Trend in de ontwikkeling van nieuwe energiemodules voor voertuiglaadmodules

1. Overzicht van de ontwikkeling van de laadmodule-industrie

Laadmodules vormen de kern van DC-laadpalen voor nieuwe energievoertuigen. Naarmate de penetratiegraad en het bezit van nieuwe energievoertuigen in China blijven toenemen, neemt de vraag naar laadpalen toe. Het laden van nieuwe energievoertuigen wordt onderverdeeld in AC-langzaam laden en DC-snelladen. DC-snelladen heeft de kenmerken van hoogspanning, hoog vermogen en snelladen. Naarmate de markt streeft naar laadefficiëntie, blijft de marktomvang van DC-snellaadpalen en -laadmodules groeien.

2. Technisch niveau en kenmerken van de EV-laadmodule-industrie

De industrie voor nieuwe oplaadpalen voor elektrische voertuigen (EV-laadmodules) kent momenteel technische kenmerken zoals een hoog vermogen, hoge frequentie, miniaturisatie, hoge conversie-efficiëntie en een breed spanningsbereik per module.

Wat betreft het vermogen van individuele modules, heeft de industrie voor nieuwe energielaadpalen de volgende productontwikkelingen doorgemaakt: 7,5 kW in 2014, constante stroomsterktes van 20 A en 15 kW in 2015 en constant vermogen van 25 A en 15 kW in 2016. De huidige gangbare laadmodules zijn 20 kW en 30 kW. Oplossingen met één module en conversie naar 40 kW nieuwe energielaadpalen met één module. Hoogvermogenlaadmodules zijn een trend in de toekomstige marktontwikkeling.

Wat de uitgangsspanning betreft, heeft State Grid de 2017-versie van de "Qualification and Ability Verification Standards for Electric Vehicle Charging Equipment Suppliers" uitgegeven, waarin staat dat het uitgangsspanningsbereik van DC-laders 200-750 V is en dat de constante voedingsspanning ten minste de bereiken 400-500 V en 600-750 V bestrijkt. Daarom ontwerpen alle modulefabrikanten over het algemeen modules voor 200-750 V en voldoen ze aan de constante vermogensvereisten. Met de toename van het bereik van elektrische voertuigen en de vraag van gebruikers van nieuwe energievoertuigen om de laadtijd te verkorten, heeft de industrie een supersnelle laadarchitectuur van 800 V voorgesteld en hebben sommige bedrijven de levering van DC-laadpaallaadmodules met een breed uitgangsspanningsbereik van 200-1000 V gerealiseerd.

Wat betreft hoogfrequente en miniaturisatie van laadmodules is het vermogen van modules voor één machine van nieuwe energielaadpaalvoedingen toegenomen, maar het volume ervan kan niet proportioneel worden uitgebreid. Daarom zijn het verhogen van de schakelfrequentie en het integreren van magnetische componenten belangrijke middelen geworden om de vermogensdichtheid te verhogen.

Wat betreft de efficiëntie van laadmodules behalen grote bedrijven in de industrie voor nieuwe energielaadpalen doorgaans een maximale piekefficiëntie van 95%-96%. In de toekomst, met de ontwikkeling van elektronische componenten zoals derde-generatie-apparaten en de populariteit van elektrische voertuigen met 800 V of zelfs hoger, zal de industrie naar verwachting producten introduceren met een piekefficiëntie van meer dan 98%.

Naarmate de vermogensdichtheid van laadmodules toeneemt, brengt dit ook grotere problemen met warmteafvoer met zich mee. Wat betreft warmteafvoer van laadmodules is geforceerde luchtkoeling de huidige gangbare warmteafvoermethode in de industrie, maar er zijn ook methoden zoals gesloten koudeluchtkanalen en waterkoeling. Luchtkoeling heeft als voordelen lage kosten en een eenvoudige constructie. Naarmate de warmteafvoerdruk echter verder toeneemt, zullen de nadelen van luchtkoeling, zoals een beperkte warmteafvoercapaciteit en een hoog geluidsniveau, steeds duidelijker worden. Het uitrusten van de laadmodule en de pistoolleiding met vloeistofkoeling is een belangrijke oplossing geworden.

3. De technologische vooruitgang versnelt de ontwikkelingsmogelijkheden voor de penetratie van nieuwe energie-industrieën

De afgelopen jaren heeft de technologie in de nieuwe energiesector voortdurend vooruitgang geboekt en doorbraken opgeleverd, en de toenemende penetratiegraad heeft de continue ontwikkeling van de upstream-laadmodule-industrie bevorderd. De aanzienlijke toename van de energiedichtheid van batterijen heeft het probleem van de onvoldoende actieradius van nieuwe energievoertuigen opgelost, en de toepassing van krachtige laadmodules heeft de laadtijd aanzienlijk verkort, waardoor de penetratie van nieuwe energievoertuigen en de bouw van ondersteunende laadpalen is versneld. In de toekomst wordt verwacht dat de integratie en verdieping van technologieën zoals optische opslag en laadintegratie en V2G-voertuignetwerkintegratie de penetratie van nieuwe energiesectoren en de popularisering van het verbruik verder zullen versnellen.

4. Landschap van industriële concurrentie: De laadmodule-industrie is zeer concurrerend en de productmarkt is groot.

De laadmodule is de kerncomponent van DC-laadpalen. Met de toenemende penetratiegraad van nieuwe energievoertuigen wereldwijd, maken consumenten zich steeds meer zorgen over het bereik en laadgemak van het laden. De vraag naar DC-snellaadpalen is explosief toegenomen en de binnenlandse markt voor de exploitatie van laadpalen is gegroeid. In de beginjaren was het State Grid de belangrijkste drijvende kracht achter de gediversifieerde ontwikkeling. Een aantal sociaal kapitaalaanbieders met zowel productie- als operationele capaciteiten voor laadpalen ontstond snel. Binnenlandse fabrikanten van laadmodules bleven hun productie- en verkoopschaal voor de bouw van ondersteunende laadpalen uitbreiden en hun algehele concurrentievermogen bleef versterken.

Na jaren van productherhaling en ontwikkeling van laadmodules is er momenteel voldoende concurrentie in de industrie. De mainstreamproducten ontwikkelen zich in de richting van hoge spanning en hoge vermogensdichtheid, en de productmarkt is groot. Bedrijven in de industrie behalen voornamelijk een groter marktaandeel en hogere winstniveaus door het continu verbeteren van producttopologie, besturingsalgoritmen, het optimaliseren van hardware en productiesystemen, enz.

5. Ontwikkelingstrends van EV-laadmodules

Omdat laadmodules een enorme vraag op de markt teweegbrengen, blijft de technologie zich ontwikkelen in de richting van een hoge vermogensdichtheid, een breed spanningsbereik en een hoge conversie-efficiëntie.

1) Beleidsgestuurde verschuiving naar vraaggestuurd

Om de ontwikkeling van nieuwe energievoertuigen te ondersteunen en te bevorderen, werd de bouw van laadpalen in de beginfase voornamelijk door de overheid geleid en leidde deze geleidelijk de ontwikkeling van de industrie naar een endogeen rijmodel door middel van beleidsondersteuning. Sinds 2021 stelt de snelle ontwikkeling van nieuwe energievoertuigen hoge eisen aan de bouw van ondersteunende faciliteiten en laadpalen. De laadpalenindustrie voltooit de transformatie van beleidsgestuurd naar vraaggestuurd.

Gezien het toenemende aantal nieuwe energievoertuigen, moet, naast het verhogen van de dichtheid van de laadpalen, de laadtijd verder worden verkort. DC-laadpalen hebben hogere laadsnelheden en kortere laadtijden, wat beter geschikt is voor de tijdelijke en noodlaadbehoeften van gebruikers van elektrische voertuigen en kan effectief de problemen van actieradius- en laadangst oplossen. Daarom is de marktomvang van DC-snelladen in nieuw gebouwde laadpalen, met name openbare laadpalen, de afgelopen jaren snel gegroeid en is het een mainstream trend geworden in veel Chinese steden.

Kortom, enerzijds moet de ondersteunende constructie van laadpalen voortdurend worden verbeterd, aangezien het aantal nieuwe energievoertuigen blijft toenemen. Anderzijds kiezen gebruikers van elektrische voertuigen over het algemeen voor DC-snelladen. DC-laadpalen zijn de mainstream trend geworden en ook de vraag naar laadmodules is toegenomen. Een ontwikkelingsfase waarin aantrekkingskracht de belangrijkste drijvende kracht is.

(2) Hoge vermogensdichtheid, breed spanningsbereik, hoge conversie-efficiëntie

Het zogenaamde snelladen betekent een hoog laadvermogen. Daarom blijven laadmodules zich, gezien de groeiende vraag naar snelladen, ontwikkelen in de richting van een hoog vermogen. Het hoge vermogen van de laadpaal wordt op twee manieren bereikt. De eerste is door meerdere laadmodules parallel te schakelen om superpositie van vermogen te bereiken; de tweede is door het individuele vermogen van de laadmodule te verhogen. Gebaseerd op de technische behoeften van het verhogen van de vermogensdichtheid, het verminderen van ruimte en het verminderen van de complexiteit van de elektrische architectuur, is het verhogen van het vermogen van een enkele laadmodule een ontwikkelingstrend op de lange termijn. De laadmodules van mijn land hebben drie generaties ontwikkeling doorgemaakt, van de eerste generatie 7,5 kW naar de tweede generatie 15/20 kW, en bevinden zich nu in de overgangsperiode van de tweede generatie naar de derde generatie 30/40 kW. Hoogvermogen laadmodules zijn de mainstream van de markt geworden. Tegelijkertijd is, gebaseerd op het ontwerpprincipe van miniaturisatie, de vermogensdichtheid van laadmodules ook gelijktijdig toegenomen met de toename van het vermogensniveau.

Er zijn twee manieren om DC-snelladen met een hoger vermogen te bereiken: de spanning verhogen en de stroom verhogen. De hoogstroomlaadoplossing werd voor het eerst door Tesla toegepast. Het voordeel is dat de kosten van componentoptimalisatie lager zijn, maar een hoge stroom brengt een hoger warmteverlies en hoge eisen voor warmteafvoer met zich mee, en dikkere draden verminderen het gemak en bevorderen in mindere mate. De hoogspanningsoplossing is om de maximale bedrijfsspanning van de laadmodule te verhogen. Het is momenteel een veelgebruikt model door autofabrikanten. Het kan rekening houden met de voordelen van een lager energieverbruik, een langere levensduur van de batterij, een lager gewicht en ruimtebesparing. De hoogspanningsoplossing vereist dat elektrische voertuigen worden uitgerust met een hoogspanningsplatform ter ondersteuning van snellaadtoepassingen. Momenteel is de snellaadoplossing die veel wordt gebruikt door autobedrijven het 400V-hoogspanningsplatform. Met het onderzoek en de toepassing van het 800V-spanningsplatform zal het spanningsniveau van de laadmodule verder worden verbeterd.

Verbetering van de conversie-efficiëntie is een technische indicator die laadmodules altijd nastreven. Verbetering van de conversie-efficiëntie betekent een hogere laadefficiëntie en lagere verliezen. Momenteel ligt de maximale piekefficiëntie van laadmodules over het algemeen tussen de 95% en 96%. In de toekomst, met de ontwikkeling van elektronische componenten zoals derde-generatie vermogenscomponenten en de uitgangsspanning van laadmodules die richting 800 V of zelfs 1000 V gaat, zal de conversie-efficiëntie verder worden verbeterd.

(3) De waarde van EV-laadmodules neemt toe

De laadmodule is de kerncomponent van de DC-laadpaal en is goed voor ongeveer 50% van de hardwarekosten van de laadpaal. De verbetering van de laadefficiëntie in de toekomst hangt voornamelijk af van de prestatieverbetering van de laadmodules. Enerzijds zullen meer parallel geschakelde laadmodules de waarde van de laadmodule direct verhogen; anderzijds hangt de verbetering van het vermogensniveau en de vermogensdichtheid van de afzonderlijke laadmodule af van het geoptimaliseerde ontwerp van hardwarecircuits en besturingssoftware, evenals de technologie van de belangrijkste componenten. Doorbraken, dit zijn sleuteltechnologieën voor het verbeteren van het vermogen van de gehele laadpaal, wat de waarde van de laadmodule verder zal verhogen.

6. Technische barrières in de EV-laadmodule-industrie

Voedingstechnologie is een interdisciplinair vakgebied dat circuittopologietechnologie, digitale technologie, magnetische technologie, componenttechnologie, halfgeleidertechnologie en thermische ontwerptechnologie integreert. Het is een technologie-intensieve industrie. Als hart van de DC-laadpaal bepaalt de laadmodule direct de laadefficiëntie, operationele stabiliteit, veiligheid en betrouwbaarheid van de laadpaal, en het belang en de waarde ervan zijn buitengewoon. Een product vereist een grote investering in middelen en professionals, van technologisch onderzoek en ontwikkeling tot terminaltoepassingen. De selectie van elektronische componenten en lay-out, upgrade en iteratie van softwarealgoritmen, een nauwkeurig begrip van toepassingsscenario's en volwassen kwaliteitscontrole- en testplatformcapaciteiten hebben allemaal invloed op de productkwaliteit en -stabiliteit. Het is moeilijk voor nieuwkomers in de industrie om in korte tijd verschillende technologieën, personeel en toepassingsscenariogegevens te verzamelen en ze hebben hoge technische barrières.