Trend razvoja priložnosti v industriji modulov za polnjenje vozil z energijo

1. Pregled razvoja industrije polnilnih modulov

Polnilni moduli so jedro polnilnih stebrov z enosmernim tokom za vozila na nova energijska pogona. Ker stopnja penetracije in lastništvo vozil na nova energijska pogona na Kitajskem še naprej narašča, se povečuje tudi povpraševanje po polnilnih stebrih. Polnjenje vozil na nova energijska pogona se deli na počasno polnjenje z izmeničnim tokom in hitro polnjenje z enosmernim tokom. Hitro polnjenje z enosmernim tokom ima značilnosti visoke napetosti, visoke moči in hitrega polnjenja. Ker trg stremi k učinkovitosti polnjenja, se tržni obseg hitrih polnilnih stebrov z enosmernim tokom in polnilnih modulov še naprej širi.

2. Tehnična raven in značilnosti industrije modulov za polnjenje električnih vozil

Industrija novih polnilnih modulov za električna vozila trenutno ponuja tehnične lastnosti, kot so visoka moč posameznega modula, visoka frekvenca, miniaturizacija, visoka učinkovitost pretvorbe in širok napetostni razpon.

Kar zadeva moč posameznega modula, je industrija novih polnilnih modulov za polnjenje energije doživela razvoj glavnih izdelkov z močjo 7,5 kW leta 2014, s konstantnim tokom 20 A in 15 kW leta 2015 ter s konstantno močjo 25 A in 15 kW leta 2016. Trenutni polnilni moduli za glavno uporabo so 20 kW in 30 kW. Rešitve z enim modulom in pretvorba v nove rešitve za napajanje polnilnih stebrov z močjo 40 kW. Visokozmogljivi polnilni moduli so postali trend razvoja trga v prihodnosti.

Kar zadeva izhodno napetost, je državno električno omrežje (State Grid) izdalo različico "Standardov za preverjanje kvalifikacij in sposobnosti dobaviteljev opreme za polnjenje električnih vozil" iz leta 2017, v katerih je navedeno, da je izhodna napetost polnilnikov z enosmernim tokom 200–750 V, konstantna napetost pa pokriva vsaj območja 400–500 V in 600–750 V. Zato vsi proizvajalci modulov običajno načrtujejo module za 200–750 V in izpolnjujejo zahteve glede konstantne moči. Zaradi povečanja dosega električnih vozil in povpraševanja uporabnikov vozil z novimi viri energije po skrajšanju časa polnjenja je industrija predlagala arhitekturo super hitrega polnjenja z 800 V, nekatera podjetja pa so že ponudila module za polnjenje z enosmernim tokom s širokim izhodnim napetostnim območjem 200–1000 V.

Kar zadeva visokofrekvenčne in miniaturizirane polnilne module, se je moč enojnih modulov novih napajalnikov za polnjenje energije povečala, vendar njihove prostornine ni mogoče sorazmerno povečati. Zato sta povečanje preklopne frekvence in integracija magnetnih komponent postala pomembno sredstvo za povečanje gostote moči.

Kar zadeva učinkovitost polnilnih modulov, imajo večja podjetja v industriji novih polnilnih modulov za energijo običajno največjo učinkovitost 95–96 %. V prihodnosti naj bi z razvojem elektronskih komponent, kot so napajalne naprave tretje generacije, in popularizacijo električnih vozil z napetostjo 800 V ali celo več z visokonapetostno platformo industrija uvedla izdelke z največjo učinkovitostjo več kot 98 %.

Z naraščanjem gostote moči polnilnih modulov se povečujejo tudi težave z odvajanjem toplote. Kar zadeva odvajanje toplote polnilnih modulov, je trenutno v industriji prevladujoča metoda odvajanja toplote prisilno hlajenje z zrakom, obstajajo pa tudi metode, kot so zaprti kanali za hladen zrak in vodno hlajenje. Zračno hlajenje ima prednosti nizkih stroškov in preproste strukture. Ko pa se tlak odvajanja toplote še poveča, se bodo slabosti zračnega hlajenja, kot sta omejena zmogljivost odvajanja toplote in visok hrup, še bolj pokazale. Opremljanje polnilnega modula in linije pištole s tekočim hlajenjem je postala pomembna tehnična smer.

3. Tehnološki napredek pospešuje razvojne možnosti prodiranja novih energetskih industrij

V zadnjih letih je nova tehnologija v energetski industriji še naprej napredovala in dosegala preboje, povečanje stopnje penetracije pa je spodbudilo nenehen razvoj industrije polnilnih modulov. Znatno povečanje gostote energije baterij je rešilo problem nezadostnega dosega vozil z novo energijo, uporaba visokozmogljivih polnilnih modulov pa je močno skrajšala čas polnjenja, s čimer se je pospešil prodor vozil z novo energijo in gradnja podpornih polnilnih stebrov. V prihodnosti naj bi integracija in poglobitev uporabe tehnologij, kot sta optično shranjevanje in integracija polnjenja ter integracija omrežij vozil V2G, še pospešila prodor novih energetskih industrij in popularizacijo potrošnje.

4. Konkurenca v panogi: Industrija polnilnih modulov je popolnoma konkurenčna, tržni prostor izdelkov pa je velik.

Polnilni modul je osrednja komponenta polnilnih stebrov z enosmernim tokom. Z naraščajočo stopnjo prodora vozil na nova energijska goriva po vsem svetu so potrošniki vse bolj zaskrbljeni glede dosega polnjenja in udobja polnjenja. Povpraševanje na trgu po hitrih polnilnih stebrih z enosmernim tokom je eksplodiralo, domači trg delovanja polnilnih stebrov pa je zrasel od ... V zgodnjih dneh je bila glavna gonilna sila diverzificiranega razvoja državna elektroenergetska mreža (State Grid). Hitro se je pojavilo več operaterjev družbenega kapitala z zmogljivostmi proizvodnje in delovanja opreme za polnilne stebre. Domači proizvajalci polnilnih modulov so še naprej širili svojo proizvodnjo in prodajo za gradnjo podpornih polnilnih stebrov, njihova celovita konkurenčnost pa se je še naprej krepila.

Trenutno je po letih ponavljanja izdelkov in razvoja polnilnih modulov konkurenca v industriji zadostna. Glavni izdelki se razvijajo v smeri visoke napetosti in visoke gostote moči, tržni prostor izdelkov pa je velik. Podjetja v industriji dosegajo večji tržni delež in dobiček predvsem z nenehnim izboljševanjem topologije izdelkov, algoritmov krmiljenja, optimizacijo strojne opreme in proizvodnih sistemov itd.

5. Trendi razvoja modulov za polnjenje električnih vozil

Ker polnilni moduli uvajajo ogromno povpraševanje na trgu, se tehnologija še naprej razvija v smeri visoke gostote moči, širokega razpona napetosti in visoke učinkovitosti pretvorbe.

1) Premik od politik k povpraševanju

Da bi podprli in spodbudili razvoj vozil na nova energetska goriva, je gradnjo polnilnih stebrov v zgodnji fazi vodila predvsem vlada, ki je s politično podporo postopoma usmerjala razvoj industrije k endogenemu modelu vožnje. Od leta 2021 hiter razvoj vozil na nova energetska goriva močno obremenjuje gradnjo podpornih objektov in polnilnih stebrov. Industrija polnilnih stebrov zaključuje preobrazbo iz politično usmerjene v povpraševanje usmerjeno.

Zaradi naraščajočega števila vozil na nova energijska goriva je treba poleg povečanja gostote postavitve polnilnih stebrov še dodatno skrajšati čas polnjenja. Polnilni stebri z enosmernim tokom imajo hitrejše hitrosti polnjenja in krajše čase polnjenja, kar je bolj primerno za začasne in nujne potrebe uporabnikov električnih vozil po polnjenju ter lahko učinkovito reši težave z dosegom električnih vozil in tesnobo pri polnjenju. Zato se je v zadnjih letih tržni obseg hitrega polnjenja z enosmernim tokom v novo zgrajenih polnilnih stebrih, zlasti javnih polnilnih stebrih, hitro povečal in postal prevladujoč trend v številnih osrednjih mestih na Kitajskem.

Če povzamemo, je treba po eni strani zaradi naraščanja števila vozil na nova energijska goriva nenehno izboljševati nosilno konstrukcijo polnilnih stebrov. Po drugi strani pa uporabniki električnih vozil običajno iščejo hitro polnjenje z enosmernim tokom. Polnilni stebri z enosmernim tokom so postali glavni trend, povpraševanje pa je tudi po polnilnih modulih. To je faza razvoja, v kateri je glavna gonilna sila vlečna sila.

(2) Visoka gostota moči, širok razpon napetosti, visoka učinkovitost pretvorbe

Tako imenovano hitro polnjenje pomeni visoko moč polnjenja. Zato se zaradi naraščajočega povpraševanja po hitrem polnjenju polnilni moduli še naprej razvijajo v smeri visoke moči. Visoka moč polnilnega modula se doseže na dva načina. Prvi je vzporedna povezava več polnilnih modulov za doseganje superpozicije moči; drugi pa je povečanje moči enega polnilnega modula. Glede na tehnične potrebe po povečanju gostote moči, zmanjšanju prostora in zmanjšanju kompleksnosti električne arhitekture je povečanje moči enega samega polnilnega modula dolgoročni razvojni trend. Polnilni moduli v moji državi so šli skozi tri generacije razvoja, od prve generacije 7,5 kW do druge generacije 15/20 kW, in so zdaj v obdobju prehoda iz druge generacije v tretjo generacijo 30/40 kW. Visokozmogljivi polnilniki so postali glavni del trga. Hkrati se je zaradi načela miniaturizacije s povečanjem moči povečala tudi gostota moči polnilnih modulov.

Obstajata dve poti za doseganje višje ravni moči hitrega polnjenja z enosmernim tokom: povečanje napetosti in povečanje toka. Rešitev za polnjenje z visokim tokom je prva uporabila Tesla. Prednost je v nižjih stroških optimizacije komponent, vendar visok tok povzroči večje toplotne izgube in visoke zahteve za odvajanje toplote, debelejše žice pa zmanjšajo udobje in v manjši meri spodbujajo hlajenje. Visokonapetostna rešitev je povečanje največje delovne napetosti polnilnega modula. Trenutno je to pogosto uporabljen model pri proizvajalcih avtomobilov. Upošteva lahko prednosti zmanjšanja porabe energije, izboljšanja življenjske dobe baterije, zmanjšanja teže in prihranka prostora. Visokonapetostna rešitev zahteva, da so električna vozila opremljena z visokonapetostno platformo za podporo aplikacijam hitrega polnjenja. Trenutno je rešitev za hitro polnjenje, ki jo pogosto uporabljajo avtomobilska podjetja, visokonapetostna platforma 400 V. Z raziskavami in uporabo napetostne platforme 800 V se bo napetost polnilnega modula še izboljšala.

Izboljšanje učinkovitosti pretvorbe je tehnični kazalnik, ki si ga polnilni moduli vedno prizadevajo. Izboljšanje učinkovitosti pretvorbe pomeni večjo učinkovitost polnjenja in manjše izgube. Trenutno je največja učinkovitost polnilnih modulov običajno 95 %~96 %. V prihodnosti se bo z razvojem elektronskih komponent, kot so napajalne naprave tretje generacije, in z izhodno napetostjo polnilnih modulov, ki se giblje proti 800 V ali celo 1000 V, učinkovitost pretvorbe še izboljšala.

(3) Vrednost polnilnih modulov za električna vozila se povečuje

Polnilni modul je osrednja komponenta enosmernega polnilnega sklopa in predstavlja približno 50 % stroškov strojne opreme polnilnega sklopa. Izboljšanje učinkovitosti polnjenja v prihodnosti je v glavnem odvisno od izboljšanja zmogljivosti polnilnih modulov. Po eni strani bo več vzporedno povezanih polnilnih modulov neposredno povečalo vrednost polnilnega modula; po drugi strani pa je izboljšanje ravni moči in gostote moči posameznega polnilnega modula odvisno od optimizirane zasnove strojne opreme in programske opreme za krmiljenje ter tehnologije ključnih komponent. Prebojne tehnologije so ključne za izboljšanje moči celotnega polnilnega sklopa, kar bo še povečalo vrednost polnilnega modula.

6. Tehnične ovire v industriji modulov za polnjenje električnih vozil

Tehnologija napajanja je interdisciplinarno področje, ki združuje tehnologijo topologije vezij, digitalno tehnologijo, magnetno tehnologijo, tehnologijo komponent, tehnologijo polprevodnikov in tehnologijo toplotnega načrtovanja. Gre za tehnološko intenzivno panogo. Kot srce enosmernega polnilnega stebra polnilni modul neposredno določa učinkovitost polnjenja, stabilnost delovanja, varnost in zanesljivost polnilnega stebra, njegov pomen in vrednost pa sta izjemna. Izdelek zahteva veliko naložbo virov in strokovnjakov, od tehnoloških raziskav in razvoja do uporabe terminalov. Kako izbrati elektronske komponente in postavitev, nadgradnja in iteracija programskega algoritma, natančno razumevanje scenarijev uporabe ter zmogljivosti zrele platforme za nadzor kakovosti in testiranje bodo neposredno vplivale na kakovost in stabilnost izdelka. Novim udeležencem v panogi je težko v kratkem času zbrati različne tehnologije, osebje in podatke o scenarijih uporabe, poleg tega pa se soočajo z visokimi tehničnimi ovirami.