Tendencias y oportunidades de desarrollo en la industria de módulos de carga para vehículos de nueva energía

1. Panorama general del desarrollo de la industria de módulos de carga

Los módulos de carga son el núcleo de los puntos de carga de CC para vehículos de nueva energía. A medida que la tasa de penetración y la propiedad de vehículos de nueva energía en China siguen aumentando, la demanda de puntos de carga también aumenta. La carga de vehículos de nueva energía se divide en carga lenta de CA y carga rápida de CC. La carga rápida de CC se caracteriza por su alto voltaje, alta potencia y velocidad de carga. A medida que el mercado busca una mayor eficiencia de carga, la escala del mercado de puntos de carga rápida de CC y módulos de carga continúa expandiéndose.

2. Nivel técnico y características de la industria de módulos de carga para vehículos eléctricos.

La industria de módulos de carga para vehículos eléctricos de nueva generación cuenta actualmente con características técnicas como alta potencia, alta frecuencia, miniaturización, alta eficiencia de conversión y amplio rango de voltaje en un solo módulo.

En cuanto a la potencia de los módulos individuales, la industria de módulos de carga para estaciones de carga de nueva energía experimentó un desarrollo de productos principal de 7,5 kW en 2014, corriente constante de 20 A y 15 kW en 2015, y potencia constante de 25 A y 15 kW en 2016. Los módulos de carga de aplicación principal actual son de 20 kW y 30 kW. Las soluciones de módulo único y la conversión a 40 kW de potencia para estaciones de carga de nueva energía suministran soluciones de módulo único. Los módulos de carga de alta potencia se han convertido en una tendencia de desarrollo de mercado para el futuro.

En términos de voltaje de salida, State Grid emitió la versión 2017 de las "Normas de calificación y verificación de capacidad para proveedores de equipos de carga de vehículos eléctricos" que establece que el rango de voltaje de salida de los cargadores de CC es de 200-750 V, y el voltaje de potencia constante cubre al menos los rangos de 400-500 V y 600-750 V. Por lo tanto, todos los fabricantes de módulos generalmente diseñan módulos para 200-750 V y cumplen con los requisitos de potencia constante. Con el aumento en la autonomía de los vehículos eléctricos y la demanda de los usuarios de vehículos de nueva energía de reducir el tiempo de carga, la industria ha propuesto una arquitectura de carga súper rápida de 800 V, y algunas empresas han logrado el suministro de módulos de carga de pila de carga de CC con un amplio rango de voltaje de salida de 200-1000 V.

En lo que respecta a la alta frecuencia y la miniaturización de los módulos de carga, la potencia de los módulos individuales de las fuentes de alimentación de los puntos de carga de nueva generación ha aumentado, pero su volumen no puede incrementarse proporcionalmente. Por lo tanto, aumentar la frecuencia de conmutación e integrar componentes magnéticos se ha convertido en un medio importante para incrementar la densidad de potencia.

En términos de eficiencia de los módulos de carga, las principales empresas del sector de módulos de carga para estaciones de carga de energía nueva suelen alcanzar una eficiencia máxima del 95 % al 96 %. En el futuro, con el desarrollo de componentes electrónicos como los dispositivos de potencia de tercera generación y la popularización de vehículos eléctricos con una plataforma de alto voltaje de 800 V o incluso superior, se espera que el sector incorpore productos con una eficiencia máxima superior al 98 %.

A medida que aumenta la densidad de potencia de los módulos de carga, también surgen mayores problemas de disipación de calor. En cuanto a la disipación de calor de los módulos de carga, el método predominante en la industria actualmente es la refrigeración por aire forzado, aunque también existen métodos como los conductos de aire frío cerrados y la refrigeración por agua. La refrigeración por aire tiene las ventajas de un bajo costo y una estructura simple. Sin embargo, a medida que aumenta la presión de disipación de calor, las desventajas de la capacidad limitada de disipación de calor y el alto nivel de ruido de la refrigeración por aire se hacen más evidentes. Equipar el módulo de carga y la línea de la pistola con refrigeración líquida se ha convertido en una solución importante.

3. El progreso tecnológico acelera las oportunidades de desarrollo de la penetración de la industria de las nuevas energías.

En los últimos años, la tecnología de la industria de las energías renovables ha seguido avanzando y logrando importantes avances, y el aumento de su penetración ha impulsado el desarrollo continuo de la industria de módulos de carga. El notable incremento en la densidad energética de las baterías ha solucionado el problema de la autonomía insuficiente de los vehículos de energías renovables, y la aplicación de módulos de carga de alta potencia ha reducido considerablemente el tiempo de carga, acelerando así la adopción de estos vehículos y la construcción de estaciones de carga. En el futuro, se espera que la integración y la profundización de tecnologías como el almacenamiento óptico, la integración de la carga y la integración de redes vehiculares V2G aceleren aún más la penetración de las energías renovables y la popularización de su consumo.

4. Panorama competitivo del sector: El sector de los módulos de carga es totalmente competitivo y el mercado de productos es amplio.

El módulo de carga es el componente central de los puntos de carga de CC. Con el aumento de la tasa de penetración de vehículos de nueva energía en todo el mundo, los consumidores están cada vez más preocupados por el alcance y la comodidad de la carga. La demanda del mercado de puntos de carga de carga rápida de CC se ha disparado, y el mercado nacional de operación de puntos de carga ha crecido desde En los primeros días, la Red Estatal fue la fuerza principal en el desarrollo diversificado. Varios operadores de capital social con capacidades tanto de fabricación como de operación de equipos para puntos de carga surgieron rápidamente. Los fabricantes nacionales de módulos de carga continuaron expandiendo su escala de producción y ventas para la construcción de puntos de carga de apoyo, y su competitividad integral continuó fortaleciéndose.

Actualmente, tras años de iteración y desarrollo de módulos de carga, la competencia en el sector es considerable. Los productos principales se orientan hacia el alto voltaje y la alta densidad de potencia, y el mercado es amplio. Las empresas del sector obtienen mayor cuota de mercado y rentabilidad principalmente mediante la mejora continua de la topología del producto, los algoritmos de control, la optimización del hardware y los sistemas de producción, entre otros.

5. Tendencias de desarrollo de los módulos de carga de vehículos eléctricos

A medida que los módulos de carga generan una enorme demanda en el mercado, la tecnología continúa desarrollándose hacia una alta densidad de potencia, un amplio rango de voltaje y una alta eficiencia de conversión.

1) Transición de un modelo impulsado por políticas a uno impulsado por la demanda

Para apoyar e impulsar el desarrollo de vehículos de nueva energía, la construcción de estaciones de recarga fue liderada principalmente por el gobierno en su etapa inicial, y gradualmente, mediante el apoyo político, se orientó el desarrollo del sector hacia un modelo de autogestión. Desde 2021, el rápido desarrollo de los vehículos de nueva energía ha generado una gran demanda en la construcción de infraestructuras de apoyo y estaciones de recarga. El sector de las estaciones de recarga está completando su transformación, pasando de un modelo impulsado por políticas a uno impulsado por la demanda.

Ante el creciente número de vehículos de nueva energía, además de aumentar la densidad de los puntos de recarga, es necesario reducir aún más el tiempo de carga. Los puntos de recarga de CC ofrecen velocidades y tiempos de carga más rápidos, lo que resulta más adecuado para las necesidades de carga temporales y de emergencia de los usuarios de vehículos eléctricos, y puede solucionar eficazmente los problemas de ansiedad relacionados con la autonomía y la carga. Por lo tanto, en los últimos años, el mercado de la carga rápida de CC en puntos de recarga de nueva construcción, especialmente en los públicos, ha crecido rápidamente y se ha convertido en una tendencia generalizada en muchas ciudades importantes de China.

En resumen, por un lado, a medida que crece el número de vehículos de nueva energía, es necesario mejorar continuamente la infraestructura de los puntos de recarga. Por otro lado, los usuarios de vehículos eléctricos suelen optar por la carga rápida de CC. Los puntos de recarga de CC se han convertido en la tendencia dominante, y los módulos de carga también han alcanzado una alta demanda. Se trata de una etapa de desarrollo en la que la demanda es el principal motor.

(2) Alta densidad de potencia, amplio rango de voltaje, alta eficiencia de conversión

La denominada carga rápida implica una alta potencia de carga. Por lo tanto, ante la creciente demanda de carga rápida, los módulos de carga continúan desarrollándose hacia una mayor potencia. Esta alta potencia se logra de dos maneras: una es conectar varios módulos de carga en paralelo para lograr la superposición de potencia; la otra es aumentar la potencia de cada módulo. Basándonos en las necesidades técnicas de aumentar la densidad de potencia, reducir el espacio y disminuir la complejidad de la arquitectura eléctrica, incrementar la potencia de un solo módulo de carga es una tendencia de desarrollo a largo plazo. Los módulos de carga de nuestro país han pasado por tres generaciones de desarrollo, desde la primera generación de 7,5 kW hasta la segunda de 15/20 kW, y actualmente se encuentran en la transición de la segunda a la tercera generación de 30/40 kW. Los módulos de carga de alta potencia se han convertido en la norma del mercado. Al mismo tiempo, gracias al principio de diseño de miniaturización, la densidad de potencia de los módulos de carga también ha aumentado simultáneamente con el incremento del nivel de potencia.

Existen dos vías para lograr una carga rápida de CC de mayor potencia: aumentar el voltaje y aumentar la corriente. La solución de carga de alta corriente fue adoptada inicialmente por Tesla. La ventaja radica en que el costo de optimización de los componentes es menor, pero una corriente alta conlleva una mayor pérdida de calor y mayores requisitos de disipación térmica, además de que los cables más gruesos reducen la comodidad y, en menor medida, promueven la carga rápida. La solución de alto voltaje consiste en aumentar el voltaje máximo de operación del módulo de carga. Actualmente, es un modelo comúnmente utilizado por los fabricantes de automóviles. Permite aprovechar las ventajas de reducir el consumo de energía, mejorar la vida útil de la batería, reducir el peso y ahorrar espacio. La solución de alto voltaje requiere que los vehículos eléctricos estén equipados con una plataforma de alto voltaje para soportar aplicaciones de carga rápida. Actualmente, la solución de carga rápida comúnmente utilizada por las compañías automotrices es la plataforma de alto voltaje de 400 V. Con la investigación y aplicación de la plataforma de voltaje de 800 V, el nivel de voltaje del módulo de carga mejorará aún más.

La mejora de la eficiencia de conversión es un indicador técnico que los módulos de carga siempre buscan. Una mayor eficiencia de conversión se traduce en una mayor eficiencia de carga y menores pérdidas. Actualmente, la eficiencia máxima de los módulos de carga suele ser del 95 % al 96 %. En el futuro, con el desarrollo de componentes electrónicos como los dispositivos de potencia de tercera generación y el aumento del voltaje de salida de los módulos de carga hacia los 800 V o incluso los 1000 V, la eficiencia de conversión mejorará aún más.

(3) El valor de los módulos de carga de vehículos eléctricos aumenta

El módulo de carga es el componente principal de la estación de carga de CC, y representa aproximadamente el 50 % del costo total del hardware. La mejora de la eficiencia de carga en el futuro depende principalmente de la mejora del rendimiento de los módulos de carga. Por un lado, la conexión en paralelo de más módulos de carga incrementará directamente su valor; por otro lado, la mejora del nivel y la densidad de potencia de cada módulo depende del diseño optimizado de los circuitos de hardware y el software de control, así como de la tecnología de los componentes clave. Estos avances tecnológicos son fundamentales para mejorar la potencia de toda la estación de carga, lo que a su vez incrementará el valor del módulo.

6. Barreras técnicas en la industria de los módulos de carga de energía para vehículos eléctricos

La tecnología de fuentes de alimentación es una disciplina interdisciplinaria que integra la topología de circuitos, la tecnología digital, la tecnología magnética, la tecnología de componentes, la tecnología de semiconductores y la tecnología de diseño térmico. Se trata de una industria de alta tecnología. Como componente central de la pila de carga de CC, el módulo de carga determina directamente la eficiencia de carga, la estabilidad operativa, la seguridad y la fiabilidad de la pila, y su importancia y valor son excepcionales. Un producto requiere una gran inversión de recursos y profesionales, desde la investigación y el desarrollo tecnológico hasta la aplicación final. La selección de componentes electrónicos y su diseño, la actualización e iteración de algoritmos de software, la comprensión precisa de los escenarios de aplicación y las capacidades de una plataforma madura de control de calidad y pruebas influyen directamente en la calidad y la estabilidad del producto. Para los nuevos participantes en la industria, resulta difícil acumular diversas tecnologías, personal y datos de escenarios de aplicación en un corto período de tiempo, lo que genera altas barreras técnicas.