Новий тренд розвитку галузі модулів зарядки енергетичних транспортних засобів

1. Огляд розвитку галузі зарядних модулів

Зарядні модулі є основою зарядних паль постійного струму для транспортних засобів на нових джерелах енергії. Зі зростанням рівня проникнення та кількості власників транспортних засобів на нових джерелах енергії в Китаї зростає попит на зарядні пальи. Зарядні системи для транспортних засобів на нових джерелах енергії поділяються на повільну зарядку змінним струмом та швидку зарядку постійним струмом. Швидка зарядка постійним струмом має характеристики високої напруги, високої потужності та швидкої зарядки. Оскільки ринок прагне до ефективності зарядки, масштаб ринку швидких зарядних паль постійного струму та зарядних модулів продовжує розширюватися.

2. Технічний рівень та характеристики індустрії модулів зарядки електромобілів

Нова галузь зарядних модулів для електромобілів та електричних зарядних пристроїв наразі має такі технічні характеристики, як висока потужність одного модуля, висока частота, мініатюризація, висока ефективність перетворення та широкий діапазон напруги.

Що стосується потужності окремих модулів, то у 2014 році на ринку нових зарядних модулів спостерігалася розробка основних продуктів потужністю 7,5 кВт, у 2015 році – постійного струму 20 А та 15 кВт, а у 2016 році – постійної потужності 25 А та 15 кВт. Поточні основні зарядні модулі – це модулі потужністю 20 кВт та 30 кВт. Одномодульні рішення та перехід на нові одномодульні рішення для зарядних модулів потужністю 40 кВт. Потужні зарядні модулі стали тенденцією розвитку ринку в майбутньому.

Що стосується вихідної напруги, Державна енергосистема опублікувала версію 2017 року «Стандарти кваліфікації та перевірки здатності постачальників зарядного обладнання для електромобілів», в яких зазначено, що діапазон вихідної напруги зарядних пристроїв постійного струму становить 200-750 В, а постійна напруга живлення охоплює щонайменше діапазони 400-500 В та 600-750 В. Тому всі виробники модулів зазвичай розробляють модулі для 200-750 В та відповідають вимогам щодо постійної потужності. Зі збільшенням запасу ходу електромобілів та попитом користувачів транспортних засобів на нових джерелах енергії на скорочення часу заряджання, галузь запропонувала архітектуру надшвидкої зарядки 800 В, а деякі компанії реалізували постачання модулів зарядки постійного струму з широким діапазоном вихідної напруги 200-1000 В.

З точки зору високочастотних та мініатюризаційних зарядних модулів, потужність одномашинних модулів нових джерел живлення для зарядних паль збільшилася, але її об'єм не може бути пропорційно збільшений. Тому збільшення частоти комутації та інтеграція магнітних компонентів стали важливими засобами збільшення щільності потужності.

Що стосується ефективності зарядних модулів, то великі компанії в галузі нових зарядних модулів для зарядки енергії зазвичай мають максимальний піковий ККД 95%-96%. У майбутньому, з розвитком електронних компонентів, таких як пристрої живлення третього покоління, та популяризацією електромобілів з напругою 800 В або навіть вище з високовольтною платформою, очікується, що галузь представить продукти з піковим ККД понад 98%.

Зі збільшенням щільності потужності зарядних модулів також виникають проблеми з тепловіддачею. Що стосується тепловіддачі зарядних модулів, то наразі основним методом тепловіддачі в галузі є примусове повітряне охолодження, а також існують такі методи, як закриті канали холодного повітря та водяне охолодження. Повітряне охолодження має переваги низької вартості та простої конструкції. Однак, зі збільшенням тиску тепловіддачі, недоліки повітряного охолодження, такі як обмежена здатність до тепловіддачі та високий рівень шуму, ще більше проявляються. Оснащення зарядного модуля та лінії гармати рідинним охолодженням стало важливим технічним напрямком.

3. Технологічний прогрес пришвидшує розвиток можливостей проникнення нової енергетичної галузі

В останні роки нові технології в енергетичній галузі продовжують прогресувати та досягати проривів, а зростання рівня проникнення сприяло постійному розвитку індустрії зарядних модулів. Значне збільшення щільності енергії акумуляторів вирішило проблему недостатнього запасу ходу транспортних засобів на нових джерелах енергії, а застосування потужних зарядних модулів значно скоротило час заряджання, тим самим прискорюючи проникнення транспортних засобів на нових джерелах енергії та будівництво опорних зарядних паль. Очікується, що в майбутньому інтеграція та поглиблення застосування таких технологій, як інтеграція оптичних накопичувачів та зарядних пристроїв, а також інтеграція мереж транспортних засобів V2G, ще більше прискорять проникнення нових енергетичних галузей та популяризацію споживання.

4. Конкурентний ландшафт галузі: Індустрія зарядних модулів є повністю конкурентною, а ринковий простір продукції великий.

Зарядний модуль є основним компонентом зарядних паль постійного струму. Зі зростанням темпів проникнення транспортних засобів на нових джерелах енергії по всьому світу споживачі все більше стурбовані запасом ходу та зручністю заряджання. Ринковий попит на швидкісні зарядні палі постійного струму різко зріс, а внутрішній ринок експлуатації зарядних паль виріс з 1960-х років. На початку діяльності State Grid була головною рушійною силою диверсифікованого розвитку. Швидко з'явилася низка операторів соціального капіталу з виробничими та експлуатаційними можливостями обладнання для зарядних паль. Вітчизняні виробники зарядних модулів продовжували розширювати масштаби виробництва та продажів для будівництва опорних зарядних паль, а їхня комплексна конкурентоспроможність продовжувала зміцнюватися.

Наразі, після багатьох років ітерацій продуктів та розробки зарядних модулів, конкуренція в галузі є достатньою. Основні продукти розвиваються в напрямку високої напруги та високої щільності потужності, а ринок продукції є великим. Підприємства галузі переважно отримують вищу частку ринку та рівень прибутку завдяки постійному вдосконаленню топології продуктів, алгоритмів керування, оптимізації апаратного забезпечення та виробничих систем тощо.

5. Тенденції розвитку модулів зарядки електромобілів

Оскільки зарядні модулі користуються величезним попитом на ринку, технології продовжують розвиватися в напрямку високої щільності потужності, широкого діапазону напруги та високої ефективності перетворення.

1) Перехід від політики до орієнтації на попит

Для підтримки та просування розвитку транспортних засобів на нових джерелах енергії, будівництво зарядних паль на ранній стадії переважно здійснювалося урядом, і поступово спрямовував розвиток галузі до ендогенної моделі водіння через політичну підтримку. З 2021 року швидкий розвиток транспортних засобів на нових джерелах енергії створив величезні вимоги до будівництва допоміжних споруд та зарядних паль. Галузь зарядних паль завершує трансформацію від політично орієнтованої до політично орієнтованої.

З огляду на зростання кількості транспортних засобів на нових джерелах енергії, окрім збільшення щільності розташування зарядних паль, необхідно ще більше скоротити час заряджання. Зарядні палі постійного струму мають вищу швидкість заряджання та коротший час заряджання, що більше підходить для тимчасових та екстрених потреб користувачів електромобілів у зарядці, а також може ефективно вирішити проблеми тривоги щодо запасу ходу електромобілів та тривоги під час заряджання. Тому в останні роки масштаби ринку швидкої зарядки постійним струмом на нещодавно побудованих зарядних палях, особливо на громадських зарядних палях, швидко зросли та стали основною тенденцією в багатьох централізованих містах Китаю.

Підсумовуючи, з одного боку, оскільки кількість транспортних засобів на нових джерелах енергії продовжує зростати, опорні конструкції зарядних паль потребують постійного вдосконалення. З іншого боку, користувачі електромобілів зазвичай прагнуть швидкої зарядки постійним струмом. Зарядні палі постійним струмом стали основною тенденцією, а зарядні модулі також увійшли в попит. Стадія розвитку, на якій головною рушійною силою є тягове зусилля.

(2) Висока щільність потужності, широкий діапазон напруги, висока ефективність перетворення

Так звана швидка зарядка означає високу потужність зарядки. Тому, враховуючи зростаючий попит на швидку зарядку, зарядні модулі продовжують розвиватися в напрямку високої потужності. Висока потужність зарядного модуля досягається двома способами. Один - паралельне підключення кількох зарядних модулів для досягнення суперпозиції потужності; інший - збільшення одиничної потужності зарядного модуля. Виходячи з технічних потреб збільшення щільності потужності, зменшення простору та зменшення складності електричної архітектури, збільшення потужності одного зарядного модуля є довгостроковою тенденцією розвитку. Зарядні модулі моєї країни пройшли три покоління розвитку, від першого покоління 7,5 кВт до другого покоління 15/20 кВт, і зараз перебувають у періоді переходу від другого покоління до третього покоління 30/40 кВт. Високопотужні зарядні модулі стали основним напрямком ринку. Водночас, виходячи з принципу мініатюризації конструкції, щільність потужності зарядних модулів також зростала одночасно зі збільшенням рівня потужності.

Існує два шляхи досягнення високого рівня потужності для швидкої зарядки постійним струмом: збільшення напруги та збільшення струму. Рішення для зарядки високою напругою вперше було прийнято компанією Tesla. Перевага полягає в тому, що вартість оптимізації компонентів нижча, але високий струм призведе до більших втрат тепла та високих вимог до тепловіддачі, а товстіші дроти зменшують зручність та сприяють меншій мірі. Високовольтне рішення полягає у збільшенні максимальної робочої напруги зарядного модуля. Наразі це широко використовується виробниками автомобілів. Воно може враховувати переваги зниження споживання енергії, збільшення терміну служби акумулятора, зменшення ваги та економії місця. Високовольтне рішення вимагає, щоб електромобілі були оснащені високовольтною платформою для підтримки швидкої зарядки. Наразі рішенням для швидкої зарядки, яке зазвичай використовують автомобільні компанії, є високовольтна платформа 400 В. Завдяки дослідженню та застосуванню платформи напруги 800 В, рівень напруги зарядного модуля буде ще більше покращено.

Підвищення ефективності перетворення – це технічний показник, до якого завжди прагнуть зарядні модулі. Покращення ефективності перетворення означає вищу ефективність заряджання та менші втрати. Наразі максимальна пікова ефективність зарядних модулів зазвичай становить 95%~96%. У майбутньому, з розвитком електронних компонентів, таких як пристрої живлення третього покоління, та наближенням вихідної напруги зарядних модулів до 800 В або навіть 1000 В, ефективність перетворення ще більше покращиться.

(3) Вартість модулів зарядки електромобілів зростає

Зарядний модуль є основним компонентом зарядної батареї постійного струму, на який припадає близько 50% вартості обладнання зарядної батареї. Підвищення ефективності заряджання в майбутньому головним чином залежить від покращення продуктивності зарядних модулів. З одного боку, більше зарядних модулів, з'єднаних паралельно, безпосередньо збільшить цінність зарядного модуля; з іншого боку, покращення рівня потужності та щільності потужності окремого зарядного модуля залежить від оптимізованої конструкції апаратних схем та програмного забезпечення керування, а також технології ключових компонентів. Проривні технології – це ключові технології для підвищення потужності всієї зарядної батареї, що ще більше збільшить цінність зарядного модуля.

6. Технічні бар'єри в індустрії модулів зарядки електромобілів

Технологія живлення – це міждисциплінарна галузь, яка об'єднує технологію топології схем, цифрові технології, магнітні технології, компоненти, напівпровідникові технології та технології теплового проектування. Це технологічно інтенсивна галузь. Як серце зарядного пристрою постійного струму, зарядний модуль безпосередньо визначає ефективність заряджання, стабільність роботи, безпеку та надійність зарядного пристрою, а його важливість та цінність є надзвичайно важливими. Продукт вимагає значних інвестицій ресурсів та фахівців, від технологічних досліджень та розробок до застосування в терміналах. Якість та стабільність продукту безпосередньо впливають на вибір електронних компонентів та їх компонування, оновлення та ітерації алгоритмів програмного забезпечення, точне розуміння сценаріїв застосування, а також можливості зрілої платформи контролю якості та тестування. Новачкам у галузі важко накопичити різноманітні технології, персонал та дані про сценарії застосування за короткий проміжок часу, і вони стикаються з високими технічними бар'єрами.