Tendances de développement du secteur des modules de recharge pour véhicules à énergies nouvelles

1. Aperçu du développement de l'industrie des modules de recharge

Les modules de recharge sont au cœur des bornes de recharge en courant continu pour véhicules à énergies nouvelles. Avec l'augmentation constante du taux de pénétration et du nombre de véhicules à énergies nouvelles en Chine, la demande en bornes de recharge s'accroît. La recharge des véhicules à énergies nouvelles se divise en deux catégories : la recharge lente en courant alternatif et la recharge rapide en courant continu. Cette dernière se caractérise par une tension et une puissance élevées, ainsi qu'une charge rapide. Face à la recherche d'une meilleure efficacité de recharge, le marché des bornes et des modules de recharge rapide en courant continu est en constante expansion.

2. Niveau technique et caractéristiques de l'industrie des modules de recharge pour véhicules électriques

L'industrie des modules de bornes de recharge pour véhicules électriques (VE) présente actuellement des caractéristiques techniques telles qu'une puissance élevée sur un seul module, une fréquence élevée, la miniaturisation, un rendement de conversion élevé et une large plage de tension.

En termes de puissance unitaire, le secteur des bornes de recharge pour énergies nouvelles a connu une évolution majeure : en 2014, les bornes de 7,5 kW, en 2015, celles à courant constant de 20 A et 15 kW, et celles à puissance constante de 25 A et 15 kW en 2016. Actuellement, les modules de recharge les plus utilisés sont ceux de 20 kW et 30 kW. Des solutions monomodulaires, notamment la conversion vers des bornes de recharge de 40 kW, sont en cours de développement. Les modules de recharge haute puissance constituent une tendance majeure pour l’avenir du marché.

En ce qui concerne la tension de sortie, State Grid a publié la version 2017 des « Normes de qualification et de vérification des capacités des fournisseurs d'équipements de recharge pour véhicules électriques », précisant que la plage de tension de sortie des chargeurs CC est de 200 à 750 V et que la tension de puissance constante couvre au moins les plages de 400 à 500 V et de 600 à 750 V. Par conséquent, la plupart des fabricants de modules conçoivent des modules pour une tension de 200 à 750 V et répondent aux exigences de puissance constante. Avec l'augmentation de l'autonomie des véhicules électriques et la demande des utilisateurs de véhicules à énergies nouvelles de réduire le temps de charge, l'industrie a proposé une architecture de recharge ultra-rapide à 800 V, et certaines entreprises ont mis en place la fourniture de modules de recharge CC à bornes avec une large plage de tension de sortie de 200 à 1 000 V.

Avec la miniaturisation et la haute fréquence des modules de charge, la puissance des modules unitaires des bornes de recharge pour énergies nouvelles a augmenté, mais leur volume ne peut être augmenté proportionnellement. Par conséquent, l'augmentation de la fréquence de commutation et l'intégration de composants magnétiques sont devenues des moyens essentiels pour accroître la densité de puissance.

En matière d'efficacité des modules de recharge, les principaux fabricants de bornes de recharge pour véhicules électriques atteignent généralement un rendement maximal de 95 à 96 %. À l'avenir, grâce au développement de composants électroniques tels que les dispositifs de puissance de troisième génération et à la démocratisation des véhicules électriques fonctionnant sur des plateformes haute tension de 800 V, voire plus, le secteur devrait proposer des produits affichant un rendement maximal supérieur à 98 %.

L'augmentation de la densité de puissance des modules de charge engendre des problèmes de dissipation thermique accrus. Actuellement, la méthode de dissipation thermique la plus courante est le refroidissement par air forcé. D'autres solutions existent, comme les conduits d'air froid fermés et le refroidissement par eau. Le refroidissement par air présente l'avantage d'un faible coût et d'une conception simple. Cependant, face à l'augmentation de la pression de dissipation thermique, ses inconvénients (capacité de dissipation limitée et niveau sonore élevé) deviennent plus évidents. L'intégration d'un système de refroidissement liquide aux modules de charge et à la ligne de recharge s'impose donc comme une solution technique majeure.

3. Les progrès technologiques accélèrent les opportunités de développement de la pénétration de l'industrie des énergies nouvelles

Ces dernières années, les technologies liées aux énergies nouvelles ont connu des progrès et des avancées significatives, et l'augmentation du taux de pénétration a favorisé le développement continu du secteur des modules de recharge. L'accroissement important de la densité énergétique des batteries a permis de résoudre le problème de l'autonomie insuffisante des véhicules à énergies nouvelles, et l'utilisation de modules de recharge haute puissance a considérablement réduit le temps de charge, accélérant ainsi la diffusion de ces véhicules et le déploiement des infrastructures de recharge. À l'avenir, l'intégration et l'application plus poussée de technologies telles que le stockage et la recharge optiques, ainsi que l'intégration des réseaux V2G, devraient accélérer encore davantage la diffusion des énergies nouvelles et la popularisation de leur utilisation.

4. Contexte concurrentiel du secteur : L'industrie des modules de charge est pleinement concurrentielle et le marché des produits est vaste.

Le module de charge est l'élément central des bornes de recharge en courant continu. Avec la progression des véhicules à énergies nouvelles à travers le monde, les consommateurs sont de plus en plus soucieux de l'autonomie et de la facilité de recharge. La demande du marché pour les bornes de recharge rapide en courant continu a explosé, et le marché national de l'exploitation de ces bornes s'est considérablement développé. À ses débuts, State Grid était le principal acteur de cette diversification. Plusieurs opérateurs à capital privé, capables à la fois de fabriquer et d'exploiter des équipements pour bornes de recharge, ont rapidement émergé. Les fabricants nationaux de modules de charge ont continué à accroître leur production et leurs ventes pour soutenir la construction de ces bornes, et leur compétitivité globale n'a cessé de se renforcer.

Après des années d'itérations et de développement de modules de charge, la concurrence est forte dans le secteur. Les produits les plus courants évoluent vers une tension et une densité de puissance élevées, et le marché est vaste. Les entreprises du secteur gagnent principalement des parts de marché et des profits en améliorant continuellement la topologie des produits, les algorithmes de contrôle, et en optimisant le matériel et les systèmes de production.

5. Tendances de développement des modules de recharge pour véhicules électriques

Face à l'énorme demande du marché pour les modules de charge, la technologie continue d'évoluer vers une densité de puissance élevée, une large plage de tension et un rendement de conversion élevé.

1) Passage d'une approche axée sur les politiques publiques à une approche axée sur la demande

Afin de soutenir et de promouvoir le développement des véhicules à énergies nouvelles, la construction de bornes de recharge a d'abord été principalement pilotée par le gouvernement, qui a progressivement orienté le développement du secteur vers un modèle de production autonome grâce à des mesures de soutien. Depuis 2021, le développement rapide des véhicules à énergies nouvelles a engendré une forte demande en infrastructures et en bornes de recharge. Le secteur des bornes de recharge achève sa transition d'une approche axée sur les politiques publiques à une approche axée sur la demande.

Face à l'augmentation du nombre de véhicules à énergies nouvelles, outre la densification du réseau de bornes de recharge, il est impératif de réduire encore le temps de charge. Les bornes de recharge en courant continu (CC) offrent une vitesse de charge plus rapide et des temps de charge réduits, répondant ainsi aux besoins de recharge temporaires et d'urgence des utilisateurs de véhicules électriques et permettant de résoudre efficacement les problèmes d'autonomie et d'angoisse liés à la recharge. Par conséquent, ces dernières années, le marché de la recharge rapide en CC dans les nouvelles bornes de recharge, notamment les bornes publiques, a connu une croissance rapide et s'est imposé comme une pratique courante dans de nombreuses grandes villes chinoises.

En résumé, d'une part, face à la croissance continue du nombre de véhicules à énergies nouvelles, l'infrastructure de recharge doit être constamment améliorée. D'autre part, les utilisateurs de véhicules électriques privilégient la recharge rapide en courant continu. Les bornes de recharge rapide sont devenues la norme et les modules de recharge répondent désormais à une forte demande. Nous sommes dans une phase de développement où la demande est le principal moteur.

(2) Densité de puissance élevée, large plage de tension, rendement de conversion élevé

La recharge rapide désigne une puissance de charge élevée. Par conséquent, face à la demande croissante de recharge rapide, les modules de recharge continuent d'évoluer vers une puissance plus élevée. Cette puissance élevée est obtenue de deux manières : soit en connectant plusieurs modules en parallèle pour superposer les puissances, soit en augmentant la puissance unitaire des modules. Compte tenu des impératifs techniques d'augmentation de la densité de puissance, de réduction de l'encombrement et de simplification de l'architecture électrique, l'augmentation de la puissance des modules de recharge constitue une tendance de développement à long terme. En Chine, les modules de recharge ont connu trois générations : de 7,5 kW à 15/20 kW, ils sont actuellement en transition vers la troisième génération (30/40 kW). Les modules de recharge haute puissance sont devenus la norme sur le marché. Parallèlement, grâce à la miniaturisation, la densité de puissance des modules a également augmenté.

Il existe deux voies pour atteindre une puissance de charge rapide en courant continu (CC) plus élevée : l’augmentation de la tension et l’augmentation du courant. La solution de charge à courant élevé a été adoptée en premier lieu par Tesla. Son avantage réside dans le coût d’optimisation des composants plus faible, mais un courant élevé entraîne des pertes de chaleur plus importantes et des exigences élevées en matière de dissipation thermique. De plus, l’utilisation de câbles plus épais réduit la praticité et limite les performances. La solution à haute tension consiste à augmenter la tension de fonctionnement maximale du module de charge. C’est actuellement le modèle le plus couramment utilisé par les constructeurs automobiles. Elle présente l’avantage de réduire la consommation d’énergie, d’améliorer la durée de vie de la batterie, de réduire le poids et de gagner de la place. La solution à haute tension nécessite que les véhicules électriques soient équipés d’une plateforme haute tension pour prendre en charge les applications de charge rapide. Actuellement, la plateforme haute tension de 400 V est couramment utilisée par les constructeurs automobiles. Grâce à la recherche et à l’application d’une plateforme de 800 V, le niveau de tension du module de charge sera encore amélioré.

L'amélioration du rendement de conversion est un indicateur technique que les modules de charge s'efforcent constamment d'optimiser. Un meilleur rendement se traduit par une efficacité de charge accrue et des pertes réduites. Actuellement, le rendement maximal des modules de charge se situe généralement entre 95 % et 96 %. À l'avenir, grâce au développement de composants électroniques tels que les dispositifs de puissance de troisième génération et à l'augmentation de la tension de sortie des modules de charge vers 800 V, voire 1 000 V, le rendement de conversion devrait encore progresser.

(3) La valeur des modules de recharge pour véhicules électriques augmente

Le module de charge est l'élément central de la borne de recharge CC, représentant environ 50 % de son coût matériel. L'amélioration future de l'efficacité de la recharge dépend principalement de l'optimisation des performances des modules de charge. D'une part, le raccordement en parallèle d'un plus grand nombre de modules augmente directement leur valeur ; d'autre part, l'amélioration du niveau et de la densité de puissance de chaque module repose sur l'optimisation de la conception des circuits et du logiciel de contrôle, ainsi que sur les avancées technologiques concernant les composants clés. Ces technologies sont essentielles pour améliorer la puissance globale de la borne et, par conséquent, la valeur du module de charge.

6. Obstacles techniques dans l'industrie des modules de recharge pour véhicules électriques

La technologie des alimentations électriques est un domaine interdisciplinaire qui intègre la topologie des circuits, les technologies numériques, magnétiques, les composants, les semi-conducteurs et la conception thermique. C'est un secteur à forte intensité technologique. Au cœur de la borne de recharge CC, le module de charge détermine directement l'efficacité de charge, la stabilité de fonctionnement, la sécurité et la fiabilité de la borne ; son importance et sa valeur sont donc considérables. Un produit nécessite un investissement important en ressources et en professionnels, de la recherche et développement à l'application finale. Le choix des composants électroniques et leur agencement, la mise à jour et l'itération des algorithmes logiciels, la compréhension précise des cas d'application et la maturité des plateformes de contrôle et de test qualité sont autant d'éléments qui influent directement sur la qualité et la stabilité du produit. Il est difficile pour les nouveaux entrants dans ce secteur d'accumuler rapidement les technologies, les ressources humaines et les données relatives aux cas d'application, ce qui représente un obstacle technique important.