Trend rozwoju branży modułów ładowania pojazdów elektrycznych

1. Przegląd rozwoju branży modułów ładowania

Moduły ładowania stanowią podstawę stacji ładowania DC dla pojazdów o nowych energiach. Wraz ze wzrostem penetracji rynku i liczby właścicieli pojazdów o nowych energiach w Chinach, rośnie zapotrzebowanie na stacje ładowania. Ładowanie pojazdów o nowych energiach dzieli się na wolne ładowanie prądem przemiennym (AC) i szybkie ładowanie prądem stałym (DC). Szybkie ładowanie prądem stałym charakteryzuje się wysokim napięciem, dużą mocą i szybkością ładowania. Wraz z dążeniem rynku do efektywności ładowania, skala rynkowa stacji szybkiego ładowania DC i modułów ładowania stale rośnie.

2. Poziom techniczny i charakterystyka branży modułów ładowania pojazdów elektrycznych

Branża modułów ładowania pojazdów elektrycznych charakteryzuje się obecnie takimi cechami technicznymi, jak duża moc pojedynczego modułu, wysoka częstotliwość, miniaturyzacja, wysoka wydajność konwersji i szeroki zakres napięć.

Jeśli chodzi o moc pojedynczego modułu, branża modułów ładowania akumulatorów nowej energii doświadczyła rozwoju głównego produktu o mocy 7,5 kW w 2014 roku, prądu stałego 20 A i 15 kW w 2015 roku oraz mocy stałej 25 A i 15 kW w 2016 roku. Obecnie najpopularniejsze moduły ładowania to 20 kW i 30 kW. Rozwiązania jednomodułowe i konwersja na zasilanie akumulatorów nowej energii o mocy 40 kW w rozwiązaniach jednomodułowych. Moduły ładowania o dużej mocy staną się trendem w rozwoju rynku w przyszłości.

W odniesieniu do napięcia wyjściowego, State Grid wydał w 2017 roku wersję „Standardów kwalifikacji i weryfikacji umiejętności dostawców urządzeń do ładowania pojazdów elektrycznych”, stwierdzając, że zakres napięcia wyjściowego ładowarek prądu stałego wynosi 200–750 V, a napięcie stałe obejmuje co najmniej zakresy 400–500 V i 600–750 V. Dlatego wszyscy producenci modułów zazwyczaj projektują moduły dla napięcia 200–750 V i spełniają wymagania dotyczące stałego napięcia. Wraz ze wzrostem zasięgu pojazdów elektrycznych i zapotrzebowaniem użytkowników pojazdów o nowych źródłach energii na skrócenie czasu ładowania, branża zaproponowała architekturę superszybkiego ładowania 800 V, a niektóre firmy wprowadziły na rynek moduły ładowania akumulatorowego prądu stałego o szerokim zakresie napięcia wyjściowego 200–1000 V.

W kontekście wysokiej częstotliwości i miniaturyzacji modułów ładowania, moc modułów jednomaszynowych zasilaczy ogniw ładujących nowej energii wzrosła, ale ich objętość nie może być proporcjonalnie zwiększona. Dlatego zwiększenie częstotliwości przełączania i integracja komponentów magnetycznych stały się ważnymi środkami zwiększającymi gęstość mocy.

Jeśli chodzi o wydajność modułów ładowania, główni producenci z branży modułów ładujących stosy nowej energii zazwyczaj osiągają maksymalną wydajność szczytową na poziomie 95-96%. W przyszłości, wraz z rozwojem komponentów elektronicznych, takich jak urządzenia zasilające trzeciej generacji, oraz popularyzacją pojazdów elektrycznych o napięciu 800 V lub wyższym, z platformą wysokiego napięcia, oczekuje się, że branża wprowadzi produkty o wydajności szczytowej przekraczającej 98%.

Wraz ze wzrostem gęstości mocy modułów ładowania, pojawiają się również problemy z odprowadzaniem ciepła. Jeśli chodzi o odprowadzanie ciepła z modułów ładowania, obecnie dominującą metodą w branży jest wymuszone chłodzenie powietrzem, a istnieją również takie metody, jak zamknięte kanały zimnego powietrza i chłodzenie wodne. Chłodzenie powietrzne ma zalety niskich kosztów i prostej konstrukcji. Jednak wraz ze wzrostem ciśnienia odprowadzania ciepła, wady związane z ograniczoną wydajnością chłodzenia powietrznego i wysokim poziomem hałasu staną się jeszcze bardziej widoczne. Wyposażenie modułu ładowania i linii pistoletu w chłodzenie cieczą stało się ważnym rozwiązaniem.

3. Postęp technologiczny przyspiesza możliwości rozwoju penetracji nowego sektora energetycznego

W ostatnich latach nowe technologie w przemyśle energetycznym stale się rozwijają i osiągają przełomy, a wzrost wskaźnika penetracji rynku sprzyjał ciągłemu rozwojowi branży modułów ładowania. Znaczny wzrost gęstości energii w akumulatorach rozwiązał problem niewystarczającego zasięgu pojazdów napędzanych nowymi źródłami energii, a zastosowanie modułów ładowania o dużej mocy znacznie skróciło czas ładowania, przyspieszając tym samym penetrację rynku pojazdów napędzanych nowymi źródłami energii i budowę stacji ładowania. Oczekuje się, że w przyszłości integracja i pogłębianie zastosowań technologii, takich jak integracja pamięci optycznej i ładowania oraz integracja sieci V2G pojazdów, przyspieszą penetrację rynku nowych sektorów energetycznych i popularyzację konsumpcji.

4. Konkurencja w branży: Branża modułów ładowania jest w pełni konkurencyjna, a przestrzeń rynkowa produktów jest duża.

Moduł ładowania jest kluczowym elementem słupów ładowania prądem stałym (DC). Wraz ze wzrostem penetracji rynku pojazdów o nowych źródłach energii na całym świecie, konsumenci coraz bardziej obawiają się o zasięg i wygodę ładowania. Popyt rynkowy na słupy szybkiego ładowania prądem stałym gwałtownie wzrósł, a krajowy rynek eksploatacji słupów ładowania wzrósł z… Na początku główną siłą napędową zróżnicowanego rozwoju była sieć stanowa. Szybko pojawiło się wielu operatorów kapitału społecznego, dysponujących zarówno produkcją, jak i obsługą sprzętu do słupów ładowania. Krajowi producenci modułów ładowania nadal zwiększali skalę produkcji i sprzedaży w zakresie budowy słupów ładowania, a ich wszechstronna konkurencyjność stale rosła.

Obecnie, po latach iteracji produktów i rozwoju modułów ładowania, konkurencja w branży jest wystarczająca. Produkty głównego nurtu rozwijają się w kierunku wysokiego napięcia i dużej gęstości mocy, a przestrzeń rynkowa produktów jest duża. Przedsiębiorstwa z branży osiągają większy udział w rynku i poziom zysków głównie poprzez ciągłe ulepszanie topologii produktów, algorytmów sterowania, optymalizację sprzętu i systemów produkcyjnych itp.

5. Trendy rozwojowe modułów ładowania pojazdów elektrycznych

Wraz z rosnącym popytem rynkowym na moduły ładowania, technologia stale się rozwija w kierunku większej gęstości mocy, szerokiego zakresu napięć i wysokiej wydajności konwersji.

1) Zmiana napędzana polityką na napędzaną popytem

Aby wspierać i promować rozwój pojazdów napędzanych nowymi źródłami energii, budowa punktów ładowania była w początkowej fazie głównie prowadzona przez rząd, który stopniowo ukierunkowywał rozwój branży w kierunku endogenicznego modelu jazdy poprzez wsparcie polityczne. Od 2021 roku szybki rozwój pojazdów napędzanych nowymi źródłami energii postawił ogromne wymagania w zakresie budowy infrastruktury pomocniczej i punktów ładowania. Branża punktów ładowania przechodzi transformację z systemu opartego na polityce na system oparty na popycie.

W obliczu rosnącej liczby pojazdów napędzanych nowymi źródłami energii, oprócz zwiększenia gęstości rozmieszczenia punktów ładowania, konieczne jest dalsze skrócenie czasu ładowania. Punkty ładowania prądem stałym (DC) charakteryzują się większą prędkością i krótszym czasem ładowania, co lepiej odpowiada tymczasowym i awaryjnym potrzebom użytkowników pojazdów elektrycznych, a także może skutecznie rozwiązać problemy związane z brakiem zasięgu i brakiem ładowania. Dlatego w ostatnich latach skala rynku szybkiego ładowania prądem stałym w nowo budowanych punktach ładowania, zwłaszcza w publicznych punktach ładowania, gwałtownie wzrosła i stała się powszechnym trendem w wielu głównych miastach Chin.

Podsumowując, z jednej strony, wraz ze wzrostem liczby nowych pojazdów elektrycznych, konstrukcja słupów ładowania musi być stale ulepszana. Z drugiej strony, użytkownicy pojazdów elektrycznych zazwyczaj dążą do szybkiego ładowania prądem stałym (DC). Słupy ładowania prądem stałym (DC) stały się powszechnym trendem, a moduły ładowania również zyskały na popularności. To etap rozwoju, w którym główną siłą napędową jest ciąg.

(2) Wysoka gęstość mocy, szeroki zakres napięć, wysoka wydajność konwersji

Tak zwane szybkie ładowanie oznacza wysoką moc ładowania. Dlatego też, w obliczu rosnącego zapotrzebowania na szybkie ładowanie, moduły ładowania nadal rozwijają się w kierunku wysokiej mocy. Wysoką moc stosu ładowania osiąga się na dwa sposoby. Pierwszym jest równoległe połączenie wielu modułów ładowania w celu uzyskania superpozycji mocy; drugim jest zwiększenie mocy pojedynczego modułu ładowania. W oparciu o techniczne potrzeby zwiększenia gęstości mocy, zmniejszenia przestrzeni i uproszczenia architektury elektrycznej, zwiększanie mocy pojedynczego modułu ładowania jest długoterminowym trendem rozwojowym. Moduły ładowania w moim kraju przeszły przez trzy generacje rozwoju, od pierwszej generacji 7,5 kW do drugiej generacji 15/20 kW, a obecnie są w okresie konwersji z drugiej generacji do trzeciej generacji 30/40 kW. Moduły ładowania wysokiej mocy stały się głównym nurtem rynku. Jednocześnie, w oparciu o zasadę miniaturyzacji projektowania, gęstość mocy modułów ładowania również wzrosła wraz ze wzrostem poziomu mocy.

Istnieją dwie ścieżki do osiągnięcia wyższego poziomu mocy szybkiego ładowania prądem stałym: zwiększenie napięcia i zwiększenie prądu. Rozwiązanie ładowania wysokim prądem zostało po raz pierwszy przyjęte przez Teslę. Zaletą jest niższy koszt optymalizacji komponentów, ale wysoki prąd spowoduje większą utratę ciepła i wysokie wymagania dotyczące rozpraszania ciepła, a grubsze przewody zmniejszają wygodę i w mniejszym stopniu promują. Rozwiązanie wysokiego napięcia ma na celu zwiększenie maksymalnego napięcia roboczego modułu ładowania. Obecnie jest to powszechnie stosowany model przez producentów samochodów. Może uwzględniać zalety zmniejszenia zużycia energii, wydłużenia żywotności baterii, zmniejszenia masy i oszczędności miejsca. Rozwiązanie wysokiego napięcia wymaga, aby pojazdy elektryczne były wyposażone w platformę wysokiego napięcia w celu obsługi aplikacji szybkiego ładowania. Obecnie rozwiązaniem szybkiego ładowania powszechnie stosowanym przez producentów samochodów jest platforma wysokiego napięcia 400 V. Dzięki badaniom i zastosowaniu platformy napięcia 800 V poziom napięcia modułu ładowania zostanie dodatkowo poprawiony.

Poprawa sprawności konwersji to techniczny wskaźnik, do którego dążą zawsze moduły ładowania. Poprawa sprawności konwersji oznacza wyższą wydajność ładowania i niższe straty. Obecnie maksymalna sprawność szczytowa modułów ładowania wynosi zazwyczaj 95%–96%. W przyszłości, wraz z rozwojem komponentów elektronicznych, takich jak urządzenia zasilające trzeciej generacji, oraz wzrostem napięcia wyjściowego modułów ładowania do 800 V, a nawet 1000 V, sprawność konwersji ulegnie dalszej poprawie.

(3) Wartość modułów ładowania pojazdów elektrycznych wzrasta

Moduł ładowania jest kluczowym elementem stosu ładowania prądem stałym, stanowiąc około 50% kosztów sprzętowych stosu ładowania. Poprawa wydajności ładowania w przyszłości zależy głównie od poprawy wydajności modułów ładowania. Z jednej strony, większa liczba modułów ładowania połączonych równolegle bezpośrednio zwiększy wartość modułu ładowania; z drugiej strony, poprawa poziomu mocy i gęstości mocy pojedynczego modułu ładowania zależy od zoptymalizowanej konstrukcji obwodów sprzętowych i oprogramowania sterującego, a także technologii kluczowych komponentów. Przełomy to kluczowe technologie zwiększające moc całego stosu ładowania, co dodatkowo zwiększy wartość modułu ładowania.

6. Bariery techniczne w branży modułów ładowania pojazdów elektrycznych

Technologia zasilania to dziedzina interdyscyplinarna, która integruje technologię topologii obwodów, technologię cyfrową, technologię magnetyczną, technologię komponentów, technologię półprzewodników oraz technologię projektowania termicznego. Jest to branża intensywnie wykorzystująca technologie. Moduł ładowania, stanowiący serce stosu ładowania prądem stałym, bezpośrednio decyduje o wydajności ładowania, stabilności operacyjnej, bezpieczeństwie i niezawodności stosu ładowania, a jego znaczenie i wartość są wyjątkowe. Produkt wymaga dużych nakładów finansowych i zaangażowania specjalistów, od badań i rozwoju technologii po zastosowania końcowe. Wybór komponentów elektronicznych i ich rozmieszczenie, aktualizacja i iteracja algorytmów oprogramowania, dokładne zrozumienie scenariuszy zastosowań oraz zaawansowane możliwości platformy kontroli jakości i testowania – wszystko to ma bezpośredni wpływ na jakość i stabilność produktu. Nowi gracze w branży mają trudności z gromadzeniem danych dotyczących różnych technologii, personelu i scenariuszy zastosowań w krótkim czasie, a także napotykają na wysokie bariery techniczne.