Tendencia de oportunidad de desarrollo de la industria de módulos de carga para vehículos de nueva energía

1. Panorama general del desarrollo de la industria de módulos de carga

Los módulos de carga son el componente principal de las estaciones de carga de CC para vehículos de nueva energía. A medida que aumenta la penetración y la propiedad de estos vehículos en China, crece la demanda de estaciones de carga. La carga de vehículos de nueva energía se divide en carga lenta de CA y carga rápida de CC. La carga rápida de CC se caracteriza por su alto voltaje, alta potencia y velocidad de carga. Conforme el mercado busca una mayor eficiencia en la carga, el mercado de estaciones y módulos de carga rápida de CC continúa expandiéndose.

2. Nivel técnico y características de la industria de módulos de carga para vehículos eléctricos

La industria de módulos de carga para vehículos de nueva energía cuenta actualmente con características técnicas como alta potencia, alta frecuencia, miniaturización, alta eficiencia de conversión y amplio rango de voltaje en un solo módulo.

En cuanto a la potencia de los módulos individuales, la industria de módulos de carga para estaciones de carga de nueva energía ha experimentado el desarrollo de productos principales de 7,5 kW en 2014, corriente constante de 20 A y 15 kW en 2015, y potencia constante de 25 A y 15 kW en 2016. Actualmente, los módulos de carga más utilizados son los de 20 kW y 30 kW. Se ofrecen soluciones de módulos individuales y conversiones a módulos de carga de nueva energía de 40 kW. Los módulos de carga de alta potencia se perfilan como una tendencia de desarrollo de mercado para el futuro.

En cuanto a la tensión de salida, State Grid publicó la versión 2017 de las "Normas de Calificación y Verificación de Capacidad para Proveedores de Equipos de Carga de Vehículos Eléctricos", estableciendo que el rango de tensión de salida de los cargadores de CC es de 200 a 750 V, y que la tensión de potencia constante abarca al menos los rangos de 400-500 V y 600-750 V. Por lo tanto, todos los fabricantes de módulos suelen diseñar módulos para 200-750 V y cumplen con los requisitos de potencia constante. Con el aumento de la autonomía de los vehículos eléctricos y la demanda de los usuarios de vehículos de nueva energía de reducir el tiempo de carga, la industria ha propuesto una arquitectura de carga ultrarrápida de 800 V, y algunas empresas ya suministran módulos de carga de CC con un amplio rango de tensión de salida de 200 a 1000 V.

En lo que respecta a la miniaturización y la alta frecuencia de los módulos de carga, la potencia de los módulos de una sola máquina de las fuentes de alimentación para estaciones de carga de nueva energía ha aumentado, pero su volumen no puede expandirse proporcionalmente. Por lo tanto, aumentar la frecuencia de conmutación e integrar componentes magnéticos se han convertido en medios importantes para incrementar la densidad de potencia.

En cuanto a la eficiencia de los módulos de carga, las principales empresas del sector de módulos de carga para estaciones de carga de nueva energía suelen alcanzar una eficiencia máxima del 95 % al 96 %. En el futuro, con el desarrollo de componentes electrónicos como los dispositivos de potencia de tercera generación y la popularización de vehículos eléctricos con plataformas de alto voltaje de 800 V o superiores, se espera que el sector lance productos con una eficiencia máxima superior al 98 %.

A medida que aumenta la densidad de potencia de los módulos de carga, también aumentan los problemas de disipación de calor. En cuanto a la disipación de calor de estos módulos, el método más utilizado en la industria es la refrigeración por aire forzado, aunque también existen otros métodos como los conductos de aire frío cerrados y la refrigeración líquida. La refrigeración por aire ofrece ventajas como un bajo coste y una estructura sencilla. Sin embargo, a medida que aumenta la presión de disipación de calor, las desventajas de este sistema —como su limitada capacidad de disipación y el elevado nivel de ruido— se hacen más evidentes. Por ello, equipar los módulos de carga y la línea de armas con refrigeración líquida se ha convertido en una solución clave y una importante línea de desarrollo tecnológico.

3. El progreso tecnológico acelera las oportunidades de desarrollo de la penetración de la industria de las nuevas energías.

En los últimos años, la tecnología de la industria de las energías renovables ha experimentado un progreso y avances significativos, y el aumento de su penetración en el mercado ha impulsado el desarrollo continuo de la industria de módulos de carga. El notable incremento en la densidad energética de las baterías ha solucionado el problema de la autonomía limitada de los vehículos de energías renovables, y la aplicación de módulos de carga de alta potencia ha reducido considerablemente el tiempo de carga, acelerando así la adopción de estos vehículos y la construcción de puntos de recarga. En el futuro, se espera que la integración y la profundización en la aplicación de tecnologías como el almacenamiento óptico, la carga integrada y la integración de redes vehiculares V2G aceleren aún más la penetración de las energías renovables y la popularización de su consumo.

4. Panorama competitivo de la industria: La industria de módulos de carga es totalmente competitiva y el mercado de productos es amplio.

El módulo de carga es el componente principal de las estaciones de carga de CC. Con el aumento de la penetración de los vehículos de nueva energía en todo el mundo, los consumidores están cada vez más preocupados por la autonomía y la comodidad de la carga. La demanda de estaciones de carga rápida de CC se ha disparado, y el mercado nacional de operación de estaciones de carga ha crecido exponencialmente. En sus inicios, la red eléctrica estatal fue la principal impulsora de su desarrollo diversificado. Rápidamente surgieron numerosos operadores de capital privado con capacidad tanto para la fabricación como para la operación de equipos de estaciones de carga. Los fabricantes nacionales de módulos de carga continuaron expandiendo su producción y ventas para la construcción de estaciones de carga complementarias, fortaleciendo así su competitividad integral.

En la actualidad, tras años de iteración y desarrollo de módulos de carga, la competencia en el sector es considerable. Los productos más utilizados se orientan hacia el alto voltaje y la alta densidad de potencia, lo que ofrece un amplio mercado potencial. Las empresas del sector obtienen una mayor cuota de mercado y rentabilidad principalmente mediante la mejora continua de la topología del producto, los algoritmos de control, la optimización del hardware y los sistemas de producción, entre otros factores.

5. Tendencias de desarrollo de los módulos de carga para vehículos eléctricos

A medida que los módulos de carga generan una enorme demanda en el mercado, la tecnología continúa desarrollándose hacia una alta densidad de potencia, un amplio rango de voltaje y una alta eficiencia de conversión.

1) Transición de políticas a un modelo impulsado por la demanda

Para apoyar e impulsar el desarrollo de vehículos de nuevas energías, la construcción de puntos de recarga fue liderada principalmente por el gobierno en su etapa inicial, guiando gradualmente el desarrollo del sector hacia un modelo de autosuficiencia mediante el apoyo político. Desde 2021, el rápido desarrollo de los vehículos de nuevas energías ha generado una enorme demanda de infraestructuras de apoyo y puntos de recarga. El sector de los puntos de recarga está completando su transformación, pasando de estar impulsado por políticas a estar impulsado por la demanda.

Ante el creciente número de vehículos de nueva energía, además de aumentar la densidad de puntos de recarga, es necesario reducir aún más el tiempo de carga. Los puntos de recarga de CC ofrecen mayor velocidad y tiempos de carga más cortos, lo que los hace más adecuados para las necesidades de carga temporales y de emergencia de los usuarios de vehículos eléctricos, y pueden resolver eficazmente los problemas de ansiedad por la autonomía y la disponibilidad de carga. Por lo tanto, en los últimos años, el mercado de la recarga rápida de CC en puntos de recarga de nueva construcción, especialmente en puntos de recarga públicos, ha crecido rápidamente y se ha convertido en una tendencia predominante en muchas ciudades importantes de China.

En resumen, por un lado, a medida que crece el número de vehículos de nueva energía, es necesario mejorar continuamente la infraestructura de recarga. Por otro lado, los usuarios de vehículos eléctricos suelen optar por la carga rápida de CC. Las estaciones de recarga de CC se han convertido en la tendencia predominante, y los módulos de carga también son cada vez más demandados. Nos encontramos en una etapa de desarrollo donde la demanda es el principal motor.

(2) Alta densidad de potencia, amplio rango de voltaje, alta eficiencia de conversión

La llamada carga rápida implica una alta potencia de carga. Por lo tanto, ante la creciente demanda de carga rápida, los módulos de carga continúan desarrollándose hacia una mayor potencia. Esta alta potencia se logra de dos maneras: conectando varios módulos de carga en paralelo para lograr la superposición de potencia, o aumentando la potencia individual de cada módulo. En función de las necesidades técnicas de aumentar la densidad de potencia, reducir el espacio y simplificar la arquitectura eléctrica, el aumento de la potencia de un solo módulo de carga es una tendencia de desarrollo a largo plazo. Los módulos de carga en mi país han pasado por tres generaciones de desarrollo: de la primera generación de 7,5 kW a la segunda de 15/20 kW, y actualmente se encuentran en la transición de la segunda a la tercera generación de 30/40 kW. Los módulos de carga de alta potencia se han convertido en la norma en el mercado. Asimismo, gracias al principio de miniaturización, la densidad de potencia de los módulos de carga también ha aumentado paralelamente al incremento de su potencia.

Existen dos maneras de lograr una carga rápida de CC de mayor potencia: aumentar el voltaje y aumentar la corriente. La solución de carga de alta corriente fue adoptada inicialmente por Tesla. Su ventaja radica en un menor costo de optimización de componentes, pero una alta corriente genera mayores pérdidas de calor y exige una mejor disipación térmica, además de que los cables más gruesos reducen la comodidad y, en menor medida, mejoran la eficiencia. La solución de alto voltaje consiste en aumentar el voltaje máximo de operación del módulo de carga. Actualmente, es un modelo comúnmente utilizado por los fabricantes de automóviles. Permite aprovechar las ventajas de reducir el consumo de energía, mejorar la vida útil de la batería, disminuir el peso y ahorrar espacio. Esta solución requiere que los vehículos eléctricos estén equipados con una plataforma de alto voltaje para soportar la carga rápida. Actualmente, la plataforma de 400 V es la solución de carga rápida más utilizada por las compañías automotrices. Con la investigación y aplicación de la plataforma de 800 V, se espera una mejora adicional en el nivel de voltaje del módulo de carga.

La mejora de la eficiencia de conversión es un indicador técnico que los módulos de carga buscan constantemente. Una mayor eficiencia de conversión se traduce en una mayor eficiencia de carga y menores pérdidas. Actualmente, la eficiencia máxima de los módulos de carga suele ser del 95 % al 96 %. En el futuro, con el desarrollo de componentes electrónicos como los dispositivos de potencia de tercera generación y el aumento de la tensión de salida de los módulos de carga hasta alcanzar los 800 V o incluso los 1000 V, la eficiencia de conversión mejorará aún más.

(3) El valor de los módulos de carga para vehículos eléctricos aumenta

El módulo de carga es el componente principal de la estación de carga de CC, representando aproximadamente el 50% del costo del hardware. La mejora de la eficiencia de carga en el futuro depende principalmente de la mejora del rendimiento de los módulos de carga. Por un lado, conectar más módulos de carga en paralelo aumentará directamente el valor del módulo; por otro lado, la mejora del nivel y la densidad de potencia de un solo módulo depende del diseño optimizado de los circuitos de hardware y el software de control, así como de la tecnología de los componentes clave. Estos avances tecnológicos son fundamentales para mejorar la potencia de toda la estación de carga, lo que a su vez aumentará el valor del módulo de carga.

6. Barreras técnicas en la industria de módulos de carga de energía para vehículos eléctricos

La tecnología de fuentes de alimentación es un campo interdisciplinario que integra la topología de circuitos, la tecnología digital, la tecnología magnética, la tecnología de componentes, la tecnología de semiconductores y el diseño térmico. Se trata de una industria de alta tecnología. Como componente esencial de la estación de carga de CC, el módulo de carga determina directamente la eficiencia, la estabilidad operativa, la seguridad y la fiabilidad de la misma, por lo que su importancia y valor son excepcionales. Un producto requiere una gran inversión de recursos y profesionales, desde la investigación y el desarrollo tecnológico hasta su aplicación final. La selección de componentes electrónicos y su diseño, la actualización e iteración de algoritmos de software, la comprensión precisa de los escenarios de aplicación y la disponibilidad de plataformas de control de calidad y pruebas consolidadas influyen directamente en la calidad y la estabilidad del producto. Para las nuevas empresas del sector, resulta difícil acumular en poco tiempo los conocimientos tecnológicos, el personal y la información sobre escenarios de aplicación necesarios, lo que supone una importante barrera técnica.