智慧充电桩百花齐放 终端客制化驱动制造

回顾2021年全球电动车浪潮初起，曾访问南部工具机大老对于此占终端消费市场比重达40%以上的汽车产业看法，只换来冷冷的一句：「连充电桩都还没着落，谈何电动车发展！」但电动车产业在经历疫情与全球竞逐净零碳排目标下已逐渐成熟，包含充电桩等客制化、模块化终端产品甚至由下而上，驱动制造业加速转型升级。

如今随着全球净零碳排及运具电动化政策驱动市场需求快速成长，各国陆续宣告禁售燃油车时程，引发电动车产业供应链成型，依《经济学人智库》报告预估，2024年全球电动车销量年比可望成长21%，将连带提升充电站与充电桩设备等基础设施配套成长。
为了支持电动车普及，纷纷设定不同充电桩设定目标。包括欧盟要求公共充电站须实现2025年100万枪、2030年300万枪目标，其中每60km须设置一座充电站，并陆续达到2025年≧400kW，150kW充电枪≧1支；2030年≧600kW，150kW充电枪≧2支目标。
美国也为此补助各州共设立2030年50万具公共充电站，至少每50英哩设置1座要求至少4支≧150kW的CCS充电枪。但要求外壳制造和组装在地化、2024年55%内部组件须在美制造，促成许多充电桩制造厂商开始实行并购策略。
工研院产科国际所研究经理黄雅琪指出，因此竞争将加剧产业整并风潮持续进行，包含充电桩业者必须配合充电营运商（CPO）需求客制化、模块化产品，至今市场上已少见充电桩标准品，甚至可望推动上游充电桩模块及电动车制造业转型升级。

欧美充电桩规格一统　激增产业链整合商机

 
图一 : 为了让更多驾驶人转开电动车，势必要有便利的充电基础设施，加速充电规格统一（摄影：陈念舜）.

其中为了让更多驾驶人转开电动车，势必要有便利的充电基础设施，虽然尚未等到美国汽车工程师学会（SAE）审核通过特斯拉的「北美充电标准」（NACS）成为北美电动车产业的公众标准，但是特斯拉（Tesla）超充大联盟仍持续扩大规模，继通用、福特和Rivian等美系车厂之后，瑞典车厂Volvo也成为率先导入NACS的欧系车厂，为充电桩商机再添柴火。
后者决议自2025年起在美国、加拿大和墨西哥三国的Volvo电动车，将配备NACS的充电接口，避开了拜登政府所主导的「组合充电系统」（CCS）标准；其他实行CCS的车主，也能从今年上半年开始采用变压/转接器，就能同样使用NACS/CCS的网络充电。
由美国政府资助「国家再生能源实验室」（NREL）研究指出，全美在2030年前将设置由120万个公共充电站组成的电动车充电网络，其中包括100万个Level 2充电站，并将所有NACS和其他类型充电站都包含在内。消息一出，不单台达电、光宝科等大厂，贸联-KY等特斯拉受惠族群摩拳擦掌，就连非特斯拉阵营也蓄势待发。

台达电永续长暨发言人周志宏认为，「这绝对是长多」，因为饼会愈做愈大，尽管短期会带来什么冲击，目前仍需要再观察，但周志宏强调，中间的过渡期「绝对不会是很久的事」。贸联-KY董事长梁华哲虽看好市场把饼做大效益，但他也强调，充电桩是个充满竞争的市场，要求量大，势必得在价格上做退让，「未来充电桩毛利要有大幅成长，会是一个挑战」。

充电模式影响充电桩及电动车制造
此外，基于现今「充电快速化」趋势，快充桩朝高功率发展，估计CCS充电桩最大功率设计可达480V，还须考虑不同车种、电池可否接受，例如高价车快充上达250kW、平价车落在50~100kW之间。
且因为锂电池的化学特性在低于冰点时充电，恐容易会造成电池损坏，所以电动车在气温寒冷时的充电过程，会先耗费大量时间将电池加热至适当温度，导致充电时间延长；在极端低温下甚至无法充电，曾造成大批车辆堵在充电站动弹不得，宛如电动车坟场。
为了在温度过低时保护电池，电动车制造厂商还会限制可使用的电池电量，须待电池升温才会恢复正常，造成低温时的电动车续航力大减。根据挪威汽车联合会（Norwegian Automobile Federation）发现，电动车在寒冷环境下的行驶里程将减少约20%，若汽车加热系统全力运作，则数字可能增加至40%以上。
包括SiC与GaN等宽能隙材料，则具备比起传统硅材料更能耐高温、高压及高频的特性，GaN组件常用于900V以下领域、SiC则适用于1200V以上电压，两者分别在低开关耗损、传导耗损上具备优势，能帮助新能源车提升效率、缩小体积，实现高频快充、长续航与轻量化的好处，因而成为市场新宠。
除了吸引欧美日主流科技大厂争相投资SiC产业，以卡位汽车动力系统的主导权；台湾也因为具备完整半导体产业链优势，被视为重要的委外制造伙伴，包括环球晶、汉民及广运等集团，可望从欧美日主导的供应链中突围。
台达最新推出的一体式超快直流充电桩UFC 500，也强调搭载新一代SiC芯片与专利拓朴设计，由于轻巧紧凑的电源模块功率密度有效提升，而实行十分紧凑的一体机设计；同时具备高达96%的电力转换效率，单枪输出功率最高可达460kW，双枪同时输出最高达250kW，十分有利于场站空间运用。不需另外配置电源柜，更易于维护和有效缩减充电设备的的占地面积，降低充电营运商土地取得门坎，简化营运商安装与维护成本.
微星科技（MSI）则在近期推出甫于今年初美国CES大展上发表的第二代旗舰充电桩「Eco Premium」首度在台亮相，具有支持高达22 kW的三相电力输出，比起单相充电有更快的充电速度，更适合电池容量较大的电动车或需要快速充电的场合，能同时提升充电效率并减少过载机会。
设计上则瞄准欧美更高的客制化需求，如可自由选择有无枪线，三方进线的方式也能增加施工弹性，提供消费者及营运商在充电设备挑选上更多元化的选择。另免除一般AC安装、外出即插即用、一机可换8国插头、方便外出携带使用的旅行充电桩「Portable EV Charger」，持续壮大旗下电动车产品阵容。
微星同时宣布，旗下「EV系列」功能最齐全、规格最强大的商业应用充电桩「EV AI」，即日起在台湾正式上市。具有内建AI车牌辨识，并搭载QR Code扫码支付、RFID卡片感应功能，优化停车管理与支付体验；搭配微星自行开发的EMS云端管理系统与客制化API整合服务，将成为商业场域如公共停车场、充电站、建案、饭店、商办大楼等最佳电动车充电解决方案。

 
图二 : 微星科技则在近期推出第二代旗舰充电桩「Eco Premium」首度在台亮相，更适合电池容量较大的电动车或需要快速充电的场合，能同时提升充电效率并减少过载机会。

V2X充电智慧化　ISO标准问世　朝商业化更迈进一步
值得一提的是，因应目前「充电智慧化」趋势，可降低充电桩设置及营运成本，加速回收投资报酬，促使连网可控成为充电桩基本功能要求，执行包含智能充电V1G、双向充放电V2X等多样模式，让充电业者有机会跨入能源服务业，惟仍有市场机制/法规、标准、技术与产品、消费者等诸多挑战。
黄雅琪指出，由于充放电桩高出4~6倍，加上电池有衰退疑虑又乏保固机制等因素；仍待制订完善车-桩-管理平台-电力公司互操作性的通讯标准、双相充放电桩的安全与功能标章，导致现今只有少数电动车款及充放电桩可支持V2X应用，仅以在家充放电或断电时备援为主，尚未能真正回充电网使用。所幸在近年来ISO 15118-20功能就绪后，让V2X往商业化更迈进一步。

研华携手充电营运商　发表应用解决方案

 
图三 : 研华携手充电营运商，发表EVSE专用控制板解决方案，加速回收投资报酬。（摄影：陈念舜）

工业物联网大厂研华公司近日也在林口共创园区举行「嵌入式设计论坛」，并邀请电动车载控制器（EVCC）模块设计公司起而行绿能公司（eTreego），在2023年成立的充坝（gochabar）子公司，提供充电系统与营运的技服务，串联充电系统所有软硬件价值资源与整合效益。
研华嵌入式物联网平台事业群产品研发经理王圣文引述PwC报告指出，目前一具L3~L4等期的DC超快充电桩的建置成本美金约4~14万元；营运端还有50%成本来自电费，其他50%为后台营运、配电线路、土地、税务、保险等，估计一座配备4~6具充电桩的场域设置和营运成本约须投资新台币1200~2000万元。
充电桩厂商为了获利，必须仰赖政府补助、连手车厂策略，否则须等到10~15年届龄淘汰后才能回本。研华虽然并不制造整具充电桩，以供应所需HMI与控制器主板为主，分别从底层软硬件架构协助实现。
包含提高利用率（Higher Utilization），从现行10%~15%增至20%，才有可能盈利；为了吸引人流、车流和更多充电营运商加入，还必须借重架构在硬件、OS、应用层之上的服务器技术，可自远程维护软硬件，双网口可用于能耗计算及管理。
且若要实现降低能源成本（Lower Energy Cost）基于能源占总体营运成本约50%，只能仰赖电力公司，并配合时间电价削峰填谷。也就是在用电尖峰时间放电、离峰时间充电以降低电费，经由整合BESS/ESS加以平衡；或是透过光充储，将多余的再生能源储存起来，实现零碳排。
其他营收来源（Other Source of income），则可与商场异业合作、卖碳权，或加入V2G、V2X服务。为了因应竞争激烈又利润微薄，满足客户要求功能多寡务必要弹性。研华在设计充电桩的控制板时，需要针对不同等级效能加值应用，具备多个RS-232/422 485和CANBus 可用于充电控制板和支付外围。
研华为此提供EVSE专用控制板，包含AFE-E420（NXP i.MX93）、AFE-E350（Intel Atom x6000E），整合EVSE控制器与SECC变频线网络设计，支持 Windows和Ubuntu OS并具备OOB频外管理、AI运算能力的可扩充性，提供预先配置资安防护解决方案。
由于大多数大型商业按次付费直流充电站都位于室外，因此充电站这次必须能够承受灰尘、下雨、持续日照和极端温度等环境和天气条件，还能够稳定、可靠地传输数据。充电量、计费明细等信息，还必须整合后端系统管理、站点远程实时监控、能源管理系统等功能。
在远程管理与资安防护方面，研华也有与BV（Bureau Veritas）公司合作符合IEC-62443解决方案，包含Embedded OS、防护与备份、装置生命周期。现也协助充坝透过开放的充电站协议（OCPP）传输，推出双端＋双模＋双电力的EMS架构。

友通「未来无人充电站」　打造电动车充电新体验


 
图四 : 友通信息在今年发表未来无人充电站的概念应用，期待持续扩大并强化人工智能边缘运算的能力。（source：DFI）

友通信息也在今年嵌入式电子与工业计算机应用展（Embedded World）上，发表未来无人充电站的概念应用，提前因应电动车（EV）使用量的增加，以及随之而来的相关充电桩设备布建需求。其中嵌入式解决方案系采用第13代Intel Core i9-13900TE处理器和Intel Arc GPU执行大语言模型（LLM），期待在电动车市场中持续扩大并强化人工智能边缘运算（Edge AI）的能力。
友通总经理苏家弘表示，友通运用虚拟机（VM）虚拟化技术，推出强大的工作负载整合平台（Ubuntu/Windows/Android），只要单一Intel 中央处理器（CPU）即可同时执行多个操作系统，用于电动车充电等应用。期待藉由智能充电桩解决方案，强化使用体验、提升平台菜单现与能源效率，顺应AIoT与节能发展趋势。
因此促使Mistral 7B LLM可内建在友通的充电桩上执行任务，并运用Intel Arc GPU的XMX AI引擎进行快速AI推论，提供边缘运算效能、获得实时洞察信息；以及第13代Intel Core处理器上的虚拟机，整合诸如数字广告牌、支付交易和交互式信息站等多种工作负载，达到简化操作、降低成本目的；同时利用友通M.2 A Key接口的OOB远程网络管理模块，可通过无线软件更新，以提供稳定的远程维运。
Intel智慧城市部门副总裁暨总经理Renu N. Navale表示：「Intel的技术正为电动车充电及交通基础设施的创新发展铺设道路，期待藉由这样的创新技术在永续、移动和智能充电系统方面迎来新时代。」
在Intel的初步效能测试中，发现在3次大规模多任务语言理解（MMLU）方面，英语的准确率为80%，反应时间不到2秒。而OpenVINO专为互操作性和兼容性而设计，可轻松将OpenVINO与Intel CPU和GPU结合使用，在不到2个月的时间内完成系统开发。期待藉此贴近客户的需求，并提供更创新的服务、强化使用体验，提前布局充电站市场。
如今智能充电桩透过工作负载整合平台，有望带动相关商机，例如无人贩卖服务可搭载拍挡科技的Kiosk解决方案等。