下游車廠客戶對於 800V 電壓架構興趣,預計 2025 年後新款電動車將大多採 800V 電壓架構,而隨電動車逐步轉往 800V 電壓架構,將帶動高電壓快充充電樁一同成長

Source:富果研究部整理

就兩者比較,由於高電流方案熱耗大且充電過程整體平均充電功率低,即便持續提升充電功率,充電效率提升效果差,僅提高電流無法滿足快充需求,未來高電流難成為主流。而高電壓具備低熱耗之特性,且車廠也持續研發可適配高電壓充電樁的電動車款,因此判斷認為未來充電樁將持續以高電壓為主流

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結論

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Author

Fugle 富果研究團隊 / 政大國貿系
希望在做投資的路上保持誠信與正直
不能沒有:冰美式、貓貓、音樂和花椰菜