Trend rozvoje nových modulů pro nabíjení energetických vozidel

1. Přehled vývoje odvětví nabíjecích modulů

Nabíjecí moduly jsou základem stejnosměrných nabíjecích článků pro vozidla s novými energetickými zdroji. S rostoucí mírou penetrace a vlastnictvím vozidel s novými energetickými zdroji v Číně roste i poptávka po nabíjecích článkech. Nabíjení vozidel s novými energetickými zdroji se dělí na pomalé střídavé nabíjení a rychlé stejnosměrné nabíjení. Rychlé stejnosměrné nabíjení má charakteristiky vysokého napětí, vysokého výkonu a rychlého nabíjení. Vzhledem k tomu, že trh usiluje o efektivitu nabíjení, tržní rozsah stejnosměrných rychlonabíjecích článků a nabíjecích modulů se neustále rozšiřuje.

2. Technická úroveň a charakteristiky odvětví nabíjecích modulů pro elektromobily

Nové odvětví nabíjecích modulů pro elektromobily v současné době disponuje technickými vlastnostmi, jako je vysoký výkon jednoho modulu, vysoká frekvence, miniaturizace, vysoká účinnost přeměny a široký rozsah napětí.

Pokud jde o výkon jednotlivých modulů, odvětví nových nabíjecích modulů pro nabíjecí stanice zaznamenalo v roce 2014 vývoj hlavních produktů s výkonem 7,5 kW, v roce 2015 s konstantním proudem 20 A a 15 kW a v roce 2016 s konstantním výkonem 25 A a 15 kW. Současné hlavní aplikace nabíjecích modulů mají výkon 20 kW a 30 kW. Řešení s jedním modulem a přechod na nová řešení s jedním modulem pro nabíjecí stanice s výkonem 40 kW. Vysoce výkonné nabíjecí moduly se staly trendem rozvoje trhu v budoucnu.

Pokud jde o výstupní napětí, vydala společnost State Grid verzi 2017 „Normy pro ověřování kvalifikace a způsobilosti dodavatelů nabíjecích zařízení pro elektromobily“, v níž se uvádí, že rozsah výstupního napětí stejnosměrných nabíječek je 200–750 V a konstantní napájecí napětí pokrývá alespoň rozsahy 400–500 V a 600–750 V. Všichni výrobci modulů proto obecně navrhují moduly pro 200–750 V a splňují požadavky na konstantní výkon. S rostoucím dojezdem elektromobilů a poptávkou uživatelů vozidel s novými energetickými zdroji po zkrácení doby nabíjení navrhlo odvětví architekturu super rychlého nabíjení 800 V a některé společnosti realizovaly dodávky modulů pro stejnosměrné nabíjecí stanice s širokým rozsahem výstupního napětí 200–1000 V.

Pokud jde o vysokofrekvenční a miniaturizační nabíjecí moduly, výkon jednotlivých modulů nových napájecích zdrojů pro nabíjecí stohy se sice zvýšil, ale jejich objem nelze proporcionálně rozšiřovat. Proto se zvýšení spínací frekvence a integrace magnetických komponent staly důležitými prostředky ke zvýšení hustoty výkonu.

Pokud jde o účinnost nabíjecích modulů, hlavní společnosti v odvětví nových nabíjecích modulů pro nabíjení energie obecně dosahují maximální špičkové účinnosti 95–96 %. V budoucnu se s rozvojem elektronických součástek, jako jsou napájecí zařízení třetí generace, a popularizací elektromobilů s napětím 800 V nebo i vyšším a vysokonapěťovou platformou očekává, že toto odvětví uvede na trh produkty s špičkovou účinností více než 98 %.

S rostoucí hustotou výkonu nabíjecích modulů se také projevují větší problémy s odvodem tepla. Pokud jde o odvod tepla nabíjecích modulů, v současné době je v průmyslu běžnou metodou odvodu tepla nucené chlazení vzduchem, existují však i metody, jako jsou uzavřené kanály studeného vzduchu a vodní chlazení. Chlazení vzduchem má výhody nízké ceny a jednoduché konstrukce. S dalším zvyšováním tlaku odvodu tepla se však projeví nevýhody chlazení vzduchem, jako je omezená kapacita odvodu tepla a vysoká hlučnost. Vybavení nabíjecího modulu a potrubí pistolí kapalinovým chlazením se stalo hlavním technickým řešením.

3. Technologický pokrok urychluje rozvoj příležitostí k pronikání nových energetických odvětví

V posledních letech nové technologie v energetickém průmyslu nadále dosahují pokroku a průlomů a rostoucí míra penetrace podpořila neustálý rozvoj odvětví nabíjecích modulů. Výrazné zvýšení hustoty energie v bateriích vyřešilo problém nedostatečného dojezdu vozidel s novými zdroji energie a použití vysoce výkonných nabíjecích modulů výrazně zkrátilo dobu nabíjení, čímž urychlilo pronikání vozidel s novými zdroji energie a výstavbu podpůrných nabíjecích stanic. V budoucnu se očekává, že integrace a prohloubení aplikace technologií, jako je optické úložiště a integrace nabíjení a integrace vozidel do sítě V2G, dále urychlí pronikání nových energetických odvětví a popularizaci spotřeby.

4. Konkurenční prostředí v odvětví: Odvětví nabíjecích modulů je plně konkurenceschopné a tržní prostor pro dané produkty je velký.

Nabíjecí modul je klíčovou součástí stejnosměrných nabíjecích pilotů. S rostoucí mírou penetrace vozidel na nové zdroje energie po celém světě se spotřebitelé stále více obávají o dojezd a pohodlí nabíjení. Poptávka po rychlonabíjecích pilotech stejnosměrného proudu na trhu prudce vzrostla a domácí trh s provozem nabíjecích pilotů vzrostl z 1950. V počátcích byla hlavní hybnou silou diverzifikovaného rozvoje společnost State Grid. Rychle se objevila řada provozovatelů sociálního kapitálu s výrobními i provozními kapacitami pro nabíjecí piloty. Domácí výrobci nabíjecích modulů nadále rozšiřovali svou výrobu a prodejní rozsah pro konstrukci podpůrných nabíjecích pilotů a jejich komplexní konkurenceschopnost se nadále posilovala.

V současné době, po letech vývoje produktů a nabíjecích modulů, je konkurence v tomto odvětví dostatečná. Hlavní produkty se vyvíjejí směrem k vysokému napětí a vysoké hustotě výkonu a trh s těmito produkty je velký. Podniky v tomto odvětví dosahují vyššího podílu na trhu a zisku především neustálým zlepšováním topologie produktů, řídicích algoritmů, optimalizací hardwaru a výrobních systémů atd.

5. Trendy vývoje modulů pro nabíjení elektromobilů

Vzhledem k obrovské poptávce po nabíjecích modulech na trhu se technologie neustále vyvíjí směrem k vysoké hustotě výkonu, širokému rozsahu napětí a vysoké účinnosti přeměny.

1) Posun od politiky k poptávce

Za účelem podpory a propagace vývoje vozidel s novými zdroji energie byla výstavba nabíjecích pilotů v rané fázi vedena především vládou a postupně prostřednictvím politické podpory směřovala rozvoj odvětví k endogennímu modelu řízení. Od roku 2021 klade rychlý rozvoj vozidel s novými zdroji energie obrovské nároky na výstavbu podpůrných zařízení a nabíjecích pilotů. Odvětví nabíjecích pilotů dokončuje transformaci z politiky řízeného na poptávku.

Vzhledem k rostoucímu počtu vozidel na nová paliva je kromě zvyšování hustoty rozložení nabíjecích stanic nutné dále zkracovat dobu nabíjení. Nabíjecí stanice stejnosměrného proudu mají vyšší rychlost nabíjení a kratší dobu nabíjení, což je vhodnější pro dočasné a nouzové potřeby uživatelů elektromobilů a může účinně řešit problémy s nedostatkem dojezdu elektromobilů a úzkostí z nabíjení. Proto v posledních letech tržní rozsah rychlého nabíjení stejnosměrným proudem v nově budovaných nabíjecích stanicích, zejména veřejných nabíjecích stanicích, prudce vzrostl a stal se mainstreamovým trendem v mnoha centrálních čínských městech.

Stručně řečeno, na jedné straně, s rostoucím počtem vozidel na nová paliva je třeba neustále vylepšovat nosnou konstrukci nabíjecích sloupů. Na druhou stranu, uživatelé elektromobilů obecně volí rychlé stejnosměrné nabíjení. Stejnosměrné nabíjecí sloupy se staly hlavním trendem a nabíjecí moduly se také staly žádanými. Jedná se o fázi vývoje, ve které je hlavní hnací silou tah.

(2) Vysoká hustota výkonu, široký rozsah napětí, vysoká účinnost přeměny

Takzvané rychlé nabíjení znamená vysoký nabíjecí výkon. Vzhledem k rostoucí poptávce po rychlém nabíjení se proto nabíjecí moduly nadále vyvíjejí směrem k vysokému výkonu. Vysokého výkonu nabíjecího modulu se dosahuje dvěma způsoby. Jedním z nich je paralelní zapojení více nabíjecích modulů pro dosažení superpozice výkonu; druhým je zvýšení výkonu jednoho nabíjecího modulu. Vzhledem k technickým potřebám zvyšování hustoty výkonu, zmenšování prostoru a složitosti elektrické architektury je zvyšování výkonu jednoho nabíjecího modulu dlouhodobým trendem vývoje. Nabíjecí moduly v naší zemi prošly třemi generacemi vývoje, od první generace 7,5 kW po druhou generaci 15/20 kW, a nyní jsou v období přechodu z druhé generace na třetí generaci 30/40 kW. Vysoce výkonné nabíjecí moduly se staly hlavním proudem trhu. Zároveň se na základě konstrukčního principu miniaturizace zvyšuje hustota výkonu nabíjecích modulů současně se zvyšující se úrovní výkonu.

Existují dvě cesty k dosažení vyšší úrovně výkonu stejnosměrného rychlého nabíjení: zvýšení napětí a zvýšení proudu. Řešení vysokoproudého nabíjení poprvé použila společnost Tesla. Výhodou je, že náklady na optimalizaci komponent jsou nižší, ale vysoký proud s sebou nese vyšší tepelné ztráty a vysoké požadavky na odvod tepla a silnější dráty snižují pohodlí a v menší míře podporují nabíjení. Vysokonapěťové řešení spočívá ve zvýšení maximálního provozního napětí nabíjecího modulu. V současné době je to model běžně používaný výrobci automobilů. Může zohlednit výhody snížení spotřeby energie, prodloužení životnosti baterie, snížení hmotnosti a úspory místa. Vysokonapěťové řešení vyžaduje, aby byla elektrická vozidla vybavena vysokonapěťovou platformou pro podporu aplikací rychlého nabíjení. V současné době je řešením rychlého nabíjení běžně používaným automobilkami vysokonapěťová platforma 400 V. S výzkumem a aplikací napěťové platformy 800 V se úroveň napětí nabíjecího modulu dále zlepší.

Zlepšení účinnosti převodu je technický ukazatel, který nabíjecí moduly neustále sledují. Zlepšení účinnosti převodu znamená vyšší účinnost nabíjení a nižší ztráty. V současné době je maximální špičková účinnost nabíjecích modulů obecně 95 % až 96 %. V budoucnu se s vývojem elektronických součástek, jako jsou napájecí zařízení třetí generace, a s výstupním napětím nabíjecích modulů směrem k 800 V nebo dokonce 1000 V účinnost převodu dále zlepší.

(3) Hodnota nabíjecích modulů pro elektromobily se zvyšuje

Nabíjecí modul je klíčovou součástí stejnosměrného nabíjecího systému a představuje přibližně 50 % nákladů na hardware nabíjecího systému. Zlepšení účinnosti nabíjení v budoucnu závisí především na zlepšení výkonu nabíjecích modulů. Na jedné straně více paralelně zapojených nabíjecích modulů přímo zvýší hodnotu nabíjecího modulu; na druhé straně zlepšení úrovně výkonu a hustoty výkonu jednoho nabíjecího modulu závisí na optimalizovaném návrhu hardwarových obvodů a řídicího softwaru, jakož i na technologii klíčových komponent. Průlomové technologie jsou klíčové pro zlepšení výkonu celého nabíjecího systému, což dále zvýší hodnotu nabíjecího modulu.

6. Technické bariéry v odvětví nabíjecích modulů pro elektromobily

Technologie napájecích zdrojů je interdisciplinární obor, který integruje technologii topologie obvodů, digitální technologii, magnetickou technologii, technologii součástek, polovodičovou technologii a technologii tepelného návrhu. Jedná se o technologicky náročné odvětví. Jako srdce stejnosměrného nabíjecího sloupu přímo určuje nabíjecí modul účinnost nabíjení, provozní stabilitu, bezpečnost a spolehlivost nabíjecího sloupu a jeho význam a hodnota jsou vynikající. Produkt vyžaduje velké investice zdrojů a odborníků od technologického výzkumu a vývoje až po terminálové aplikace. Jak vybrat elektronické součástky a rozvržení, aktualizace a iterace softwarových algoritmů, přesné pochopení aplikačních scénářů a zralé možnosti platformy pro kontrolu kvality a testování - to vše ovlivní kvalitu a stabilitu produktu. Pro nové účastníky v oboru je obtížné shromáždit různé technologie, personál a data o aplikačních scénářích v krátkém časovém období a čelí vysokým technickým bariérám.