軌道交通電源市場現(xiàn)狀分析及發(fā)展前景

軌道交通電源市場現(xiàn)狀分析及發(fā)展前景電力電子應(yīng)用領(lǐng)域中國電力電子產(chǎn)業(yè)總產(chǎn)值已達500億元，并繼續(xù)穩(wěn)步向上發(fā)展。電力電子產(chǎn)業(yè)對中國人的生活產(chǎn)生了深遠的影響。電力電子器件又稱為功率半導(dǎo)體器件，主要用于電力設(shè)備的電能變換和控制電路方面大功率的電子器件。用途包括變頻、整流、變壓、功率放大、功率控制等，同時具有節(jié)能功效。功率半導(dǎo)體器件廣泛應(yīng)用于移動通訊、消費電子、新能源交通、軌道交通、工業(yè)控制、發(fā)電與配電等電力、電子領(lǐng)域。電力電子器件根據(jù)載流子類型可分為雙極型與單極型。雙極型包括功率二極管、雙極結(jié)型晶體管、電力晶體管、晶閘管、絕緣柵雙極型晶體管等，單極型包括功率MOSFET、肖特基勢壘功率二極管等。電力電子器件起著關(guān)鍵性作用，關(guān)系著高鐵動力系統(tǒng)、汽車動力系統(tǒng)、消費及通訊電子系統(tǒng)等領(lǐng)域能否實現(xiàn)自主可控的核心零部件?！吨袊圃?025》明確提出將先進軌道交通裝備、節(jié)能與新能源汽車、電力裝備、高檔數(shù)控機床和機器人等列為突破發(fā)展的十大重點領(lǐng)域。同時國內(nèi)企業(yè)具備低端領(lǐng)域全面實現(xiàn)國產(chǎn)化能力，同時向中高端進軍，以南車、比亞迪為代表的廠商已實現(xiàn)技術(shù)突破，成功實現(xiàn)國產(chǎn)化IGBT在高鐵和新能源汽車中的應(yīng)用。美國電力電子器件處于世界領(lǐng)先地位，擁有一批具有全球影響力的廠商，例如TI、Fairchild、Maxim、ADI、ONSemiconductor和Vishay等廠商。歐洲擁有Infineon、ST和NXP三家全球半導(dǎo)體大廠。日本主要有Toshiba、Renesas、Rohm、Matsushita、FujiElectric等。中國臺灣擁有富鼎先進、茂達、安茂、致新和沛亨等一批廠商。中國大陸擁有吉林華微電子、蘇州固锝電子、無錫華潤華晶微電子、揚州揚杰電子等一批廠商。精密測試電源行業(yè)發(fā)展情況測試電源伴隨著科研和工業(yè)領(lǐng)域同步發(fā)展，產(chǎn)業(yè)發(fā)展周期較為悠久，產(chǎn)品技術(shù)相對成熟，廣泛應(yīng)用于科研試驗、航空航天、醫(yī)療設(shè)備、通信電子、消費電子、電子元器件等傳統(tǒng)行業(yè)。由于其應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，通常被歸為通用電子測量儀器中的電源及電子負載類別，稱作通用測試電源。在傳統(tǒng)工業(yè)領(lǐng)域發(fā)展較早的歐美日以及中國臺灣地區(qū)，積累了一批具備較強先發(fā)優(yōu)勢的廠商，包括AMETEK、EA、致茂電子等。隨著新能源行業(yè)快速發(fā)展，開始出現(xiàn)較多對大功率測試電源的需求。由于通用測試電源通常功率較低而無法滿足以上測試需求，市場上出現(xiàn)兩類解決方案：通過串并聯(lián)技術(shù)將功率較低的通用測試電源擴容以覆蓋更高功率；采用大功率變換器方案按照測試電源要求專門研制。后一類大功率測試電源體積較大，主要應(yīng)用于新能源及其上下游相關(guān)配套領(lǐng)域，因此也被稱作專用測試電源或大功率測試電源。由于大功率測試電源早期的定制特征，在通用測試電源領(lǐng)域占據(jù)主導(dǎo)地位的國外和中國臺灣地區(qū)廠商，其價格、服務(wù)、市場響應(yīng)速度都不具備競爭優(yōu)勢。國內(nèi)具備較好的技術(shù)基礎(chǔ)和定制化能力的電源廠商，如科威爾、艾諾儀器、沃森電源等，通過研發(fā)大功率測試電源切入新能源領(lǐng)域，并逐步開發(fā)通用測試電源產(chǎn)品，形成對傳統(tǒng)測試電源廠商的差異化競爭。隨著電力電子技術(shù)的進步，設(shè)備電氣化水平的提升，以及近年來光伏儲能、新能源汽車等行業(yè)的快速發(fā)展，作為電氣電子產(chǎn)品或部件在研發(fā)生產(chǎn)環(huán)節(jié)中的必要測試設(shè)備，測試電源的需求呈現(xiàn)快速增長。測試電源在新能源發(fā)電領(lǐng)域的主要應(yīng)用是對光伏發(fā)電領(lǐng)域的核心部件光伏逆變器進行測試，對儲能領(lǐng)域的核心部件儲能變流器和儲能電池包進行測試，以及對發(fā)電機組接入電網(wǎng)做電網(wǎng)適應(yīng)性測試。例如，光伏模擬器可以輸出高精度、高動態(tài)特性的直流電，模擬光伏陣列的IV特性曲線，廣泛應(yīng)用于光伏逆變器的研發(fā)生產(chǎn)測試，是測試逆變器MPPT效率的重要工具；電池模擬器可以模擬真實儲能電池包的輸入輸出特性，可實現(xiàn)儲能變流器充放效率測試；電網(wǎng)模擬源適用于風(fēng)電、光伏等各種外場環(huán)境，可模擬包括電網(wǎng)電壓偏差、頻率偏差、三相電壓不平衡、電壓波動、閃變、諧波電壓在內(nèi)的各類電網(wǎng)工況，對發(fā)電機組電網(wǎng)適應(yīng)性進行測試和認證。目前，各國對碳排放造成環(huán)境問題基本達成共識，低碳發(fā)展的理念已成全球趨勢。在2021年的兩會上，碳達峰、碳中和被首次寫入政府工作報告，我國力爭在2030年前實現(xiàn)碳達峰，2060年前實現(xiàn)碳中和，利用光伏等新能源替代傳統(tǒng)能源是實現(xiàn)這一目標(biāo)的關(guān)鍵。隨著光伏發(fā)電行業(yè)持續(xù)降本增效，截至2020年底，光伏發(fā)電的平均成本為0．36元/度，基本與全國脫硫燃煤電價平均值持平，經(jīng)濟效益開始顯現(xiàn)。光伏發(fā)電已經(jīng)成為具有規(guī)模優(yōu)勢和自主知識產(chǎn)權(quán)的優(yōu)勢產(chǎn)業(yè)。據(jù)國家能源據(jù)統(tǒng)計，我國光伏發(fā)電累計裝機容量從2016年的0．77億千瓦增長到2021年的3．06億千瓦，年復(fù)合增長率為31．78%。按照十四五規(guī)劃要求及相關(guān)部署，確保2025年非化石能源消費占一次能源消費的比重達到20%左右，到2030年該比重達到25%左右。為達到此目標(biāo)，我國光伏等新能源發(fā)電年均裝機容量仍將保持高速增長，對測試電源的需求將持續(xù)提高，行業(yè)規(guī)模有望穩(wěn)定增長。在光儲領(lǐng)域，核心部件光伏逆變器功率不斷提升。以目前市場占比接近70%的組串式逆變器為例，各大廠商陸續(xù)推出更大功率的逆變器產(chǎn)品，以降低產(chǎn)品的單瓦成本。隨著高功率化降本的路線逐漸清晰，光伏逆變器產(chǎn)品迭代速度明顯加快，將會促使應(yīng)用于逆變器研發(fā)生產(chǎn)環(huán)節(jié)的測試電源產(chǎn)品迭代升級。此外，微型逆變器憑借安全、高效、靈活的優(yōu)勢，以及近年成本的下降，正迎來全新的發(fā)展機遇，未來將新增大量微型逆變器的測試需求。專用測試裝備廣泛地應(yīng)用于新能源汽車領(lǐng)域，是新能源汽車行業(yè)的電驅(qū)動系統(tǒng)、電源系統(tǒng)、動力電池和充電樁研發(fā)和生產(chǎn)環(huán)節(jié)必不可少的測試設(shè)備。例如，電池模擬器可準(zhǔn)確模擬電池的不同參數(shù)，來測試電驅(qū)動系統(tǒng)的效率、堵轉(zhuǎn)、超速、饋電、過載等性能，亦可用于替代真實電池滿足對直流充電樁測試；電機模擬器可同時模擬電機及電池包，具備電機動態(tài)數(shù)學(xué)模型，精確模擬永磁同步電機電動及發(fā)電狀態(tài)，單臺設(shè)備完成電機控制器的老化及下線測試；電網(wǎng)模擬源模擬電壓變化、諧波、閃變等特殊工況，用于充電樁的電網(wǎng)適應(yīng)性測試。全球范圍內(nèi)，新能源汽車仍處于起步階段，呈現(xiàn)出滲透率較低，增速較高，增長潛力巨大的特點。從市場規(guī)模來看，我國已經(jīng)成為全球最大的新能源汽車市場，2021年新能源汽車產(chǎn)銷突破350萬輛，實現(xiàn)同比1．6倍的大幅增長。根據(jù)《2030年前碳達峰行動方案》的要求，到2030年新能源汽車的滲透率要達到40%，我國新能源汽車市場的發(fā)展?jié)摿Τ渥?。隨著國內(nèi)電動汽車的蓬勃發(fā)展，我國政府同步推進新能源汽車及充電設(shè)施產(chǎn)業(yè)發(fā)展。2016-2021年間，我國公共充電樁數(shù)量由14．13萬個增長至114．70萬個，復(fù)合增長率達52．01%。后續(xù)隨著我國新能源汽車的持續(xù)增長，將會進一步拉動充電基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)需求的快速增長，我國充電基礎(chǔ)設(shè)施規(guī)模有望迎來新一輪高增長，市場前景廣闊。新能源汽車整車及部件測試環(huán)節(jié)眾多，對測試電源的需求也將穩(wěn)定增長。隨著新技術(shù)和新材料的發(fā)展，新能源汽車的電驅(qū)動系統(tǒng)和電源系統(tǒng)朝著高電壓、高功率密度、高度集成化的方向發(fā)展，以提高電機效率延遲里程、減輕汽車重量、縮短充電時間。高壓化對汽車電子各環(huán)節(jié)都將帶來新挑戰(zhàn)，新能源汽車要實現(xiàn)以上功能，除了需要提高電機、電池性能外，PTC、空調(diào)、OBC、高壓線束等部件都需要重新適配，此外還面臨更高電壓帶來的安全、熱管理、成本等多方面挑戰(zhàn)。因此，在相應(yīng)的研發(fā)生產(chǎn)環(huán)節(jié)，也將催生出對測試電源產(chǎn)品新的需求。同時，隨著整車帶電量和續(xù)航里程提升，充電便利性成為制約電動車使用體驗提升的一大因素，高壓快充能夠有效解決電動車?yán)锍探箲]、快速充電問題，已成為未來補能技術(shù)演進新趨勢，相應(yīng)的高壓大功率超充網(wǎng)絡(luò)正處于加速布局階段。較大的快充需求有望驅(qū)動充電樁向高功率升級換代，進而帶動測試電源的需求增加。測試電源是各類制造業(yè)的基礎(chǔ)測試設(shè)備之一，市場空間十分廣闊。隨著消費電子、通訊電子、半導(dǎo)體等下游行業(yè)的迅速發(fā)展，測試電源行業(yè)迎來了新的挑戰(zhàn)和機遇。當(dāng)前，我國正在由制造業(yè)大國向制造業(yè)強國轉(zhuǎn)型，對半導(dǎo)體等先進制造圓測試、芯片供電及老化測試、分立器件的導(dǎo)通測試等關(guān)鍵測試環(huán)節(jié)均需要測試電源參與，因而測試電源的自主可控尤為關(guān)鍵。在當(dāng)前國際形勢下，研發(fā)生產(chǎn)環(huán)節(jié)關(guān)鍵設(shè)備的國產(chǎn)化來越受到國家和企業(yè)的重視，隨著國內(nèi)電力電子技術(shù)的快速發(fā)展，目前國內(nèi)企業(yè)在測試電源領(lǐng)域已有充分的技術(shù)積累。從產(chǎn)品指標(biāo)上看，國產(chǎn)測試電源在電壓精度、電流精度以及動態(tài)響應(yīng)時間等方面已達到進口品牌水平，為后續(xù)逐步替代進口產(chǎn)品創(chuàng)造了可能。同時，新能源產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展帶來了新的測試需求，國產(chǎn)廠商展現(xiàn)了性價比和快速服務(wù)響應(yīng)上的優(yōu)勢。以新能源領(lǐng)域為突破口，建立品牌認知和產(chǎn)品口碑，有助于國產(chǎn)廠商輻射更廣闊的市場應(yīng)用領(lǐng)域，把握的機會。電力電子行業(yè)發(fā)展前景隨著制造業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型進程的加速推進及中國制造2025戰(zhàn)略的實施，工業(yè)企業(yè)逐步向智能制造轉(zhuǎn)型。在碳中和背景下，新能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展已成為全球共識，清潔低碳是能源轉(zhuǎn)型大趨勢。能源結(jié)構(gòu)切換下，電力電子行業(yè)迎來大發(fā)展。電力電子智能化的進展，在一定程度上將信息處理與功率處理合一，使微電子技術(shù)與電力電子技術(shù)一體化，其發(fā)展有可能引起電子技術(shù)的重大改革。有人甚至提出，電子學(xué)的下一項革命將發(fā)生在以工業(yè)設(shè)備和電網(wǎng)為對象的電子技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域，電力電子技術(shù)將把人們帶到第二次電子革命的邊緣。電力電子行業(yè)發(fā)展情況和未來發(fā)展趨勢提高電力電子設(shè)備的開關(guān)頻率，可以有效地減小設(shè)備的體積和重量。另外，可以采用高頻隔離，去掉笨重的工頻隔離變壓器，從而進一步減小設(shè)備的體積和重量，并且消除變壓器和電感的噪聲，同時改善設(shè)備的動態(tài)響應(yīng)能力。尤其是第三代功率半導(dǎo)體器件的應(yīng)用，為高頻化提供了器件基礎(chǔ)。與硅基材料相比，以碳化硅和氮化鎵為代表的第三代半導(dǎo)體材料的耐高壓、耐高溫、高頻和高熱導(dǎo)率性能更好。極大地提高了MOSFET、IGBT等功率器件的工作頻率以及耐壓容量、耐高溫性能，可以極大提高設(shè)備的功率密度和綜合性能。模塊化技術(shù)是電力電子設(shè)備的重要發(fā)展趨勢，通過采用多個較小容量的模塊化產(chǎn)品任意組合成一個較大容量的產(chǎn)品，可以提高系統(tǒng)的可靠性和靈活性。模塊化具體包括功率器件的模塊化和功能單元的模塊化。功率器件的模塊化是將變換器功率電路直接焊接在印制電路板或陶瓷基板封裝成通用或?qū)Ｓ媚K。功能單元的模塊化是將具有完整功能的電路通過標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一化的結(jié)構(gòu)組裝成一體，形成的功能單元模塊或組件，通過陣列式多級串并聯(lián)，可以組成整機設(shè)備或系統(tǒng)，將模塊組件的容量增加幾倍甚至十幾倍，使單一類型模塊實現(xiàn)容量及功能的多樣化，無需針對特定功率需求進行重復(fù)開發(fā)或單獨設(shè)立產(chǎn)線，減小設(shè)備生產(chǎn)商的產(chǎn)品開發(fā)成本。高性能主要指電力電子設(shè)備輸出特性的高性能，具體體現(xiàn)在：穩(wěn)壓性能好、波形質(zhì)量高、瞬態(tài)響應(yīng)特性好和電壓調(diào)制小等。設(shè)備的性能直接影響到下游客戶設(shè)備的技術(shù)特性，部分行業(yè)領(lǐng)域的客戶設(shè)備對供電品質(zhì)要求極高。例如加速器中帶電粒子的運動對于對電源的精度提出極高的要求，需要高精度、低紋波、高穩(wěn)定度、高效節(jié)能的電源產(chǎn)品。而在測試電源領(lǐng)域，客戶在研發(fā)生產(chǎn)環(huán)節(jié)對產(chǎn)品精細化測試要求的提高，如新能源汽車電動機、動力電池、電控系統(tǒng)向高功率密度、高電壓、大功率等方向發(fā)展，促使測試電源產(chǎn)品持續(xù)升級。數(shù)字化和智能化貫穿于電力電子設(shè)備的控制、檢測與通信過程中，全數(shù)字化控制及智能化控制通過可編程芯片實現(xiàn)針對設(shè)備閉環(huán)反饋控制回路的數(shù)字化控制，以代替?zhèn)鹘y(tǒng)單一參數(shù)模擬控制，如根據(jù)輸入電壓和負載及環(huán)境溫度的變化靈活設(shè)置不同的閉環(huán)反饋控制參數(shù)來提升設(shè)備的綜合性能和可靠性；同時，也可對設(shè)備的工作狀態(tài)進行智能監(jiān)控，如電流、電壓、溫度等狀態(tài)參數(shù)的數(shù)字化監(jiān)控，過壓、過流及過溫等故障信號的上報，以及上位機對設(shè)備的開關(guān)機指令等。采用全數(shù)字化技術(shù)可有效縮小設(shè)備體積、降低生產(chǎn)成本、提高對用戶需求的匹配性和易用性。還可以實現(xiàn)如自學(xué)習(xí)、自調(diào)試等新功能，設(shè)備可以訪問本地數(shù)據(jù)庫自主解決簡單的故障，并自主學(xué)習(xí)更新數(shù)據(jù)庫，另外還可支持遠程維護。電力電子設(shè)備是新能源發(fā)電和電力能源優(yōu)化高效使用的基礎(chǔ)裝備，其大量使用是助力綠色環(huán)保、減少污染的利器；另一方面設(shè)備本身也需采用更加綠色環(huán)保的技術(shù)，例如采用功率因數(shù)校正等技術(shù)提高輸入功率因數(shù)，從而減少對電網(wǎng)的污染，降低無功損耗和容量占用；采用更高效率的變換器，降低自身損耗，減少電能消耗。電力電子行業(yè)主要應(yīng)用領(lǐng)域隨著光伏和風(fēng)電發(fā)電占比逐漸提高，電源管理產(chǎn)品，如逆變器、升壓降壓等，以及相關(guān)產(chǎn)業(yè)鏈需求也將同步增長。在新能源汽車領(lǐng)域，同樣需要對電壓進行變換從而可以驅(qū)動電機和為電池充電，對于電源管理產(chǎn)品的需求量更大。控制算法和功率器件性能都在不斷優(yōu)化，電力電子技術(shù)在運動控制、工業(yè)自動化、智能電網(wǎng)、新能源發(fā)電等社會經(jīng)濟多個領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用。電力電子技術(shù)的應(yīng)用中，以變頻調(diào)速系統(tǒng)最具有代表性。我國碳達峰碳中和目標(biāo)的確立，標(biāo)志著以光伏、風(fēng)電為代表的新能源將成為未來我國能源增長的主要力量。中國光伏行業(yè)協(xié)會預(yù)測十四五我國年均光伏新增70-90GW。根據(jù)國家可再生能源中心數(shù)據(jù)預(yù)測，我國光伏市場年均新增裝機在中長期內(nèi)將大幅增加。電能是目前最重要的能源形式之一，幾乎所有的電能從產(chǎn)生到消耗都要經(jīng)過電壓、電流、頻率等參數(shù)的調(diào)節(jié)，統(tǒng)稱為電能的變換。電力電子技術(shù)就是一門對電能進行變換和控制的技術(shù)，其本質(zhì)是利用電力電子器件（即功率器件）的開關(guān)作用，實現(xiàn)弱電對強電的控制，具有控制靈活、效率高等優(yōu)點。如今大規(guī)模集成電路的廣泛應(yīng)用，為電力電子技術(shù)的進一步發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。將集成電路技術(shù)中的精細加工技術(shù)和高壓大電流技術(shù)有機結(jié)合，實現(xiàn)了功率器件向高頻化方向發(fā)展。從電力電子產(chǎn)業(yè)鏈看，目前國內(nèi)電容、電感磁芯以及繼電器的產(chǎn)品能力經(jīng)過20余年的發(fā)展，積累了大量歷史數(shù)據(jù)，有能力為終端廠商提供成熟可控、性能高效的產(chǎn)品。未來電容和磁芯，有望進一步替代日韓公司，國內(nèi)龍頭廠商有望更進一步發(fā)展。光風(fēng)等自然條件多變，導(dǎo)致光伏、風(fēng)電輸出功率不穩(wěn)定，無法時刻滿足并網(wǎng)的功率要求，儲能系統(tǒng)則可以解決光伏發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)間歇性和不穩(wěn)定性的問題。除了保證系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠外，儲能系統(tǒng)還是解決電壓脈沖、涌流、電壓跌落和瞬時供電中斷等動態(tài)電能質(zhì)量問題的有效途