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智慧充電樁百花齊放
終端客製化驅動製造
[作者 陳念舜]   2024年04月29日 星期一 瀏覽人次: [2436]

回顧2021年全球電動車浪潮初起,曾訪問南部工具機大老對於此占終端消費市場比重達40%以上的汽車產業看法,只換來冷冷的一句:「連充電樁都還沒著落,談何電動車發展!」但電動車產業在經歷疫情與全球競逐淨零碳排目標下已逐漸成熟,包含充電樁等客製化、模組化終端產品甚至由下而上,驅動製造業加速轉型升級。



如今隨著全球淨零碳排及運具電動化政策驅動市場需求快速成長,各國陸續宣告禁售燃油車時程,引發電動車產業供應鏈成型,依《經濟學人智庫》報告預估,2024年全球電動車銷量年比可望成長21%,將連帶提升充電站與充電樁設備等基礎設施配套成長。


為了支持電動車普及,紛紛設定不同充電樁設定目標。包括歐盟要求公共充電站須實現2025年100萬槍、2030年300萬槍目標,其中每60km須設置一座充電站,並陸續達到2025年≧400kW,150kW充電槍≧1支;2030年≧600kW,150kW充電槍≧2支目標。


美國也為此補助各州共設立2030年50萬具公共充電站,至少每50英哩設置1座要求至少4支≧150kW的CCS充電槍。但要求外殼製造和組裝在地化、2024年55%內部元件須在美製造,促成許多充電樁製造廠商開始採行併購策略。


工研院產科國際所研究經理黃雅琪指出,因此競爭將加劇產業整併風潮持續進行,包含充電樁業者必須配合充電營運商(CPO)需求客製化、模組化產品,至今市場上已少見充電樁標準品,甚至可望推動上游充電樁模組及電動車製造業轉型升級。


歐美充電樁規格一統 激增產業鏈整合商機


圖一 : 為了讓更多駕駛人轉開電動車,勢必要有便利的充電基礎設施,加速充電規格統一(攝影:陳念舜).
圖一 : 為了讓更多駕駛人轉開電動車,勢必要有便利的充電基礎設施,加速充電規格統一(攝影:陳念舜).

其中為了讓更多駕駛人轉開電動車,勢必要有便利的充電基礎設施,雖然尚未等到美國汽車工程師學會(SAE)審核通過特斯拉的「北美充電標準」(NACS)成為北美電動車產業的公眾標準,但是特斯拉(Tesla)超充大聯盟仍持續擴大規模,繼通用、福特和Rivian等美系車廠之後,瑞典車廠Volvo也成為率先導入NACS的歐系車廠,為充電樁商機再添柴火。


後者決議自2025年起在美國、加拿大和墨西哥三國的Volvo電動車,將配備NACS的充電接口,避開了拜登政府所主導的「組合充電系統」(CCS)標準;其他採行CCS的車主,也能從今年上半年開始採用變壓/轉接器,就能同樣使用NACS/CCS的網路充電。


由美國政府資助「國家再生能源實驗室」(NREL)研究指出,全美在2030年前將設置由120萬個公共充電站組成的電動車充電網絡,其中包括100萬個Level 2充電站,並將所有NACS和其他類型充電站都包含在內。消息一出,不單台達電、光寶科等大廠,貿聯-KY等特斯拉受惠族群摩拳擦掌,就連非特斯拉陣營也蓄勢待發。


台達電永續長暨發言人周志宏認為,「這絕對是長多」,因為餅會愈做愈大,儘管短期會帶來什麼衝擊,目前仍需要再觀察,但周志宏強調,中間的過渡期「絕對不會是很久的事」。貿聯-KY董事長梁華哲雖看好市場把餅做大效益,但他也強調,充電樁是個充滿競爭的市場,要求量大,勢必得在價格上做退讓,「未來充電樁毛利要有大幅成長,會是一個挑戰」。


充電模式影響充電樁及電動車製造

此外,基於現今「充電快速化」趨勢,快充樁朝高功率發展,估計CCS充電樁最大功率設計可達480V,還須考量不同車種、電池可否接受,例如高價車快充上達250kW、平價車落在50~100kW之間。


且因為鋰電池的化學特性在低於冰點時充電,恐容易會造成電池損壞,所以電動車在氣溫寒冷時的充電過程,會先耗費大量時間將電池加熱至適當溫度,導致充電時間延長;在極端低溫下甚至無法充電,曾造成大批車輛堵在充電站動彈不得,宛如電動車墳場。


為了在溫度過低時保護電池,電動車製造廠商還會限制可使用的電池電量,須待電池升溫才會恢復正常,造成低溫時的電動車續航力大減。根據挪威汽車聯合會(Norwegian Automobile Federation)發現,電動車在寒冷環境下的行駛里程將減少約20%,若汽車加熱系統全力運作,則數字可能增加至40%以上。


包括SiC與GaN等寬能隙材料,則具備比起傳統矽材料更能耐高溫、高壓及高頻的特性,GaN元件常用於900V以下領域、SiC則適用於1200V以上電壓,兩者分別在低開關耗損、傳導耗損上具備優勢,能幫助新能源車提升效率、縮小體積,實現高頻快充、長續航與輕量化的好處,因而成為市場新寵。


除了吸引歐美日主流科技大廠爭相投資SiC產業,以卡位汽車動力系統的主導權;台灣也因為具備完整半導體產業鏈優勢,被視為重要的委外製造夥伴,包括環球晶、漢民及廣運等集團,可望從歐美日主導的供應鏈中突圍。


台達最新推出的一體式超快直流充電樁UFC 500,也強調搭載新一代SiC晶片與專利拓樸設計,由於輕巧緊湊的電源模組功率密度有效提升,而採行十分緊湊的一體機設計;同時具備高達96%的電力轉換效率,單槍輸出功率最高可達460kW,雙槍同時輸出最高達250kW,十分有利於場站空間運用。不需另外配置電源櫃,更易於維護和有效縮減充電設備的的占地面積,降低充電營運商土地取得門檻,簡化營運商安裝與維護成本


微星科技(MSI)則在近期推出甫於今年初美國CES大展上發表的第二代旗艦充電樁「Eco Premium」首度在台亮相,具有支援高達22 kW的三相電力輸出,比起單相充電有更快的充電速度,更適合電池容量較大的電動車或需要快速充電的場合,能同時提升充電效率並減少過載機會。


設計上則瞄準歐美更高的客製化需求,如可自由選擇有無槍線,三方進線的方式也能增加施工彈性,提供消費者及營運商在充電設備挑選上更多元化的選擇。另免除一般AC安裝、外出隨插即用、一機可換8國插頭、方便外出攜帶使用的旅行充電樁「Portable EV Charger」,持續壯大旗下電動車產品陣容。


微星同時宣布,旗下「EV系列」功能最齊全、規格最強大的商業應用充電樁「EV AI」,即日起在台灣正式上市。具有內建AI車牌辨識,並搭載QR Code掃碼支付、RFID卡片感應功能,優化停車管理與支付體驗;搭配微星自行開發的EMS雲端管理系統與客製化API整合服務,將成為商業場域如公共停車場、充電站、建案、飯店、商辦大樓等最佳電動車充電解決方案。



圖二 : 微星科技則在近期推出第二代旗艦充電樁「Eco Premium」首度在台亮相,更適合電池容量較大的電動車或需要快速充電的場合,能同時提升充電效率並減少過載機會。
圖二 : 微星科技則在近期推出第二代旗艦充電樁「Eco Premium」首度在台亮相,更適合電池容量較大的電動車或需要快速充電的場合,能同時提升充電效率並減少過載機會。

V2X充電智慧化 ISO標準問世 朝商業化更邁進一步

值得一提的是,因應目前「充電智慧化」趨勢,可降低充電樁設置及營運成本,加速回收投資報酬,促使連網可控成為充電樁基本功能要求,執行包含智慧充電V1G、雙向充放電V2X等多樣模式,讓充電業者有機會跨入能源服務業,惟仍有市場機制/法規、標準、技術與產品、消費者等諸多挑戰。


黃雅琪指出,由於充放電樁高出4~6倍,加上電池有衰退疑慮又乏保固機制等因素;仍待制訂完善車-樁-管理平台-電力公司互通性的通訊標準、雙相充放電樁的安全與功能標章,導致現今只有少數電動車款及充放電樁可支援V2X應用,僅以在家充放電或斷電時備援為主,尚未能真正回充電網使用。所幸在近年來ISO 15118-20功能就緒後,讓V2X往商業化更邁進一步。


研華攜手充電營運商 發表應用解決方案


圖三 : 研華攜手充電營運商,發表EVSE專用控制板解決方案,加速回收投資報酬。(攝影:陳念舜)
圖三 : 研華攜手充電營運商,發表EVSE專用控制板解決方案,加速回收投資報酬。(攝影:陳念舜)

工業物聯網大廠研華公司近日也在林口共創園區舉行「嵌入式設計論壇」,並邀請電動車載控制器(EVCC)模組設計公司起而行綠能公司(eTreego),在2023年成立的充壩(gochabar)子公司,提供充電系統與營運的技服務,串聯充電系統所有軟硬體價值資源與整合效益。


研華嵌入式物聯網平台事業群產品研發經理王聖文引述PwC報告指出,目前一具L3~L4等期的DC超快充電樁的建置成本美金約4~14萬元;營運端還有50%成本來自電費,其他50%為後台營運、配電線路、土地、稅務、保險等,估計一座配備4~6具充電樁的場域設置和營運成本約須投資新台幣1200~2000萬元。


充電樁廠商為了獲利,必須仰賴政府補助、聯手車廠策略,否則須等到10~15年屆齡淘汰後才能回本。研華雖然並不製造整具充電樁,以供應所需HMI與控制器主機板為主,分別從底層軟硬體架構協助實現。


包含提高利用率(Higher Utilization),從現行10%~15%增至20%,才有可能盈利;為了吸引人流、車流和更多充電營運商加入,還必須借重架構在硬體、OS、應用層之上的伺服器技術,可自遠端維護軟硬體,雙網口可用於能耗計算及管理。


且若要實現降低能源成本(Lower Energy Cost)基於能源占總體營運成本約50%,只能仰賴電力公司,並配合時間電價削峰填谷。也就是在用電尖峰時間放電、離峰時間充電以降低電費,經由整合BESS/ESS加以平衡;或是透過光充儲,將多餘的再生能源儲存起來,實現零碳排。


其他營收來源(Other Source of income),則可與商場異業合作、賣碳權,或加入V2G、V2X服務。為了因應競爭激烈又利潤微薄,滿足客戶要求功能多寡務必要彈性。研華在設計充電樁的控制板時,需要針對不同等級效能加值應用,具備多個RS-232/422 485和CANBus 可用於充電控制板和支付週邊。


研華為此提供EVSE專用控制板,包含AFE-E420(NXP i.MX93)、AFE-E350(Intel Atom x6000E),整合EVSE控制器與SECC變頻線網路設計,支援 Windows和Ubuntu OS並具備OOB頻外管理、AI運算能力的可擴充性,提供預先配置資安防護解決方案。


由於大多數大型商業按次付費直流充電站都位於室外,因此充電站這次必須能夠承受灰塵、下雨、持續日照和極端溫度等環境和天氣條件,還能夠穩定、可靠地傳輸資料。充電量、計費明細等資訊,還必須整合後端系統管理、站點遠端即時監控、能源管理系統等功能。


在遠端管理與資安防護方面,研華也有與BV(Bureau Veritas)公司合作符合IEC-62443解決方案,包含Embedded OS、防護與備份、裝置生命週期。現也協助充壩透過開放的充電站協定(OCPP)傳輸,推出雙端+雙模+雙電力的EMS架構。


友通「未來無人充電站」 打造電動車充電新體驗


圖四 : 友通資訊在今年發表未來無人充電站的概念應用,期待持續擴大並強化人工智慧邊緣運算的能力。(source:DFI)
圖四 : 友通資訊在今年發表未來無人充電站的概念應用,期待持續擴大並強化人工智慧邊緣運算的能力。(source:DFI)

友通資訊也在今年嵌入式電子與工業電腦應用展(Embedded World)上,發表未來無人充電站的概念應用,提前因應電動車(EV)使用量的增加,以及隨之而來的相關充電樁設備佈建需求。其中嵌入式解決方案係採用第13代Intel Core i9-13900TE處理器和Intel Arc GPU執行大語言模型(LLM),期待在電動車市場中持續擴大並強化人工智慧邊緣運算(Edge AI)的能力。


友通總經理蘇家弘表示,友通運用虛擬機器(VM)虛擬化技術,推出強大的工作負載整合平台(Ubuntu/Windows/Android),只要單一Intel 中央處理器(CPU)即可同時執行多個作業系統,用於電動車充電等應用。期待藉由智慧充電樁解決方案,強化使用體驗、提升平台功能表現與能源效率,順應AIoT與節能發展趨勢。


因此促使Mistral 7B LLM可內建在友通的充電樁上執行任務,並運用Intel Arc GPU的XMX AI引擎進行快速AI推論,提供邊緣運算效能、獲得即時洞察資訊;以及第13代Intel Core處理器上的虛擬機器,整合諸如數位看板、支付交易和互動式資訊站等多種工作負載,達到簡化操作、降低成本目的;同時利用友通M.2 A Key介面的OOB遠端網路管理模組,可通過無線軟體更新,以提供穩定的遠端維運。


Intel智慧城市部門副總裁暨總經理Renu N. Navale表示:「Intel的技術正為電動車充電及交通基礎設施的創新發展鋪設道路,期待藉由這樣的創新技術在永續、移動和智慧充電系統方面迎來新時代。」


在Intel的初步效能測試中,發現在3次大規模多任務語言理解(MMLU)方面,英語的準確率為80%,反應時間不到2秒。而OpenVINO專為互通性和相容性而設計,可輕鬆將OpenVINO與Intel CPU和GPU結合使用,在不到2個月的時間內完成系統開發。期待藉此貼近客戶的需求,並提供更創新的服務、強化使用體驗,提前佈局充電站市場。


如今智慧充電樁透過工作負載整合平台,有望帶動相關商機,例如無人販賣服務可搭載拍擋科技的Kiosk解決方案等。廣告服務供應商也可運用由AI驅動的洞察資訊,加值其服務價值、


**刊頭圖(source:images.squarespace-cdn.com)


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