Tendenza alle opportunità di sviluppo del settore dei moduli di ricarica per veicoli a nuova energia

1. Panoramica dello sviluppo dell'industria dei moduli di ricarica

I moduli di ricarica sono il cuore delle colonnine di ricarica CC per veicoli a energia alternativa. Con l'aumento della diffusione e del numero di veicoli a energia alternativa in Cina, cresce anche la domanda di colonnine di ricarica. La ricarica dei veicoli a energia alternativa si divide in ricarica lenta CA e ricarica rapida CC. La ricarica rapida CC si caratterizza per alta tensione, alta potenza e velocità di ricarica. Poiché il mercato è sempre più orientato all'efficienza di ricarica, il mercato delle colonnine e dei moduli di ricarica rapida CC continua ad espandersi.

2. Livello tecnico e caratteristiche del settore dei moduli di ricarica per veicoli elettrici

Il settore dei moduli di ricarica per veicoli elettrici (EV) attualmente si caratterizza per caratteristiche tecniche quali elevata potenza del singolo modulo, alta frequenza, miniaturizzazione, elevata efficienza di conversione e ampio intervallo di tensione.

In termini di potenza del singolo modulo, il settore dei moduli di ricarica per colonnine di ricarica per nuove energie ha visto lo sviluppo di prodotti principali con potenze di 7,5 kW nel 2014, correnti costanti di 20 A e 15 kW nel 2015 e potenze costanti di 25 A e 15 kW nel 2016. Attualmente, i moduli di ricarica più diffusi hanno potenze di 20 kW e 30 kW. Le soluzioni a modulo singolo e la conversione a soluzioni di alimentazione a modulo singolo per colonnine di ricarica per nuove energie da 40 kW rappresentano una tendenza di sviluppo del mercato per il futuro.

In termini di tensione di uscita, la State Grid ha pubblicato la versione 2017 degli "Standard di verifica della qualificazione e delle capacità per i fornitori di apparecchiature di ricarica per veicoli elettrici", affermando che l'intervallo di tensione di uscita dei caricabatterie CC è di 200-750 V e che la tensione di potenza costante copre almeno gli intervalli 400-500 V e 600-750 V. Pertanto, tutti i produttori di moduli generalmente progettano moduli per 200-750 V e soddisfano i requisiti di potenza costante. Con l'aumento dell'autonomia dei veicoli elettrici e la richiesta da parte degli utenti di veicoli a nuova energia di ridurre i tempi di ricarica, il settore ha proposto un'architettura di ricarica super rapida a 800 V e alcune aziende hanno realizzato la fornitura di moduli di ricarica per colonnine CC con un ampio intervallo di tensione di uscita di 200-1000 V.

In termini di alta frequenza e miniaturizzazione dei moduli di ricarica, la potenza dei moduli a macchina singola degli alimentatori per stazioni di ricarica di energia rinnovabile è aumentata, ma il loro volume non può essere espanso proporzionalmente. Pertanto, l'aumento della frequenza di commutazione e l'integrazione di componenti magnetici sono diventati mezzi importanti per aumentare la densità di potenza.

In termini di efficienza dei moduli di ricarica, le principali aziende del settore dei moduli di ricarica per colonnine di ricarica per veicoli elettrici raggiungono generalmente un'efficienza massima del 95%-96%. In futuro, con lo sviluppo di componenti elettronici come i dispositivi di potenza di terza generazione e la diffusione di veicoli elettrici con piattaforme ad alta tensione da 800 V o superiori, si prevede che il settore introdurrà prodotti con un'efficienza massima superiore al 98%.

Con l'aumento della densità di potenza dei moduli di ricarica, aumentano anche i problemi di dissipazione del calore. In termini di dissipazione del calore dei moduli di ricarica, il metodo attualmente più diffuso nel settore è il raffreddamento ad aria forzata, ma esistono anche metodi come condotti di aria fredda chiusi e raffreddamento ad acqua. Il raffreddamento ad aria presenta i vantaggi di un basso costo e di una struttura semplice. Tuttavia, con l'ulteriore aumento della pressione di dissipazione del calore, gli svantaggi del raffreddamento ad aria, ovvero la limitata capacità di dissipazione del calore e l'elevata rumorosità, diventano più evidenti. Dotare i moduli di ricarica e la linea di ricarica di un sistema di raffreddamento a liquido è diventata una soluzione importante e una direzione tecnologica.

3. Il progresso tecnologico accelera le opportunità di sviluppo e la penetrazione del settore delle energie rinnovabili.

Negli ultimi anni, la tecnologia del settore delle energie rinnovabili ha continuato a progredire e a raggiungere importanti traguardi, e l'aumento del tasso di penetrazione ha promosso il continuo sviluppo del settore dei moduli di ricarica a monte. Il significativo incremento della densità energetica delle batterie ha risolto il problema dell'autonomia insufficiente dei veicoli a energia rinnovabile, e l'applicazione di moduli di ricarica ad alta potenza ha ridotto notevolmente i tempi di ricarica, accelerando così la diffusione di tali veicoli e la costruzione di infrastrutture di ricarica. In futuro, si prevede che l'integrazione e l'approfondimento dell'applicazione di tecnologie come l'integrazione ottica di accumulo e ricarica e l'integrazione della rete veicolare V2G accelereranno ulteriormente la diffusione delle energie rinnovabili e la loro diffusione.

4. Panorama competitivo del settore: Il settore dei moduli di ricarica è altamente competitivo e il mercato di riferimento è ampio.

Il modulo di ricarica è il componente principale delle colonnine di ricarica CC. Con l'aumento del tasso di penetrazione dei veicoli a energia pulita in tutto il mondo, i consumatori sono sempre più preoccupati per l'autonomia e la comodità di ricarica. La domanda di colonnine di ricarica rapida CC è esplosa e il mercato nazionale delle colonnine di ricarica è cresciuto rapidamente. Inizialmente, la rete elettrica statale era la forza trainante dello sviluppo diversificato. Sono emersi rapidamente numerosi operatori privati ​​con capacità sia di produzione che di gestione di colonnine di ricarica. I produttori nazionali di moduli di ricarica hanno continuato ad espandere la loro produzione e la loro scala di vendita per la costruzione di colonnine di ricarica di supporto, e la loro competitività complessiva ha continuato a rafforzarsi.

Attualmente, dopo anni di iterazione e sviluppo di moduli di ricarica, la concorrenza nel settore è sufficientemente elevata. I prodotti principali si stanno evolvendo verso alta tensione e alta densità di potenza, e il mercato di riferimento è ampio. Le aziende del settore ottengono quote di mercato e livelli di profitto più elevati principalmente migliorando continuamente la topologia del prodotto, gli algoritmi di controllo, ottimizzando l'hardware e i sistemi di produzione, ecc.

5. Tendenze di sviluppo dei moduli di ricarica per veicoli elettrici

Poiché i moduli di ricarica stanno generando un'enorme domanda di mercato, la tecnologia continua a evolversi verso un'elevata densità di potenza, un ampio intervallo di tensione e un'elevata efficienza di conversione.

1) Passaggio guidato dalle politiche a un approccio guidato dalla domanda

Al fine di sostenere e promuovere lo sviluppo dei veicoli a energia alternativa, la costruzione delle colonnine di ricarica è stata inizialmente guidata principalmente dal governo, per poi orientare gradualmente lo sviluppo del settore verso un modello di sviluppo endogeno attraverso il supporto politico. Dal 2021, il rapido sviluppo dei veicoli a energia alternativa ha generato enormi richieste in termini di infrastrutture di supporto e colonnine di ricarica. Il settore delle colonnine di ricarica sta completando la trasformazione da un modello guidato dalle politiche a un modello guidato dalla domanda.

Di fronte al crescente numero di veicoli a energia alternativa, oltre ad aumentare la densità delle colonnine di ricarica, è necessario ridurre ulteriormente i tempi di ricarica. Le colonnine di ricarica in corrente continua (CC) offrono velocità di ricarica più elevate e tempi di ricarica più brevi, risultando più adatte alle esigenze di ricarica temporanea e di emergenza degli utenti di veicoli elettrici e risolvendo efficacemente i problemi di ansia da autonomia e di ansia da ricarica. Pertanto, negli ultimi anni, il mercato della ricarica rapida in CC nelle colonnine di nuova costruzione, soprattutto in quelle pubbliche, è cresciuto rapidamente ed è diventato una tendenza dominante in molte città principali della Cina.

In sintesi, da un lato, con la continua crescita del numero di veicoli a energia alternativa, è necessario un costante miglioramento delle infrastrutture di supporto per le colonnine di ricarica. Dall'altro lato, gli utenti di veicoli elettrici prediligono generalmente la ricarica rapida in corrente continua (CC). Le colonnine di ricarica CC sono diventate la tendenza dominante e anche i moduli di ricarica sono entrati a far parte della domanda. Si tratta di una fase di sviluppo in cui la spinta trainante è la principale forza motrice.

(2) Elevata densità di potenza, ampio intervallo di tensione, elevata efficienza di conversione

La cosiddetta ricarica rapida si riferisce ad un'elevata potenza di ricarica. Pertanto, a fronte della crescente domanda di ricarica rapida, i moduli di ricarica continuano a evolversi verso una maggiore potenza. L'elevata potenza della colonnina di ricarica si ottiene in due modi: collegando più moduli di ricarica in parallelo per ottenere una sovrapposizione di potenza; aumentando la potenza del singolo modulo. Sulla base delle esigenze tecniche di aumento della densità di potenza, riduzione dell'ingombro e semplificazione dell'architettura elettrica, l'incremento della potenza del singolo modulo di ricarica rappresenta una tendenza di sviluppo a lungo termine. I moduli di ricarica nel nostro Paese hanno attraversato tre generazioni di sviluppo, dalla prima generazione da 7,5 kW alla seconda da 15/20 kW, e sono ora in fase di transizione dalla seconda alla terza generazione da 30/40 kW. I moduli di ricarica ad alta potenza sono diventati la norma sul mercato. Allo stesso tempo, basandosi sul principio di miniaturizzazione, la densità di potenza dei moduli di ricarica è aumentata parallelamente all'aumento del livello di potenza.

Esistono due strade per ottenere una ricarica rapida in corrente continua (CC) ad alta potenza: aumentare la tensione e aumentare la corrente. La soluzione di ricarica ad alta corrente è stata adottata per la prima volta da Tesla. Il vantaggio è che il costo di ottimizzazione dei componenti è inferiore, ma l'alta corrente comporta maggiori perdite di calore e requisiti più stringenti per la dissipazione del calore, e i cavi più spessi riducono la praticità e ne limitano l'efficacia. La soluzione ad alta tensione consiste nell'aumentare la tensione operativa massima del modulo di ricarica. Attualmente è un modello comunemente utilizzato dai produttori di automobili. Offre i vantaggi di ridurre il consumo energetico, migliorare la durata della batteria, ridurre il peso e risparmiare spazio. La soluzione ad alta tensione richiede che i veicoli elettrici siano dotati di una piattaforma ad alta tensione per supportare le applicazioni di ricarica rapida. Attualmente, la soluzione di ricarica rapida comunemente utilizzata dalle case automobilistiche è la piattaforma ad alta tensione da 400 V. Con la ricerca e l'applicazione della piattaforma a 800 V, il livello di tensione del modulo di ricarica sarà ulteriormente migliorato.

Il miglioramento dell'efficienza di conversione è un indicatore tecnico che i moduli di ricarica perseguono costantemente. Un'efficienza di conversione più elevata si traduce in una maggiore efficienza di ricarica e minori perdite. Attualmente, l'efficienza di picco massima dei moduli di ricarica si attesta generalmente tra il 95% e il 96%. In futuro, con lo sviluppo di componenti elettronici come i dispositivi di potenza di terza generazione e con l'aumento della tensione di uscita dei moduli di ricarica verso gli 800 V o addirittura i 1000 V, l'efficienza di conversione potrà essere ulteriormente migliorata.

(3) Il valore dei moduli di ricarica dei veicoli elettrici aumenta

Il modulo di ricarica è il componente principale della colonnina di ricarica CC e rappresenta circa il 50% del costo hardware dell'intera colonnina. Il miglioramento dell'efficienza di ricarica in futuro dipenderà principalmente dal miglioramento delle prestazioni dei moduli di ricarica. Da un lato, un maggior numero di moduli di ricarica collegati in parallelo aumenterà direttamente il valore del modulo stesso; dall'altro, il miglioramento del livello di potenza e della densità di potenza del singolo modulo di ricarica dipenderà dalla progettazione ottimizzata dei circuiti hardware e del software di controllo, nonché dalla tecnologia dei componenti chiave. Le innovazioni tecnologiche sono fondamentali per migliorare la potenza dell'intera colonnina di ricarica, il che a sua volta aumenterà ulteriormente il valore del modulo di ricarica.

6. Barriere tecniche nel settore dei moduli di ricarica per veicoli elettrici

La tecnologia degli alimentatori è una disciplina interdisciplinare che integra la topologia dei circuiti, la tecnologia digitale, la tecnologia magnetica, la tecnologia dei componenti, la tecnologia dei semiconduttori e la progettazione termica. Si tratta di un settore ad alta intensità tecnologica. Il modulo di ricarica, cuore pulsante della pila di ricarica CC, determina direttamente l'efficienza di ricarica, la stabilità operativa, la sicurezza e l'affidabilità della pila stessa, rivestendo un'importanza e un valore eccezionali. La realizzazione di un prodotto richiede un ingente investimento di risorse e professionisti, dalla ricerca e sviluppo tecnologico fino all'applicazione finale. La scelta dei componenti elettronici e del layout, l'aggiornamento e l'iterazione degli algoritmi software, la comprensione accurata degli scenari applicativi e la disponibilità di piattaforme di controllo qualità e collaudo mature influiscono direttamente sulla qualità e sulla stabilità del prodotto. Per i nuovi operatori del settore, accumulare rapidamente le diverse tecnologie, il personale e i dati relativi agli scenari applicativi necessari rappresenta una sfida notevole, e ciò comporta elevate barriere tecniche.