Ontwikkelingsmogelijkheden en trends in de industrie voor laadmodules voor nieuwe energievoertuigen

1. Overzicht van de ontwikkeling van de laadmodule-industrie

Laadmodules vormen de kern van DC-laadpalen voor elektrische voertuigen. Naarmate het aantal elektrische voertuigen in China toeneemt en het aantal eigenaren ervan groeit, neemt ook de vraag naar laadpalen toe. Het opladen van elektrische voertuigen is onderverdeeld in AC-langzaam laden en DC-snelladen. DC-snelladen kenmerkt zich door een hoge spanning, een hoog vermogen en een snelle laadsnelheid. Door de toenemende focus op laadefficiëntie groeit de markt voor DC-snellaadpalen en laadmodules gestaag.

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

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

Wat betreft het vermogen per module, heeft de markt voor laadmodules voor nieuwe energiepalen de volgende ontwikkelingen doorgemaakt: 7,5 kW in 2014, constante stroom 20A en 15 kW in 2015, en constant vermogen 25A en 15 kW in 2016. De huidige meest gebruikte laadmodules hebben een vermogen van 20 kW en 30 kW. Er zijn zowel oplossingen met één module als oplossingen voor de ombouw naar 40 kW voor de voeding van laadpalen met één module. Laadmodules met een hoog vermogen worden gezien als een belangrijke ontwikkelingstrend voor de toekomst.

Wat de uitgangsspanning betreft, heeft State Grid in de versie van 2017 van de "Qualification and Ability Verification Standards for Electric Vehicle Charging Equipment Suppliers" vastgelegd dat het uitgangsspanningsbereik van DC-laders 200-750V moet zijn, en dat de constante vermogensspanning ten minste 400-500V en 600-750V moet omvatten. Daarom ontwerpen alle modulefabrikanten over het algemeen modules voor 200-750V en voldoen ze aan de eisen voor constante vermogensspanning. Met de toename van de actieradius van elektrische voertuigen en de vraag van gebruikers van nieuwe energievoertuigen naar kortere laadtijden, heeft de industrie een supersnelle laadarchitectuur van 800V voorgesteld, en sommige bedrijven hebben DC-laadmodules met een breed uitgangsspanningsbereik van 200-1000V op de markt gebracht.

Wat betreft de hoge frequentie en miniaturisatie van laadmodules, is het vermogen van de afzonderlijke modules van de voedingen voor nieuwe energiepalen weliswaar toegenomen, maar het volume ervan kan niet evenredig toenemen. 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 sector van laadmodules voor nieuwe energiecentrales over het algemeen een maximale piekefficiëntie van 95% tot 96%. In de toekomst, met de ontwikkeling van elektronische componenten zoals derde generatie vermogensapparaten en de popularisering van elektrische voertuigen met een hoogspanningsplatform van 800V of zelfs hoger, wordt verwacht dat de industrie producten zal introduceren met een piekefficiëntie van meer dan 98%.

Naarmate de vermogensdichtheid van laadmodules toeneemt, ontstaan ​​er ook grotere problemen met de warmteafvoer. De meest gebruikte methode in de industrie voor warmteafvoer van laadmodules is momenteel geforceerde luchtkoeling. Daarnaast zijn er methoden zoals gesloten koelkanalen en waterkoeling. Luchtkoeling heeft als voordelen de lage kosten en de eenvoudige constructie. Echter, naarmate de warmteafvoer verder toeneemt, worden de nadelen van luchtkoeling, zoals de beperkte warmteafvoercapaciteit en het hoge geluidsniveau, steeds duidelijker. Het uitrusten van de laadmodule en de laadlijn met vloeistofkoeling is daarom een ​​belangrijke technische oplossing geworden.

3. Technologische vooruitgang versnelt de ontwikkelingsmogelijkheden voor de penetratie van de nieuwe energie-industrie.

De afgelopen jaren heeft de technologie in de nieuwe energiesector voortdurende vooruitgang geboekt en doorbraken gerealiseerd. De toename van het gebruik van elektrische voertuigen heeft de continue ontwikkeling van de upstream-industrie voor laadmodules gestimuleerd. De aanzienlijke toename van de energiedichtheid van batterijen heeft het probleem van de onvoldoende actieradius van elektrische voertuigen opgelost, en de toepassing van krachtige laadmodules heeft de laadtijd aanzienlijk verkort. Dit heeft de penetratie van elektrische voertuigen en de bouw van bijbehorende laadpalen versneld. In de toekomst zal de integratie en verdere toepassing van technologieën zoals optische opslag en laadintegratie, en V2G-voertuignetwerkintegratie naar verwachting de penetratie van de nieuwe energiesector en de popularisering van het gebruik ervan verder versnellen.

4. Concurrentielandschap in de sector: De laadmodule-industrie is volledig concurrerend en de productmarkt biedt veel ruimte.

De laadmodule is de kerncomponent van DC-laadpalen. Met de toenemende penetratie van elektrische voertuigen wereldwijd, maken consumenten zich steeds meer zorgen over de actieradius en het laadgemak. De marktvraag naar DC-snellaadpalen is explosief gestegen en de binnenlandse markt voor laadpaalbeheer is sterk gegroeid. Aanvankelijk was State Grid de belangrijkste drijvende kracht achter deze gediversifieerde ontwikkeling. Een aantal maatschappelijk georiënteerde bedrijven met zowel productie- als exploitatiemogelijkheden voor laadpaalapparatuur is snel opgekomen. Binnenlandse fabrikanten van laadmodules hebben hun productie- en verkoopomvang voor de bouw van ondersteunende laadpalen verder uitgebreid, waardoor hun concurrentiepositie steeds sterker is geworden.

Momenteel is er, na jaren van productontwikkeling en iteratie van laadmodules, voldoende concurrentie in de sector. De gangbare producten ontwikkelen zich in de richting van hoge spanning en hoge vermogensdichtheid, en de markt voor deze producten biedt veel ruimte. Bedrijven in de sector behalen voornamelijk een groter marktaandeel en hogere winstmarges door continu de producttopologie, besturingsalgoritmes, hardware- en productiesystemen te verbeteren.

5. Ontwikkelingstrends van EV-laadmodules

Naarmate de marktvraag naar laadmodules enorm toeneemt, blijft de technologie zich ontwikkelen richting een hogere vermogensdichtheid, een breed spanningsbereik en een hoog conversierendement.

1) Beleidsgestuurde verschuiving naar vraaggestuurde verschuiving

Om de ontwikkeling van elektrische voertuigen te ondersteunen en te bevorderen, werd de aanleg van laadpalen in de beginfase voornamelijk door de overheid aangestuurd. Vervolgens werd de ontwikkeling van de sector geleidelijk aan, via beleidssteun, naar een endogeen aandrijfmodel gestuurd. Sinds 2021 heeft de snelle ontwikkeling van elektrische voertuigen een enorme vraag gecreëerd naar de benodigde faciliteiten en laadpalen. De laadpaalsector bevindt zich momenteel in de transformatie van een door beleid gestuurd naar een vraaggestuurd model.

Gezien het toenemende aantal elektrische voertuigen, is het, naast het verhogen van de dichtheid van laadpalen, noodzakelijk om de laadtijd verder te verkorten. DC-laadpalen bieden snellere laadsnelheden en kortere laadtijden, wat beter aansluit bij de tijdelijke en noodlaadbehoeften van gebruikers van elektrische voertuigen en effectief een oplossing biedt voor de problemen van actieradiusangst en laadstress. Daarom is de markt voor DC-snelladen in nieuw gebouwde laadpalen, met name openbare laadpalen, de afgelopen jaren snel gegroeid en uitgegroeid tot een gangbare trend in veel grote steden in China.

Samenvattend: enerzijds moet de infrastructuur van laadpalen voortdurend worden verbeterd naarmate het aantal elektrische voertuigen blijft groeien. Anderzijds geven gebruikers van elektrische voertuigen over het algemeen de voorkeur aan snelladen met gelijkstroom (DC). DC-laadpalen zijn de gangbare trend geworden en er is ook steeds meer vraag naar laadmodules. De vraag is de belangrijkste drijvende kracht achter deze ontwikkeling.

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

Het zogenaamde snelladen betekent een hoog laadvermogen. Daarom blijven laadmodules, onder de groeiende vraag naar snelladen, zich ontwikkelen in de richting van een hoger vermogen. Het hoge vermogen van een laadpaal kan op twee manieren worden bereikt. De ene is door meerdere laadmodules parallel te schakelen voor vermogenssuperpositie; de ​​andere is door het vermogen van een enkele laadmodule te verhogen. Gebaseerd op de technische behoeften van een hogere vermogensdichtheid, een kleinere ruimte en een minder complexe elektrische architectuur, is het verhogen van het vermogen van een enkele laadmodule een langetermijnontwikkeling. De laadmodules in ons land hebben drie generaties ontwikkeling doorlopen, van de eerste generatie van 7,5 kW naar de tweede generatie van 15/20 kW, en bevinden zich nu in de overgangsfase van de tweede naar de derde generatie van 30/40 kW. Laadmodules met een hoog vermogen zijn de norm geworden op de markt. Tegelijkertijd is, gebaseerd op het ontwerpprincipe van miniaturisatie, de vermogensdichtheid van laadmodules ook toegenomen, parallel aan de toename van het vermogen.

Er zijn twee manieren om snelladen met gelijkstroom (DC) met een hoger vermogen te realiseren: het verhogen van de spanning en het verhogen van de stroomsterkte. De oplossing met hoge stroomsterkte werd als eerste door Tesla toegepast. Het voordeel hiervan is dat de kosten voor componentoptimalisatie lager zijn, maar een hogere stroomsterkte leidt tot meer warmteverlies en stelt hogere eisen aan de warmteafvoer. Bovendien verminderen de dikkere kabels het gebruiksgemak en bevorderen ze de laadprestaties in mindere mate. De oplossing met hoge spanning houdt in dat de maximale bedrijfsspanning van de laadmodule wordt verhoogd. Dit is momenteel een veelgebruikt model door autofabrikanten. Het biedt voordelen zoals een lager energieverbruik, een langere levensduur van de batterij, gewichtsbesparing en ruimtebesparing. De oplossing met hoge spanning vereist dat elektrische voertuigen zijn uitgerust met een platform met hoge spanning om snelladen te ondersteunen. Momenteel gebruiken autofabrikanten doorgaans een platform met 400V-hoogspanning. Met de ontwikkeling en toepassing van een platform met 800V-hoogspanning zal het spanningsniveau van de laadmodule verder worden verbeterd.

De verbetering van de conversie-efficiëntie is een technische indicator waar laadmodules voortdurend naar streven. Een hogere conversie-efficiëntie betekent een hogere laadefficiëntie en lagere verliezen. Momenteel ligt de maximale piek-efficiëntie van laadmodules over het algemeen tussen de 95% en 96%. In de toekomst, met de ontwikkeling van elektronische componenten zoals de derde generatie vermogenscomponenten en de oplopende uitgangsspanning van laadmodules richting 800V of zelfs 1000V, zal de conversie-efficiëntie verder verbeteren.

(3) De waarde van ev-laadmodules neemt toe

De laadmodule is de kerncomponent van het DC-laadstation en vertegenwoordigt ongeveer 50% van de hardwarekosten van het laadstation. De verbetering van de laadefficiëntie in de toekomst hangt voornamelijk af van de prestatieverbetering van de laadmodules. Enerzijds zal het parallel schakelen van meer laadmodules de waarde van de laadmodule direct verhogen; anderzijds hangt de verbetering van het vermogensniveau en de vermogensdichtheid van de individuele laadmodule af van het geoptimaliseerde ontwerp van de hardwarecircuits en de besturingssoftware, evenals de technologie van de belangrijkste componenten. Doorbraken in deze technologieën zijn cruciaal voor het verbeteren van het vermogen van het gehele laadstation, wat de waarde van de laadmodule verder zal verhogen.

6. Technische belemmeringen in de industrie van laadmodules voor elektrische voertuigen

Voedingstechnologie is een interdisciplinair vakgebied dat circuittopologie, digitale technologie, magnetische technologie, componenttechnologie, halfgeleidertechnologie en thermisch ontwerp integreert. Het is een technologie-intensieve industrie. Als het hart van de DC-laadpaal bepaalt de laadmodule direct de laadefficiëntie, operationele stabiliteit, veiligheid en betrouwbaarheid van de laadpaal, en is daarom van groot belang. De ontwikkeling van een product vereist een grote investering in middelen en professionals, van technologisch onderzoek en ontwikkeling tot de uiteindelijke toepassing. De selectie van elektronische componenten en de lay-out, de upgrade en iteratie van softwarealgoritmes, een nauwkeurig begrip van toepassingsscenario's en een volwaardig kwaliteitscontrole- en testplatform hebben allemaal een directe impact op de productkwaliteit en -stabiliteit. Het is voor nieuwkomers in de industrie moeilijk om in korte tijd diverse technologieën, personeel en gegevens over toepassingsscenario's te vergaren, en ze ondervinden hoge technische drempels.