Trend rozvoja nových príležitostí v odvetví nabíjacích modulov pre energetické vozidlá

1. Prehľad vývoja odvetvia nabíjacích modulov

Nabíjacie moduly sú jadrom jednosmerných nabíjacích stĺpov pre vozidlá s novými energetickými zdrojmi. S rastúcou mierou penetrácie a vlastníctvom vozidiel s novými energetickými zdrojmi v Číne sa zvyšuje aj dopyt po nabíjacích stĺpoch. Nabíjanie vozidiel s novými energetickými zdrojmi sa delí na pomalé nabíjanie striedavým prúdom a rýchle nabíjanie jednosmerným prúdom. Rýchle nabíjanie jednosmerným prúdom má charakteristiky vysokého napätia, vysokého výkonu a rýchleho nabíjania. Keďže trh sleduje efektívnosť nabíjania, trhová škála rýchlonabíjacích stĺpov a nabíjacích modulov jednosmerným prúdom sa neustále rozširuje.

2. Technická úroveň a charakteristiky odvetvia nabíjacích modulov pre elektromobily

Nový priemysel nabíjacích modulov pre elektromobily má v súčasnosti technické vlastnosti, ako je vysoký výkon jedného modulu, vysoká frekvencia, miniaturizácia, vysoká účinnosť konverzie a široký rozsah napätia.

Pokiaľ ide o výkon jednotlivých modulov, odvetvie nových nabíjacích modulov s energetickými nabíjacími stĺpmi zaznamenalo v roku 2014 vývoj hlavných produktov s výkonom 7,5 kW, v roku 2015 konštantný prúd 20 A a 15 kW a v roku 2016 konštantný výkon 25 A a 15 kW. Súčasné hlavné aplikácie nabíjacích modulov sú 20 kW a 30 kW. Riešenia s jedným modulom a prechod na nové riešenia napájania s jedným modulom pre nabíjacie stĺpy s výkonom 40 kW. Vysokovýkonné nabíjacie moduly sa stali trendom rozvoja trhu v budúcnosti.

Pokiaľ ide o výstupné napätie, štátna sieť vydala verziu 2017 s názvom „Normy overovania kvalifikácie a spôsobilosti pre dodávateľov nabíjacích zariadení pre elektrické vozidlá“, v ktorej sa uvádza, že rozsah výstupného napätia jednosmerných nabíjačiek je 200 – 750 V a konštantné napájacie napätie pokrýva minimálne rozsahy 400 – 500 V a 600 – 750 V. Preto všetci výrobcovia modulov vo všeobecnosti navrhujú moduly pre 200 – 750 V a spĺňajú požiadavky na konštantný výkon. S rastúcim dojazdom elektrických vozidiel a dopytom používateľov vozidiel s novými energetickými zdrojmi po skrátení času nabíjania navrhol priemysel architektúru superrýchleho nabíjania s napätím 800 V a niektoré spoločnosti už začali poskytovať moduly jednosmerného nabíjania so širokým rozsahom výstupného napätia 200 – 1 000 V.

Pokiaľ ide o vysokofrekvenčné a miniaturizačné nabíjacie moduly, výkon jednotlivých modulov nových nabíjacích stožiarových napájacích zdrojov sa zvýšil, ale ich objem sa nedá úmerne zväčšiť. Preto sa zvýšenie spínacej frekvencie a integrácia magnetických komponentov stali dôležitými prostriedkami na zvýšenie hustoty výkonu.

Pokiaľ ide o účinnosť nabíjacích modulov, hlavné spoločnosti v odvetví nových nabíjacích modulov pre nabíjanie energie dosahujú vo všeobecnosti maximálnu špičkovú účinnosť 95 % – 96 %. V budúcnosti sa s vývojom elektronických komponentov, ako sú napájacie zariadenia tretej generácie, a popularizáciou elektrických vozidiel s napätím 800 V alebo vyšším a s vysokonapäťovou platformou očakáva, že toto odvetvie prinesie produkty s špičkovou účinnosťou viac ako 98 %.

So zvyšujúcou sa hustotou výkonu nabíjacích modulov sa tiež prejavujú väčšie problémy s odvádzaním tepla. Pokiaľ ide o odvádzanie tepla nabíjacích modulov, v súčasnosti je v priemysle bežnou metódou odvádzania tepla nútené chladenie vzduchom, existujú aj metódy ako uzavreté kanály studeného vzduchu a vodné chladenie. Chladenie vzduchom má výhody nízkej ceny a jednoduchej konštrukcie. S ďalším zvyšovaním tlaku odvádzania tepla sa však ešte viac prejavia nevýhody chladenia vzduchom, ako je obmedzená kapacita odvádzania tepla a vysoká hlučnosť. Vybavenie nabíjacieho modulu a potrubia pištole kvapalinovým chladením sa stalo hlavným technickým riešením.

3. Technologický pokrok urýchľuje rozvoj príležitostí prenikania nových energetických odvetví

V posledných rokoch nové technológie v energetickom priemysle neustále napredujú a prinášajú prelomové objavy a zvyšujúca sa miera penetrácie podporuje neustály rozvoj odvetvia nabíjacích modulov. Výrazné zvýšenie hustoty energie batérií vyriešilo problém nedostatočného dojazdu vozidiel s novými energetickými zdrojmi a použitie vysokovýkonných nabíjacích modulov výrazne skrátilo čas nabíjania, čím sa urýchlilo prenikanie vozidiel s novými energetickými zdrojmi a výstavba podporných nabíjacích stĺpov. V budúcnosti sa očakáva, že integrácia a prehlbovanie aplikácie technológií, ako je optické úložisko a integrácia nabíjania a integrácia siete vozidiel V2G, ďalej urýchli prenikanie nových energetických odvetví a popularizáciu spotreby.

4. Konkurenčné prostredie v odvetví: Odvetvie nabíjacích modulov je plne konkurencieschopné a trhový priestor pre produkty je rozsiahly.

Nabíjací modul je základnou súčasťou nabíjacích stĺpov jednosmerného prúdu. S rastúcou mierou penetrácie vozidiel s novými zdrojmi energie po celom svete sa spotrebitelia čoraz viac obávajú o dojazd a pohodlie nabíjania. Dopyt po rýchlonabíjacích stĺpoch jednosmerného prúdu na trhu prudko vzrástol a domáci trh s prevádzkou nabíjacích stĺpov vzrástol z roku 1945. V prvých dňoch bola hlavnou silou diverzifikovaného rozvoja spoločnosť State Grid. Rýchlo sa objavilo množstvo prevádzkovateľov sociálneho kapitálu s výrobnými aj prevádzkovými kapacitami zariadení na nabíjacie stĺpy. Domáci výrobcovia nabíjacích modulov naďalej rozširovali svoju výrobu a rozsah predaja pre výstavbu podporných nabíjacích stĺpov a ich komplexná konkurencieschopnosť sa naďalej posilňovala.

V súčasnosti, po rokoch opakovaného vývoja produktov a nabíjacích modulov, je konkurencia v tomto odvetví dostatočná. Hlavné produkty sa vyvíjajú smerom k vysokému napätiu a vysokej hustote výkonu a trh s produktmi je rozsiahly. Podniky v tomto odvetví dosahujú vyšší podiel na trhu a ziskovosť najmä neustálym zlepšovaním topológie produktov, riadiacich algoritmov, optimalizáciou hardvéru a výrobných systémov atď.

5. Trendy vývoja modulov nabíjania elektromobilov

Keďže nabíjacie moduly prinášajú obrovský dopyt na trhu, technológia sa neustále vyvíja smerom k vysokej hustote výkonu, širokému rozsahu napätia a vysokej účinnosti konverzie.

1) Posun riadený politikou k dopytom

S cieľom podporiť a propagovať rozvoj vozidiel na novú energiu bola výstavba nabíjacích stĺpov v počiatočnej fáze riadená najmä vládou a postupne prostredníctvom politickej podpory smerovala rozvoj odvetvia k endogénnemu modelu jazdy. Od roku 2021 rýchly rozvoj vozidiel na novú energiu kladie obrovské nároky na výstavbu podporných zariadení a nabíjacích stĺpov. Odvetvie nabíjacích stĺpov dokončuje transformáciu z politicky riadeného na dopytom riadený systém.

Vzhľadom na rastúci počet vozidiel na nové zdroje energie sa okrem zvýšenia hustoty rozmiestnenia nabíjacích stĺpov musí ďalej skrátiť čas nabíjania. Nabíjacie stĺpy jednosmerného prúdu majú rýchlejšie rýchlosti nabíjania a kratšie časy nabíjania, čo je vhodnejšie pre dočasné a núdzové potreby nabíjania používateľov elektrických vozidiel a môže účinne riešiť problémy s nedostatkom dojazdu elektromobilov a obavami z nabíjania. Preto sa v posledných rokoch trh s rýchlym nabíjaním jednosmerným prúdom v novovybudovaných nabíjacích stĺpoch, najmä vo verejných nabíjacích stĺpoch, rýchlo rozrástol a stal sa hlavným trendom v mnohých centrálnych mestách Číny.

Stručne povedané, na jednej strane, keďže počet vozidiel s novými zdrojmi energie neustále rastie, je potrebné neustále zlepšovať nosnú konštrukciu nabíjacích stĺpov. Na druhej strane, používatelia elektrických vozidiel sa vo všeobecnosti uchyľujú k rýchlemu nabíjaniu jednosmerným prúdom. Nabíjacie stĺpy jednosmerným prúdom sa stali hlavným trendom a nabíjacie moduly sa tiež stali predmetom dopytu. Ide o fázu vývoja, v ktorej je hlavnou hnacou silou ťahová sila.

(2) Vysoká hustota výkonu, široký rozsah napätia, vysoká účinnosť konverzie

Takzvané rýchle nabíjanie znamená vysoký nabíjací výkon. Preto sa vzhľadom na rastúci dopyt po rýchlom nabíjaní nabíjacie moduly naďalej vyvíjajú smerom k vysokému výkonu. Vysoký výkon nabíjacieho modulu sa dosahuje dvoma spôsobmi. Jedným z nich je paralelné zapojenie viacerých nabíjacích modulov na dosiahnutie superpozície výkonu; druhým je zvýšenie výkonu jedného nabíjacieho modulu. Na základe technických potrieb zvýšenia hustoty výkonu, zmenšenia priestoru a zložitosti elektrickej architektúry je zvyšovanie výkonu jedného nabíjacieho modulu dlhodobým vývojovým trendom. Nabíjacie moduly v našej krajine prešli tromi generáciami vývoja, od prvej generácie 7,5 kW po druhú generáciu 15/20 kW a teraz sú v období prechodu z druhej generácie na tretiu generáciu 30/40 kW. Vysokovýkonné nabíjacie moduly sa stali hlavným prúdom na trhu. Zároveň sa na základe konštrukčného princípu miniaturizácie so zvyšovaním úrovne výkonu zvyšuje aj hustota výkonu nabíjacích modulov.

Existujú dve cesty k dosiahnutiu vyššej úrovne výkonu pri rýchlom nabíjaní jednosmerným prúdom: zvýšenie napätia a zvýšenie prúdu. Riešenie nabíjania vysokým prúdom prvýkrát prijala spoločnosť Tesla. Výhodou je, že náklady na optimalizáciu komponentov sú nižšie, ale vysoký prúd spôsobuje vyššie tepelné straty a vysoké požiadavky na odvod tepla a hrubšie vodiče znižujú pohodlie a v menšej miere podporujú nabíjanie. Riešenie vysokým napätím spočíva vo zvýšení maximálneho prevádzkového napätia nabíjacieho modulu. V súčasnosti je to bežne používaný model výrobcami automobilov. Môže zohľadniť výhody zníženia spotreby energie, zlepšenia výdrže batérie, zníženia hmotnosti a úspory miesta. Riešenie vysokým napätím vyžaduje, aby boli elektrické vozidlá vybavené platformou vysokého napätia na podporu aplikácií rýchleho nabíjania. V súčasnosti je riešením rýchleho nabíjania, ktoré bežne používajú automobilky, platforma vysokého napätia 400 V. S výskumom a aplikáciou platformy napätia 800 V sa úroveň napätia nabíjacieho modulu ďalej zlepší.

Zlepšenie účinnosti konverzie je technický ukazovateľ, ktorý nabíjacie moduly neustále sledujú. Zlepšenie účinnosti konverzie znamená vyššiu účinnosť nabíjania a nižšie straty. V súčasnosti je maximálna špičková účinnosť nabíjacích modulov vo všeobecnosti 95 % až 96 %. V budúcnosti sa s vývojom elektronických súčiastok, ako sú napájacie zariadenia tretej generácie, a s výstupným napätím nabíjacích modulov smerom k 800 V alebo dokonca 1 000 V účinnosť konverzie ešte zlepší.

(3) Hodnota nabíjacích modulov pre elektromobily sa zvyšuje

Nabíjací modul je jadrom nabíjacieho systému jednosmerného prúdu a predstavuje približne 50 % nákladov na hardvér nabíjacieho systému. Zlepšenie účinnosti nabíjania v budúcnosti závisí najmä od zlepšenia výkonu nabíjacích modulov. Na jednej strane viac paralelne zapojených nabíjacích modulov priamo zvýši hodnotu nabíjacieho modulu; na druhej strane zlepšenie úrovne výkonu a hustoty výkonu jedného nabíjacieho modulu závisí od optimalizovaného návrhu hardvérových obvodov a riadiaceho softvéru, ako aj od technológie kľúčových komponentov. Prelomové technológie sú kľúčové pre zlepšenie výkonu celého nabíjacieho systému, čo ďalej zvýši hodnotu nabíjacieho modulu.

6. Technické bariéry v odvetví nabíjacích modulov pre elektromobily

Technológia napájania je interdisciplinárny predmet, ktorý integruje technológiu topológie obvodov, digitálnu technológiu, magnetickú technológiu, technológiu súčiastok, polovodičovú technológiu a technológiu tepelného návrhu. Je to technologicky náročné odvetvie. Ako srdce nabíjacieho systému jednosmerného prúdu priamo určuje nabíjací modul účinnosť nabíjania, prevádzkovú stabilitu, bezpečnosť a spoľahlivosť nabíjacieho systému a jeho dôležitosť a hodnota sú mimoriadne. Produkt si vyžaduje veľké investície zdrojov a odborníkov, od technologického výskumu a vývoja až po terminálové aplikácie. Spôsob výberu elektronických súčiastok a ich rozloženia, aktualizácia a iterácia softvérových algoritmov, presné pochopenie aplikačných scenárov a vyspelé možnosti platformy na kontrolu kvality a testovanie budú mať priamy vplyv na kvalitu a stabilitu produktu. Pre nových účastníkov v tomto odvetví je ťažké zhromaždiť rôzne technológie, personál a údaje o aplikačných scenároch v krátkom čase a čelia vysokým technickým bariéram.