Entwicklungsmöglichkeiten und Trends in der Lademodulindustrie für neue Energiefahrzeuge

1. Überblick über die Entwicklung der Lademodulindustrie

Lademodule bilden das Herzstück von Gleichstrom-Ladesäulen für Elektrofahrzeuge. Da die Verbreitung und der Besitz von Elektrofahrzeugen in China stetig zunehmen, steigt auch die Nachfrage nach Ladesäulen. Das Laden von Elektrofahrzeugen wird in Wechselstrom-Langsamladung und Gleichstrom-Schnellladung unterteilt. Die Gleichstrom-Schnellladung zeichnet sich durch hohe Spannung, hohe Leistung und schnelles Laden aus. Angesichts des steigenden Bedarfs an Ladeeffizienz wächst der Markt für Gleichstrom-Schnellladesäulen und Lademodule kontinuierlich.

2. Technisches Niveau und Merkmale der Lademodulindustrie für Elektrofahrzeuge

Die Branche der Ladesäulenmodule für Elektrofahrzeuge zeichnet sich derzeit durch technische Merkmale wie hohe Leistung einzelner Module, hohe Frequenz, Miniaturisierung, hohe Umwandlungseffizienz und einen breiten Spannungsbereich aus.

Im Bereich der Einzelmodulleistung verzeichnete die Branche der Ladesäulenmodule für neue Energien 2014 eine gängige Produktentwicklung mit 7,5 kW, 2015 mit Konstantstrom 20 A und 15 kW sowie 2016 mit Konstantleistung 25 A und 15 kW. Aktuell werden vor allem Lademodule mit 20 kW und 30 kW eingesetzt. Es gibt auch Einzelmodullösungen und die Möglichkeit, Ladesäulen für neue Energien auf 40 kW umzurüsten. Hochleistungslademodule werden zukünftig einen wichtigen Markttrend darstellen.

Bezüglich der Ausgangsspannung veröffentlichte State Grid die 2017er-Version der „Qualifizierungs- und Fähigkeitsprüfungsstandards für Lieferanten von Ladeeinrichtungen für Elektrofahrzeuge“. Darin wird festgelegt, dass der Ausgangsspannungsbereich von Gleichstromladegeräten 200–750 V beträgt und die Konstantleistungsspannung mindestens die Bereiche 400–500 V und 600–750 V abdeckt. Daher konstruieren alle Modulhersteller ihre Module üblicherweise für 200–750 V und erfüllen die Anforderungen an die Konstantleistung. Angesichts der steigenden Reichweite von Elektrofahrzeugen und der Nachfrage der Nutzer nach kürzeren Ladezeiten hat die Branche eine 800-V-Schnellladearchitektur vorgeschlagen, und einige Unternehmen bieten bereits Gleichstrom-Ladesäulenmodule mit einem breiten Ausgangsspannungsbereich von 200–1000 V an.

Im Hinblick auf Hochfrequenz und Miniaturisierung von Lademodulen hat sich die Leistung einzelner Module von Ladesäulen für neue Energieerzeugungsanlagen erhöht, ihr Volumen konnte jedoch nicht proportional vergrößert werden. Daher sind die Erhöhung der Schaltfrequenz und die Integration magnetischer Komponenten wichtige Mittel zur Steigerung der Leistungsdichte geworden.

Hinsichtlich der Effizienz von Lademodulen erreichen führende Unternehmen der Branche für Ladesäulenmodule für neue Energien im Allgemeinen einen maximalen Wirkungsgrad von 95–96 %. Zukünftig wird die Branche voraussichtlich Produkte mit einem maximalen Wirkungsgrad von über 98 % auf den Markt bringen, insbesondere durch die Weiterentwicklung elektronischer Komponenten wie Leistungshalbleiter der dritten Generation und die zunehmende Verbreitung von Elektrofahrzeugen mit 800-V- oder sogar höherspannungsbasierten Plattformen.

Mit steigender Leistungsdichte von Lademodulen nehmen auch die Probleme der Wärmeabfuhr zu. Die gängigste Methode zur Wärmeabfuhr in der Branche ist derzeit die Zwangsluftkühlung. Daneben gibt es auch Verfahren wie geschlossene Kaltluftkanäle und Wasserkühlung. Luftkühlung zeichnet sich durch geringe Kosten und einen einfachen Aufbau aus. Mit weiter steigendem Wärmedruck werden jedoch die Nachteile der Luftkühlung – begrenzte Kühlleistung und hohe Geräuschentwicklung – deutlicher. Die Flüssigkeitskühlung von Lademodul und Ladeleitung hat sich daher als wichtige technische Lösung etabliert.

3. Der technologische Fortschritt beschleunigt die Entwicklungschancen für die Durchdringung der neuen Energiewirtschaft.

In den letzten Jahren hat die Technologie der neuen Energiewirtschaft kontinuierlich Fortschritte und Durchbrüche erzielt. Die steigende Marktdurchdringung hat die Weiterentwicklung der Lademodulindustrie beflügelt. Die signifikante Steigerung der Batterieenergiedichte hat das Problem der unzureichenden Reichweite von Elektrofahrzeugen gelöst, und der Einsatz von Hochleistungs-Lademodulen hat die Ladezeit deutlich verkürzt. Dies beschleunigt die Marktdurchdringung von Elektrofahrzeugen und den Aufbau entsprechender Ladeinfrastruktur. Zukünftig werden die Integration und der verstärkte Einsatz von Technologien wie optischer Datenspeicherung und Ladeintegration sowie die V2G-Fahrzeugnetzwerkintegration die Marktdurchdringung der neuen Energiewirtschaft und die Verbreitung des Verbrauchs voraussichtlich weiter beschleunigen.

4. Wettbewerbsumfeld der Branche: Die Lademodulbranche ist hart umkämpft und der Produktmarkt ist groß.

Das Lademodul ist die Kernkomponente von Gleichstrom-Ladesäulen. Mit der weltweit steigenden Verbreitung von Elektrofahrzeugen legen Verbraucher zunehmend Wert auf Reichweite und Ladekomfort. Die Marktnachfrage nach Gleichstrom-Schnellladesäulen ist explosionsartig gestiegen, und der heimische Markt für Ladesäulenbetrieb hat sich rasant entwickelt. Anfangs war das staatliche Stromnetz der Haupttreiber dieser diversifizierten Entwicklung. Zahlreiche private Betreiber mit Produktions- und Betriebskapazitäten für Ladesäulen entstanden schnell. Heimische Hersteller von Lademodulen bauten ihre Produktion und ihren Vertrieb für den Aufbau von Ladesäulen kontinuierlich aus und stärkten so ihre Wettbewerbsfähigkeit.

Nach jahrelanger Produktiteration und Weiterentwicklung von Lademodulen herrscht in der Branche mittlerweile ein starker Wettbewerb. Die meisten Produkte entwickeln sich in Richtung Hochspannung und hoher Leistungsdichte, wodurch ein großes Marktpotenzial besteht. Unternehmen der Branche erzielen höhere Marktanteile und Gewinne vor allem durch die kontinuierliche Verbesserung der Produkttopologie, der Steuerungsalgorithmen sowie die Optimierung von Hardware und Produktionssystemen.

5. Entwicklungstrends von Lademodulen für Elektrofahrzeuge

Da Lademodule eine enorme Marktnachfrage auslösen, entwickelt sich die Technologie kontinuierlich in Richtung hoher Leistungsdichte, breitem Spannungsbereich und hoher Umwandlungseffizienz.

1) Politisch bedingter Wandel hin zu nachfrageorientiert

Um die Entwicklung von Elektrofahrzeugen zu unterstützen und zu fördern, wurde der Bau von Ladesäulen in der Anfangsphase hauptsächlich von der Regierung vorangetrieben und die Branchenentwicklung durch politische Unterstützung schrittweise in Richtung eines eigenständigen Antriebsmodells gelenkt. Seit 2021 hat die rasante Entwicklung von Elektrofahrzeugen einen enormen Bedarf an Infrastruktur und Ladesäulen mit sich gebracht. Die Ladesäulenbranche vollzieht derzeit den Wandel von einer politikgesteuerten zu einer bedarfsgesteuerten Entwicklung.

Angesichts der steigenden Anzahl von Elektrofahrzeugen muss neben der Erhöhung der Ladedichte auch die Ladezeit weiter verkürzt werden. Gleichstrom-Schnellladesäulen bieten höhere Ladegeschwindigkeiten und kürzere Ladezeiten und eignen sich daher besser für den temporären und Notfallladebedarf von Elektrofahrzeugnutzern. Sie können die Reichweiten- und Ladeangst effektiv reduzieren. Aus diesem Grund hat der Markt für Gleichstrom-Schnellladung in den letzten Jahren, insbesondere an neu errichteten öffentlichen Ladesäulen, ein rasantes Wachstum erfahren und sich in vielen chinesischen Großstädten zu einem Standard entwickelt.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass einerseits mit der stetig wachsenden Anzahl von Elektrofahrzeugen der Ausbau der Ladeinfrastruktur kontinuierlich verbessert werden muss. Andererseits bevorzugen Nutzer von Elektrofahrzeugen in der Regel das Schnellladen mit Gleichstrom. Gleichstrom-Ladesäulen haben sich daher zum Standard entwickelt, und auch Lademodule sind gefragt. In dieser Entwicklungsphase ist die Nachfrage der Hauptantrieb.

(2) Hohe Leistungsdichte, breiter Spannungsbereich, hoher Wirkungsgrad

Das sogenannte Schnellladen bedeutet hohe Ladeleistung. Angesichts der steigenden Nachfrage nach Schnellladen entwickeln sich Lademodule daher kontinuierlich in Richtung höherer Leistung. Die hohe Leistung der Ladesäule wird auf zwei Arten erreicht: Zum einen durch Parallelschaltung mehrerer Lademodule zur Leistungsüberlagerung, zum anderen durch Erhöhung der Einzelleistung der Lademodule. Aufgrund der technischen Anforderungen an höhere Leistungsdichte, geringeren Platzbedarf und reduzierte Komplexität der elektrischen Architektur ist die Steigerung der Leistung einzelner Lademodule ein langfristiger Entwicklungstrend. Die Lademodule in meinem Land haben drei Entwicklungsgenerationen durchlaufen: von der ersten Generation mit 7,5 kW über die zweite Generation mit 15/20 kW bis hin zur aktuellen Übergangsphase von der zweiten zur dritten Generation mit 30/40 kW. Hochleistungslademodule sind zum Marktstandard geworden. Gleichzeitig hat sich, basierend auf dem Prinzip der Miniaturisierung, die Leistungsdichte der Lademodule parallel zur Leistungssteigerung erhöht.

Es gibt zwei Wege, um höhere Gleichstrom-Schnellladeleistungen zu erzielen: Erhöhung der Spannung und Erhöhung des Stroms. Die Hochstrom-Ladelösung wurde zuerst von Tesla eingesetzt. Ihr Vorteil liegt in den geringeren Kosten für die Komponentenoptimierung. Allerdings führt der hohe Strom zu höheren Wärmeverlusten und erfordert eine bessere Wärmeableitung. Dickere Kabel beeinträchtigen zudem den Komfort und tragen weniger zur Effizienz bei. Die Hochspannungslösung erhöht die maximale Betriebsspannung des Lademoduls. Sie ist derzeit ein gängiges Modell bei Automobilherstellern. Vorteile sind reduzierter Energieverbrauch, längere Batterielebensdauer, geringeres Gewicht und Platzersparnis. Die Hochspannungslösung erfordert, dass Elektrofahrzeuge mit einer Hochspannungsplattform für Schnellladeanwendungen ausgestattet sind. Aktuell nutzen Automobilhersteller häufig die 400-V-Hochspannungsplattform. Mit der Forschung und Anwendung der 800-V-Spannungsplattform wird die Spannung des Lademoduls weiter verbessert.

Die Verbesserung des Wirkungsgrades ist ein technisches Ziel, das Lademodulhersteller kontinuierlich verfolgen. Ein höherer Wirkungsgrad bedeutet eine höhere Ladeeffizienz und geringere Verluste. Aktuell liegt der maximale Wirkungsgrad von Lademodulen in der Regel bei 95–96 %. Mit der Weiterentwicklung elektronischer Komponenten wie Leistungshalbleitern der dritten Generation und der Anhebung der Ausgangsspannung von Lademodulen auf 800 V oder sogar 1000 V wird sich der Wirkungsgrad zukünftig weiter verbessern.

(3) Der Wert von Lademodulen für Elektrofahrzeuge steigt

Das Lademodul ist die Kernkomponente der Gleichstrom-Ladesäule und macht etwa 50 % der Hardwarekosten aus. Die zukünftige Steigerung der Ladeeffizienz hängt maßgeblich von der Leistungsverbesserung der Lademodule ab. Einerseits erhöht die Parallelschaltung mehrerer Lademodule deren Wert direkt; andererseits hängt die Verbesserung von Leistungsniveau und Leistungsdichte einzelner Lademodule von der optimierten Auslegung der Hardware-Schaltungen und der Steuerungssoftware sowie der Technologie der Schlüsselkomponenten ab. Diese bahnbrechenden Technologien sind entscheidend für die Steigerung der Leistung der gesamten Ladesäule und erhöhen somit den Wert der Lademodule zusätzlich.

6. Technische Hürden in der Lademodulindustrie für Elektrofahrzeuge

Die Stromversorgungstechnik ist ein interdisziplinäres Fachgebiet, das Schaltungstopologie, Digitaltechnik, Magnettechnik, Bauteiltechnik, Halbleitertechnik und Wärmemanagement integriert. Es handelt sich um eine technologieintensive Branche. Als Herzstück der Gleichstrom-Ladesäule bestimmt das Lademodul direkt deren Ladeeffizienz, Betriebsstabilität, Sicherheit und Zuverlässigkeit und ist daher von herausragender Bedeutung. Die Entwicklung eines Produkts erfordert von der Forschung und Entwicklung bis zur Anwendung im Endgerät einen hohen Aufwand an Ressourcen und Fachkräften. Die Auswahl elektronischer Bauteile und des Layouts, die Aktualisierung und Optimierung von Softwarealgorithmen, das genaue Verständnis von Anwendungsszenarien sowie ausgereifte Qualitätskontroll- und Testplattformen beeinflussen die Produktqualität und -stabilität unmittelbar. Für neue Marktteilnehmer ist es schwierig, innerhalb kurzer Zeit die erforderlichen Technologien, Fachkräfte und Anwendungsdaten zu erwerben, und sie stoßen auf hohe technische Hürden.