Uute energiaallikate laadimismoodulite tööstuse arenguvõimaluste trend

1. Laadimismoodulite tööstuse arengu ülevaade

Laadimismoodulid on uute energiaallikatega sõidukite alalisvoolulaadimispostide tuumaks. Kuna uute energiaallikatega sõidukite levik ja omandiõigus Hiinas jätkuvalt kasvab, suureneb ka laadimispostide nõudlus. Uute energiaallikatega sõidukite laadimine jaguneb vahelduvvoolu aeglaseks laadimiseks ja alalisvoolu kiirlaadimiseks. Alalisvoolu kiirlaadimisel on kõrgepinge, suur võimsus ja kiire laadimine. Kuna turg püüdleb laadimise efektiivsuse poole, laieneb alalisvoolu kiirlaadimispostide ja laadimismoodulite turu ulatus jätkuvalt.

2. Elektriautode laadimismoodulite tööstuse tehniline tase ja omadused

Uue energiaautode laadimisvaia ev-laadija moodulitööstusel on praegu sellised tehnilised omadused nagu ühe mooduli suur võimsus, kõrge sagedus, miniaturiseerimine, kõrge muundamise efektiivsus ja lai pingevahemik.

Üksikmooduli võimsuse osas on uute energialaadimisvaiade laadimismoodulite tööstus kogenud peavoolu tootearendust 7,5 kW-ga 2014. aastal, püsivooluga 20A ja 15 kW-ga 2015. aastal ning püsivõimsusega 25A ja 15 kW-ga 2016. aastal. Praegused peavoolu laadimismoodulid on 20 kW ja 30 kW. Ühemoodulilahendused ja üleminek 40 kW uutele energialaadimisvaiade toiteallika ühemoodulilahendustele. Suure võimsusega laadimismoodulitest on saanud tulevane turu arengutrend.

Väljundpinge osas avaldas Riiklik Elektrivõrk 2017. aasta versiooni „Elektrisõidukite laadimisseadmete tarnijate kvalifikatsiooni- ja võimekuse kontrollimise standarditest“, milles on märgitud, et alalisvoolulaadijate väljundpinge vahemik on 200–750 V ning püsiv toitepinge katab vähemalt vahemikud 400–500 V ja 600–750 V. Seetõttu projekteerivad kõik moodulitootjad üldiselt mooduleid pingele 200–750 V ja vastavad püsivõimsuse nõuetele. Elektrisõidukite läbisõiduulatuse suurenemise ja uute energiasõidukite kasutajate nõudluse tõttu laadimisaja lühendamise järele on tööstusharu pakkunud välja 800 V ülikiire laadimise arhitektuuri ning mõned ettevõtted on realiseerinud alalisvoolu laadimismoodulite pakkumise laia väljundpinge vahemikuga 200–1000 V.

Laadimismoodulite kõrgsagedusliku ja miniaturiseerimise osas on uute energialaadimisvaia toiteallikate ühe masina moodulite võimsus küll suurenenud, kuid selle mahtu ei saa proportsionaalselt suurendada. Seetõttu on lülitussageduse suurendamine ja magnetiliste komponentide integreerimine muutunud oluliseks vahendiks võimsustiheduse suurendamiseks.

Laadimismoodulite efektiivsuse osas on uute energiapakkide laadimismoodulite tööstuses tegutsevate suurettevõtete maksimaalne tipptõhusus üldiselt 95–96%. Tulevikus, elektrooniliste komponentide, näiteks kolmanda põlvkonna toiteseadmete arendamise ja 800 V või isegi kõrgema pingega elektriautode populaarseks muutumisega, eeldatakse, et tööstusharu toob turule tooteid, mille tipptõhusus on üle 98%.

Laadimismoodulite võimsustiheduse suurenedes tekivad ka suuremad soojuse hajumise probleemid. Laadimismoodulite soojuse hajumise osas on tööstuses praegu peamiseks soojuse hajutamise meetodiks sundõhuga jahutus, lisaks on olemas ka sellised meetodid nagu suletud külmaõhukanalid ja vesijahutus. Õhkjahutuse eelised on madal hind ja lihtne konstruktsioon. Kuid soojuse hajumise rõhu edasisel suurenemisel ilmnevad veelgi õhkjahutuse piiratud soojuse hajumise võime ja kõrge müra puudused. Laadimismooduli ja püstoliliini varustamine vedelikjahutusega on muutunud peamiseks tehniliseks lahenduseks.

3. Tehnoloogiline areng kiirendab uute energiatööstuse valdkondade arenguvõimalusi

Viimastel aastatel on uued energiatööstuse tehnoloogiad jätkuvalt edusamme ja läbimurdeid teinud ning levikumäära suurenemine on soodustanud laadimismoodulite tööstuse pidevat arengut. Aku energiatiheduse märkimisväärne suurenemine on lahendanud uute energiasõidukite ebapiisava sõiduulatuse probleemi ning suure võimsusega laadimismoodulite kasutamine on laadimisaega oluliselt lühendanud, kiirendades seeläbi uute energiasõidukite levikut ja toetavate laadimisvaiade ehitamist. Tulevikus eeldatakse, et selliste tehnoloogiate nagu optilise salvestuse ja laadimise integreerimine ning V2G sõidukivõrgu integreerimine integreerib ja süveneb veelgi uute energiatööstuste levikut ja tarbimise populariseerimist.

4. Konkurentsivõimalused tööstuses: laadimismoodulite tööstus on täielikult konkurentsitihe ja tooteturu ruum on suur.

Laadimismoodul on alalisvoolu laadimisvaiade põhikomponent. Uute energiasõidukite leviku suurenemisega kogu maailmas on tarbijad üha enam mures laadimisulatuse ja laadimismugavuse pärast. Turu nõudlus alalisvoolu kiirlaadimislaadimisvaiade järele on plahvatuslikult kasvanud ning kodumaine laadimisvaiade käitamise turg on kasvanud. Algusaastatel oli riiklik elektrivõrk mitmekesise arengu peamine jõud. Kiiresti tekkis mitmeid sotsiaalse kapitaliga operaatoreid, kellel olid nii laadimisvaiade seadmete tootmise kui ka käitamise võimalused. Kodumaised laadimismoodulite tootjad jätkasid oma tootmis- ja müügimahu laiendamist tugilaadimisvaiade ehitamiseks ning nende igakülgne konkurentsivõime tugevnes jätkuvalt.

Pärast aastaid kestnud tootearendust ja laadimismoodulite arendamist on tööstuses konkurents piisav. Peavoolutooted arenevad kõrgepinge ja suure võimsustiheduse suunas ning tooteturu ruum on suur. Tööstusharu ettevõtted saavutavad suurema turuosa ja kasumi peamiselt tootetopoloogia, juhtimisalgoritmide pideva täiustamise, riistvara ja tootmissüsteemide optimeerimise jms abil.

5. Elektriautode laadimismoodulite arengusuunad

Kuna laadimismoodulite järele on tohutu turunõudlus, areneb tehnoloogia jätkuvalt suure võimsustiheduse, laia pingevahemiku ja kõrge muundamise efektiivsuse suunas.

1) Poliitikapõhine üleminek nõudluspõhisele

Uute energiasõidukite arendamise toetamiseks ja edendamiseks juhtis laadimisvaiade ehitamist algstaadiumis peamiselt valitsus ning poliitilise toetuse kaudu suunati tööstuse arengut järk-järgult endogeense sõidumudeli suunas. Alates 2021. aastast on uute energiasõidukite kiire areng esitanud tohutuid nõudmisi tugirajatiste ja laadimisvaiade ehitamisele. Laadimisvaiade tööstus on lõpetamas üleminekut poliitikapõhiselt nõudluspõhisele.

Uute energiaautode arvu suurenemisega silmitsi seistes tuleb lisaks laadimispunktide paigutuse tiheduse suurendamisele ka laadimisaega veelgi lühendada. Alalisvoolu laadimispunktidel on kiirem laadimiskiirus ja lühem laadimisaeg, mis sobivad paremini elektriautode kasutajate ajutiseks ja hädaolukorras laadimiseks ning suudavad tõhusalt lahendada elektriautode sõiduulatuse ja laadimise ärevuse probleeme. Seetõttu on viimastel aastatel äsja ehitatud laadimispunktide, eriti avalike laadimispunktide, alalisvoolu kiirlaadimise turuosa kiiresti kasvanud ja sellest on saanud paljudes Hiina suurlinnades peavoolu trend.

Kokkuvõttes tuleb ühelt poolt uute energiaautode arvu jätkuva kasvu tõttu pidevalt täiustada laadimispostide tugikonstruktsioone. Teisest küljest eelistavad elektriautode kasutajad üldiselt alalisvoolu kiirlaadimist. Alalisvoolu laadimispostidest on saanud peavoolu trend ja nõudlus on tekkinud ka laadimismoodulite järele. See on arenguetapp, kus peamine liikumapanev jõud on tõmbejõud.

(2) Suur võimsustihedus, lai pingevahemik, kõrge muundamise efektiivsus

Nn kiirlaadimine tähendab suurt laadimisvõimsust. Seetõttu arenevad laadimismoodulid kiirlaadimise kasvava nõudluse tõttu jätkuvalt suure võimsuse suunas. Laadimisvaia suur võimsus saavutatakse kahel viisil. Esiteks ühendatakse mitu laadimismoodulit paralleelselt, et saavutada võimsuse superpositsioon; teiseks suurendatakse laadimismooduli üksikvõimsust. Lähtudes võimsustiheduse suurendamise, ruumi vähendamise ja elektriarhitektuuri keerukuse vähendamise tehnilistest vajadustest, on ühe laadimismooduli võimsuse suurendamine pikaajaline arengusuund. Meie riigi laadimismoodulid on läbinud kolm arenduspõlvkonda, alates esimese põlvkonna 7,5 kW-st kuni teise põlvkonna 15/20 kW-ni ja on nüüd üleminekuperioodil teisest põlvkonnast kolmanda põlvkonna 30/40 kW-ni. Suure võimsusega laadimismoodulitest on saanud turu peavool. Samal ajal on miniaturiseerimise disainipõhimõtte kohaselt suurenenud ka laadimismoodulite võimsustihedus samaaegselt võimsustaseme suurenemisega.

Suurema võimsustasemega alalisvoolu kiirlaadimise saavutamiseks on kaks võimalust: pinge suurendamine ja voolu suurendamine. Suure voolutugevusega laadimislahenduse võttis esmakordselt kasutusele Tesla. Selle eeliseks on komponentide optimeerimise madalamad kulud, kuid suur voolutugevus toob kaasa suurema soojuskadu ja suuremad nõuded soojuse hajumisele ning paksemad juhtmed vähendavad mugavust ja soodustavad vähemal määral. Kõrgepingelahendus seisneb laadimismooduli maksimaalse tööpinge suurendamises. See on praegu autotootjate seas levinud mudel. See võib arvesse võtta energiatarbimise vähendamise, aku tööea parandamise, kaalu vähendamise ja ruumi kokkuhoiu eeliseid. Kõrgepingelahendus nõuab elektriautode varustamist kõrgepingeplatvormiga, et toetada kiirlaadimise rakendusi. Praegu on autotootjate seas levinud kiirlaadimislahendus 400 V kõrgepingeplatvorm. 800 V pingeplatvormi uurimise ja rakendamisega parandatakse laadimismooduli pingetaset veelgi.

Muundamise efektiivsuse parandamine on tehniline näitaja, mida laadimismoodulid alati taotlevad. Muundamise efektiivsuse parandamine tähendab suuremat laadimise efektiivsust ja väiksemaid kadusid. Praegu on laadimismoodulite maksimaalne tipptõhusus üldiselt 95% ~ 96%. Tulevikus, elektrooniliste komponentide, näiteks kolmanda põlvkonna toiteseadmete arendamisega ja laadimismoodulite väljundpinge liikumisega 800 V või isegi 1000 V suunas, paraneb muundamise efektiivsus veelgi.

(3) Elektriautode laadimismoodulite väärtus suureneb

Laadimismoodul on alalisvoolu laadimisploki põhikomponent, moodustades umbes 50% laadimisploki riistvara maksumusest. Laadimise efektiivsuse paranemine tulevikus sõltub peamiselt laadimismoodulite jõudluse paranemisest. Ühelt poolt suurendab rohkem paralleelselt ühendatud laadimismooduleid otseselt laadimismooduli väärtust; teiselt poolt sõltub üksiku laadimismooduli võimsustaseme ja võimsustiheduse paranemine riistvaraahelate ja juhtimistarkvara optimeeritud disainist ning võtmekomponentide tehnoloogiast. Läbimurdelised tehnoloogiad on võtmetähtsusega kogu laadimisploki võimsuse parandamiseks, mis suurendab veelgi laadimismooduli väärtust.

6. Elektriautode laadimismoodulite tööstuses esinevad tehnilised takistused

Toiteallikatehnoloogia on interdistsiplinaarne valdkond, mis ühendab vooluringi topoloogia tehnoloogia, digitaaltehnoloogia, magnettehnoloogia, komponentide tehnoloogia, pooljuhtide tehnoloogia ja termilise disaini tehnoloogia. See on tehnoloogiamahukas tööstusharu. Alalisvoolu laadimismahuti südamena määrab laadimismoodul otseselt laadimise efektiivsuse, tööstabiilsuse, ohutuse ja töökindluse ning selle tähtsus ja väärtus on silmapaistvad. Toode nõuab suuri investeeringuid ressurssidest ja spetsialistidelt alates tehnoloogiaalasest uurimis- ja arendustegevusest kuni terminalirakendusteni. Elektrooniliste komponentide ja paigutuse valimine, tarkvara algoritmi uuendamine ja iteratsioon, rakendusstsenaariumide täpne mõistmine ning küpse kvaliteedikontrolli ja testimisplatvormi võimalused mõjutavad kõik toote kvaliteeti ja stabiilsust otseselt. Uutel tööstusharu tulijatel on keeruline lühikese aja jooksul koguda andmeid erinevate tehnoloogiate, personali ja rakendusstsenaariumide kohta ning neil on suured tehnilised takistused.