فرص تطوير صناعة وحدات شحن المركبات التي تعمل بالطاقة الجديدة

1. لمحة عامة عن تطور صناعة وحدات الشحن

تُعدّ وحدات الشحن العنصر الأساسي في محطات الشحن بالتيار المستمر لمركبات الطاقة الجديدة. ومع استمرار ارتفاع معدل انتشار وامتلاك هذه المركبات في الصين، يتزايد الطلب على محطات الشحن. وينقسم شحن مركبات الطاقة الجديدة إلى نوعين: الشحن البطيء بالتيار المتردد والشحن السريع بالتيار المستمر. يتميز الشحن السريع بالتيار المستمر بجهد عالٍ وقدرة عالية وسرعة فائقة. ومع سعي السوق لتحقيق كفاءة أعلى في الشحن، يستمر حجم سوق محطات ووحدات الشحن السريع بالتيار المستمر في التوسع.

2. المستوى التقني وخصائص صناعة وحدات شحن السيارات الكهربائية

تتميز صناعة وحدات شحن المركبات الكهربائية الجديدة حاليًا بميزات تقنية مثل الطاقة العالية للوحدة الواحدة، والتردد العالي، والتصغير، وكفاءة التحويل العالية، ونطاق الجهد الواسع.

فيما يتعلق بقدرة الوحدة الواحدة، شهدت صناعة وحدات شحن الطاقة الجديدة تطورًا ملحوظًا في المنتجات، حيث بلغت قدرة 7.5 كيلوواط في عام 2014، و20 أمبير و15 كيلوواط بتيار ثابت في عام 2015، و25 أمبير و15 كيلوواط بقدرة ثابتة في عام 2016. أما وحدات الشحن الأكثر استخدامًا حاليًا فهي بقدرة 20 كيلوواط و30 كيلوواط. وتشمل الحلول المتاحة حاليًا حلولًا للوحدات الفردية، بالإضافة إلى إمكانية تحويلها إلى حلول بقدرة 40 كيلوواط لتزويد الطاقة الجديدة بالطاقة. وقد أصبحت وحدات الشحن عالية القدرة اتجاهًا رئيسيًا في السوق مستقبلًا.

فيما يتعلق بجهد الخرج، أصدرت شركة شبكة الكهرباء الحكومية نسخة عام 2017 من "معايير التحقق من تأهيل وقدرة موردي معدات شحن المركبات الكهربائية"، والتي تنص على أن نطاق جهد خرج شواحن التيار المستمر يتراوح بين 200 و750 فولت، وأن جهد الطاقة الثابتة يغطي نطاقي 400-500 فولت و600-750 فولت على الأقل. ولذلك، يصمم جميع مصنعي الوحدات عادةً وحداتهم بجهد 200-750 فولت لتلبية متطلبات الطاقة الثابتة. ومع ازدياد مدى سير المركبات الكهربائية، وتزايد طلب مستخدمي مركبات الطاقة الجديدة على تقليل وقت الشحن، اقترحت الصناعة بنية شحن فائقة السرعة بجهد 800 فولت، وقد بدأت بعض الشركات بتوفير وحدات شحن بتيار مستمر بنطاق جهد خرج واسع يتراوح بين 200 و1000 فولت.

فيما يتعلق بترددات الشحن العالية وتصغير حجم وحدات الشحن، فقد زادت قدرة وحدات الشحن أحادية الجهاز في محطات الطاقة الجديدة، لكن حجمها لا يمكن زيادته بنفس النسبة. لذلك، أصبح رفع تردد التبديل ودمج المكونات المغناطيسية من الوسائل المهمة لزيادة كثافة الطاقة.

فيما يتعلق بكفاءة وحدات الشحن، تتميز الشركات الكبرى في صناعة وحدات شحن الطاقة الجديدة بكفاءة قصوى تتراوح بين 95% و96%. ومع تطور المكونات الإلكترونية، مثل أجهزة الطاقة من الجيل الثالث، وانتشار المركبات الكهربائية ذات الجهد العالي 800 فولت أو أعلى، يُتوقع أن تشهد هذه الصناعة في المستقبل ظهور منتجات بكفاءة قصوى تتجاوز 98%.

مع ازدياد كثافة الطاقة في وحدات الشحن، تتفاقم مشاكل تبديد الحرارة. وفيما يخص تبديد حرارة وحدات الشحن، فإن الطريقة السائدة حاليًا في هذا المجال هي التبريد القسري بالهواء، بالإضافة إلى طرق أخرى كقنوات الهواء البارد المغلقة والتبريد المائي. يتميز التبريد الهوائي بانخفاض تكلفته وبساطة تركيبه. إلا أنه مع ازدياد ضغط تبديد الحرارة، تبرز عيوبه المتمثلة في محدودية قدرته على تبديد الحرارة وارتفاع مستوى الضوضاء. ولذا، أصبح تزويد وحدات الشحن وخطوط الشحن بنظام تبريد سائل حلاً رئيسيًا واتجاهًا تقنيًا هامًا.

3. يُسرّع التقدم التكنولوجي فرص تطوير اختراق صناعة الطاقة الجديدة

شهدت تكنولوجيا صناعة الطاقة الجديدة في السنوات الأخيرة تقدماً وتطوراً مستمرين، وساهم ارتفاع معدل انتشارها في تعزيز نمو صناعة وحدات الشحن. وقد ساهمت الزيادة الكبيرة في كثافة طاقة البطاريات في حل مشكلة قصر مدى سير مركبات الطاقة الجديدة، كما أدى استخدام وحدات الشحن عالية الطاقة إلى تقليص وقت الشحن بشكل ملحوظ، مما سرّع من انتشار مركبات الطاقة الجديدة وإنشاء محطات الشحن الداعمة. وفي المستقبل، من المتوقع أن يُسهم دمج وتعميق تطبيقات تقنيات مثل التخزين الضوئي وتكامل الشحن، وتكامل شبكة المركبات V2G، في تسريع انتشار صناعات الطاقة الجديدة وتعميم استهلاكها.

4. مشهد المنافسة في الصناعة: صناعة وحدات الشحن تنافسية بالكامل ومساحة سوق المنتجات كبيرة.

تُعدّ وحدة الشحن المكوّن الأساسي لمحطات الشحن بالتيار المستمر. ومع ازدياد انتشار مركبات الطاقة الجديدة حول العالم، يتزايد قلق المستهلكين بشأن مدى الشحن وسهولة استخدامه. وقد شهد الطلب في السوق على محطات الشحن السريع بالتيار المستمر نموًا هائلًا، وتوسع سوق تشغيل محطات الشحن المحلية بشكل ملحوظ. في البداية، كانت شركة شبكة الكهرباء الحكومية القوة الدافعة الرئيسية وراء هذا التطور المتنوع. وسرعان ما ظهر عدد من الشركات ذات رأس المال الاجتماعي التي تمتلك قدرات تصنيع وتشغيل معدات محطات الشحن. وواصلت الشركات المحلية المصنعة لوحدات الشحن توسيع نطاق إنتاجها ومبيعاتها لدعم إنشاء محطات الشحن، مما عزز قدرتها التنافسية الشاملة.

في الوقت الراهن، وبعد سنوات من تطوير وتحسين وحدات الشحن، باتت المنافسة في هذا القطاع قوية. تتجه المنتجات الرئيسية نحو الجهد العالي وكثافة الطاقة العالية، ما يتيح سوقاً واسعاً للمنتجات. وتسعى الشركات في هذا القطاع إلى تحقيق حصص سوقية وأرباح أعلى من خلال التحسين المستمر لتصميم المنتجات، وخوارزميات التحكم، وتطوير الأجهزة وأنظمة الإنتاج، وغيرها.

5. اتجاهات تطوير وحدات شحن السيارات الكهربائية

مع تزايد الطلب في السوق على وحدات الشحن، تستمر التكنولوجيا في التطور نحو كثافة طاقة عالية، ونطاق جهد واسع، وكفاءة تحويل عالية.

1) التحول المدفوع بالسياسات إلى التحول المدفوع بالطلب

بهدف دعم وتعزيز تطوير مركبات الطاقة الجديدة، قادت الحكومة في المراحل الأولى إنشاء محطات الشحن، ووجهت تدريجياً تطور الصناعة نحو نموذج القيادة الذاتية من خلال الدعم الحكومي. ومنذ عام 2021، فرض التطور السريع لمركبات الطاقة الجديدة متطلبات هائلة على إنشاء المرافق الداعمة ومحطات الشحن. وتستكمل صناعة محطات الشحن تحولها من كونها مدفوعة بالسياسات إلى كونها مدفوعة بالطلب.

مع تزايد أعداد المركبات الكهربائية، بالإضافة إلى زيادة كثافة محطات الشحن، بات من الضروري تقليص مدة الشحن. تتميز محطات الشحن بالتيار المستمر بسرعة شحن أعلى ومدة شحن أقصر، مما يجعلها أكثر ملاءمة لاحتياجات الشحن المؤقتة والطارئة لمستخدمي المركبات الكهربائية، ويساهم بفعالية في حل مشكلتي القلق بشأن مدى سير المركبة والقلق بشأن الشحن. لذا، شهدت السنوات الأخيرة نموًا سريعًا في سوق الشحن السريع بالتيار المستمر في محطات الشحن الحديثة، وخاصة العامة منها، حتى باتت اتجاهًا سائدًا في العديد من المدن الرئيسية في الصين.

باختصار، من جهة، مع استمرار نمو أعداد مركبات الطاقة الجديدة، تبرز الحاجة إلى تحسين مستمر لبنية محطات الشحن. ومن جهة أخرى، يسعى مستخدمو المركبات الكهربائية عمومًا إلى الشحن السريع بالتيار المستمر. وقد أصبحت محطات الشحن بالتيار المستمر هي الاتجاه السائد، كما دخلت وحدات الشحن حيز الطلب. إنها مرحلة من التطور حيث يُعدّ الشحن المحرك الرئيسي.

(2) كثافة طاقة عالية، نطاق جهد واسع، كفاءة تحويل عالية

يشير مصطلح الشحن السريع إلى قدرة شحن عالية. ولذلك، في ظل الطلب المتزايد على الشحن السريع، تتطور وحدات الشحن باستمرار نحو القدرة العالية. وتتحقق هذه القدرة العالية بطريقتين: الأولى هي توصيل عدة وحدات شحن بالتوازي لتحقيق تجميع الطاقة، والثانية هي زيادة قدرة وحدة الشحن الواحدة. ونظرًا للاحتياجات التقنية المتمثلة في زيادة كثافة الطاقة، وتقليل المساحة، وتبسيط البنية الكهربائية، تُعد زيادة قدرة وحدة الشحن الواحدة اتجاهًا تطويريًا طويل الأمد. وقد مرت وحدات الشحن في بلدي بثلاثة أجيال من التطوير، من الجيل الأول بقدرة 7.5 كيلوواط إلى الجيل الثاني بقدرة 15/20 كيلوواط، وهي الآن في مرحلة الانتقال من الجيل الثاني إلى الجيل الثالث بقدرة 30/40 كيلوواط. وقد أصبحت وحدات الشحن عالية القدرة هي السائدة في السوق. وفي الوقت نفسه، وبناءً على مبدأ التصميم المصغر، زادت كثافة طاقة وحدات الشحن بالتزامن مع زيادة مستوى الطاقة.

هناك مساران لتحقيق شحن سريع بتيار مستمر ذي قدرة أعلى: زيادة الجهد وزيادة التيار. اعتمدت شركة تسلا حل الشحن عالي التيار لأول مرة. وتكمن ميزته في انخفاض تكلفة تحسين المكونات، إلا أن التيار العالي يؤدي إلى زيادة فقد الحرارة ومتطلبات تبديدها، كما أن الأسلاك السميكة تقلل من سهولة الاستخدام وتعزز الأداء بدرجة أقل. أما حل الجهد العالي، فيعتمد على زيادة أقصى جهد تشغيل لوحدة الشحن. وهو نموذج شائع الاستخدام حاليًا بين مصنعي السيارات. ويُراعي هذا الحل مزايا تقليل استهلاك الطاقة، وتحسين عمر البطارية، وتقليل الوزن، وتوفير المساحة. ويتطلب حل الجهد العالي تزويد المركبات الكهربائية بمنصة جهد عالٍ لدعم تطبيقات الشحن السريع. حاليًا، تُعد منصة الجهد العالي 400 فولت هي الحل الشائع الاستخدام بين شركات السيارات. ومع البحث والتطوير لمنصة الجهد العالي 800 فولت، سيتحسن مستوى جهد وحدة الشحن بشكل أكبر.

يُعدّ تحسين كفاءة التحويل مؤشرًا تقنيًا تسعى إليه وحدات الشحن باستمرار. ويعني تحسين كفاءة التحويل زيادة كفاءة الشحن وتقليل الفاقد. حاليًا، تبلغ ذروة كفاءة وحدات الشحن عادةً 95% إلى 96%. وفي المستقبل، مع تطور المكونات الإلكترونية، مثل أجهزة الطاقة من الجيل الثالث، وارتفاع جهد خرج وحدات الشحن إلى 800 فولت أو حتى 1000 فولت، ستتحسن كفاءة التحويل بشكل أكبر.

(3) تزداد قيمة وحدات شحن السيارات الكهربائية

تُعدّ وحدة الشحن المكوّن الأساسي في نظام الشحن بالتيار المستمر، حيث تُشكّل حوالي 50% من تكلفة مكونات النظام. ويعتمد تحسين كفاءة الشحن مستقبلاً بشكل رئيسي على تحسين أداء وحدات الشحن. فمن جهة، يُؤدي توصيل المزيد من وحدات الشحن بالتوازي إلى زيادة قيمتها بشكل مباشر؛ ومن جهة أخرى، يعتمد تحسين مستوى الطاقة وكثافة الطاقة لوحدة الشحن الواحدة على التصميم الأمثل لدوائر الأجهزة وبرامج التحكم، بالإضافة إلى التقنيات المُبتكرة للمكونات الرئيسية. وتُعدّ هذه التقنيات أساسية لتحسين طاقة نظام الشحن ككل، مما يُؤدي بدوره إلى زيادة قيمة وحدة الشحن.

6. المعوقات التقنية في صناعة وحدات شحن الطاقة للسيارات الكهربائية

تُعدّ تكنولوجيا إمداد الطاقة مجالًا متعدد التخصصات يدمج بين تكنولوجيا تصميم الدوائر، والتكنولوجيا الرقمية، والتكنولوجيا المغناطيسية، وتكنولوجيا المكونات، وتكنولوجيا أشباه الموصلات، وتكنولوجيا التصميم الحراري. وهي صناعة كثيفة التكنولوجيا. وباعتبارها قلب نظام الشحن بالتيار المستمر، تُحدد وحدة الشحن بشكل مباشر كفاءة الشحن، واستقرار التشغيل، والسلامة، والموثوقية، ولذا فهي ذات أهمية وقيمة بالغة. يتطلب تطوير منتج كهذا استثمارًا كبيرًا من الموارد والخبرات، بدءًا من البحث والتطوير التكنولوجي وصولًا إلى التطبيق النهائي. فكيفية اختيار المكونات الإلكترونية وتصميمها، وتحديث خوارزميات البرمجيات وتطويرها، والفهم الدقيق لسيناريوهات التطبيق، ونضج قدرات منصة مراقبة الجودة والاختبار، كلها عوامل تؤثر بشكل مباشر على جودة المنتج واستقراره. ويصعب على الشركات الجديدة في هذا المجال تجميع مختلف التقنيات، والكوادر، وبيانات سيناريوهات التطبيق في فترة وجيزة، كما تواجه عوائق تقنية كبيرة.