Tendência de oportunidades de desenvolvimento da indústria de módulos de carregamento para veículos de nova energia

1. Visão geral do desenvolvimento da indústria de módulos de carregamento

Os módulos de carregamento são o núcleo dos pontos de carregamento CC para veículos de novas energias. Com o aumento da penetração e da posse de veículos de novas energias na China, a demanda por pontos de carregamento também cresce. O carregamento de veículos de novas energias divide-se em carregamento CA lento e carregamento CC rápido. O carregamento CC rápido caracteriza-se por alta tensão, alta potência e velocidade de carregamento. À medida que o mercado busca maior eficiência no carregamento, a escala de mercado dos pontos de carregamento CC rápido e dos módulos de carregamento continua a expandir-se.

2. Nível técnico e características da indústria de módulos de carregamento de veículos elétricos

A nova indústria de módulos de carregamento para veículos elétricos (VE) apresenta atualmente características técnicas como alta potência em módulo único, alta frequência, miniaturização, alta eficiência de conversão e ampla faixa de tensão.

Em termos de potência de módulo único, a indústria de módulos de carregamento para estações de recarga de nova energia vivenciou o desenvolvimento de produtos de 7,5 kW em 2014, corrente constante de 20 A e 15 kW em 2015 e potência constante de 25 A e 15 kW em 2016. Os módulos de carregamento mais utilizados atualmente são de 20 kW e 30 kW. Há também soluções de módulo único e conversão para soluções de alimentação de energia de 40 kW para estações de recarga de nova energia. Módulos de carregamento de alta potência se tornaram uma tendência de desenvolvimento de mercado para o futuro.

Em termos de tensão de saída, a State Grid publicou a versão de 2017 das “Normas de Qualificação e Verificação de Capacidade para Fornecedores de Equipamentos de Carregamento de Veículos Elétricos”, estabelecendo que a faixa de tensão de saída dos carregadores CC é de 200 a 750 V, e a tensão de potência constante abrange pelo menos as faixas de 400 a 500 V e de 600 a 750 V. Portanto, todos os fabricantes de módulos geralmente projetam módulos para 200 a 750 V e atendem aos requisitos de potência constante. Com o aumento da autonomia dos veículos elétricos e a demanda dos usuários de veículos de nova energia por redução do tempo de carregamento, a indústria propôs uma arquitetura de carregamento super-rápido de 800 V, e algumas empresas já disponibilizam módulos de carregamento CC com uma ampla faixa de tensão de saída de 200 a 1000 V.

Em termos de alta frequência e miniaturização dos módulos de carregamento, a potência dos módulos de máquina única das fontes de alimentação para sistemas de recarga de novas energias aumentou, mas seu volume não pode ser expandido proporcionalmente. Portanto, aumentar a frequência de comutação e integrar componentes magnéticos tornaram-se meios importantes para aumentar a densidade de potência.

Em termos de eficiência de módulos de carregamento, as principais empresas do setor de módulos de carregamento para novas energias geralmente apresentam uma eficiência máxima de 95% a 96%. No futuro, com o desenvolvimento de componentes eletrônicos, como dispositivos de potência de terceira geração, e a popularização de veículos elétricos com plataformas de alta tensão de 800V ou até mais, espera-se que o setor lance produtos com eficiência máxima superior a 98%.

Com o aumento da densidade de potência dos módulos de carregamento, surgem também maiores problemas de dissipação de calor. Atualmente, o método mais utilizado na indústria para dissipar o calor dos módulos de carregamento é o resfriamento por ar forçado, embora existam também métodos como dutos de ar frio fechados e resfriamento a água. O resfriamento por ar apresenta as vantagens de baixo custo e estrutura simples. No entanto, à medida que a pressão de dissipação de calor aumenta, as desvantagens da capacidade limitada de dissipação de calor e do alto nível de ruído do resfriamento por ar tornam-se ainda mais evidentes. Equipar o módulo de carregamento e o cabo de alimentação com resfriamento líquido tornou-se uma importante solução.

3. O progresso tecnológico acelera as oportunidades de desenvolvimento para a penetração de novas indústrias de energia.

Nos últimos anos, a tecnologia da indústria de novas energias tem apresentado avanços e descobertas significativas, e o aumento da taxa de penetração tem impulsionado o desenvolvimento contínuo da indústria de módulos de carregamento. O aumento considerável na densidade energética das baterias resolveu o problema da autonomia insuficiente dos veículos de novas energias, e a aplicação de módulos de carregamento de alta potência reduziu significativamente o tempo de carregamento, acelerando assim a penetração desses veículos e a construção de infraestrutura de carregamento. No futuro, espera-se que a integração e o aprofundamento da aplicação de tecnologias como armazenamento óptico e integração de carregamento, bem como a integração da rede veicular V2G (Vehicle-to-Grid), acelerem ainda mais a penetração das indústrias de novas energias e a popularização do consumo.

4. Panorama da concorrência no setor: O setor de módulos de carregamento é altamente competitivo e o mercado de produtos possui um amplo espaço.

O módulo de carregamento é o componente principal dos pontos de carregamento DC. Com o aumento da penetração de veículos de novas energias em todo o mundo, os consumidores estão cada vez mais preocupados com a autonomia e a conveniência do carregamento. A demanda por pontos de carregamento DC de carregamento rápido explodiu, e o mercado doméstico de operação de pontos de carregamento cresceu exponencialmente. Inicialmente, a State Grid era a principal força motriz por trás do desenvolvimento diversificado. Diversas empresas privadas com capacidade tanto para fabricação quanto para operação de pontos de carregamento surgiram rapidamente. Os fabricantes nacionais de módulos de carregamento continuaram a expandir sua produção e escala de vendas para a construção de pontos de carregamento de suporte, e sua competitividade geral continuou a se fortalecer.

Atualmente, após anos de iteração e desenvolvimento de módulos de carregamento, a concorrência no setor é acirrada. Os principais produtos estão se desenvolvendo na direção de alta tensão e alta densidade de potência, e o mercado para esses produtos é amplo. As empresas do setor obtêm maior participação de mercado e níveis de lucro principalmente por meio da melhoria contínua da topologia do produto, algoritmos de controle, otimização de hardware e sistemas de produção, etc.

5. Tendências de desenvolvimento de módulos de carregamento para veículos elétricos

Com a crescente demanda do mercado por módulos de carregamento, a tecnologia continua a evoluir em direção a alta densidade de potência, ampla faixa de tensão e alta eficiência de conversão.

1) Mudança de paradigma, de políticas públicas para políticas públicas.

Para apoiar e promover o desenvolvimento de veículos de novas energias, a construção de pontos de recarga foi inicialmente liderada pelo governo, que gradualmente direcionou o desenvolvimento do setor para um modelo de condução endógena por meio de políticas de incentivo. Desde 2021, o rápido desenvolvimento de veículos de novas energias impôs uma enorme demanda à construção de infraestrutura de apoio e pontos de recarga. O setor de pontos de recarga está concluindo a transição de um modelo orientado por políticas para um modelo orientado pela demanda.

Diante do crescente número de veículos de novas energias, além de aumentar a densidade de pontos de recarga, o tempo de carregamento precisa ser ainda mais reduzido. Os pontos de recarga em corrente contínua (CC) oferecem velocidades de carregamento mais rápidas e tempos de recarga mais curtos, sendo mais adequados para as necessidades de carregamento temporário e emergencial dos usuários de veículos elétricos, e podem resolver eficazmente os problemas da ansiedade de autonomia e da falta de recarga. Portanto, nos últimos anos, o mercado de carregamento rápido em CC em pontos de recarga recém-construídos, especialmente em pontos de recarga públicos, cresceu rapidamente e se tornou uma tendência dominante em muitas cidades importantes da China.

Em resumo, por um lado, com o crescente número de veículos de novas energias, a infraestrutura de carregamento precisa ser constantemente aprimorada. Por outro lado, os usuários de veículos elétricos geralmente buscam o carregamento rápido em corrente contínua (CC). Os pontos de carregamento em CC tornaram-se a principal tendência, e os módulos de carregamento também passaram a ser demandados. Esta é uma fase de desenvolvimento em que a demanda é a principal força motriz.

(2) Alta densidade de potência, ampla faixa de tensão, alta eficiência de conversão

O chamado carregamento rápido significa alta potência de carregamento. Portanto, devido à crescente demanda por carregamento rápido, os módulos de carregamento continuam a evoluir na direção de alta potência. A alta potência do carregador é alcançada de duas maneiras. Uma delas é conectar múltiplos módulos de carregamento em paralelo para obter a superposição de potência; a outra é aumentar a potência individual de cada módulo de carregamento. Com base nas necessidades técnicas de aumentar a densidade de potência, reduzir o espaço e simplificar a arquitetura elétrica, o aumento da potência de um único módulo de carregamento é uma tendência de desenvolvimento de longo prazo. Os módulos de carregamento no Brasil passaram por três gerações de desenvolvimento, da primeira geração de 7,5 kW para a segunda geração de 15/20 kW, e agora estão no período de transição da segunda para a terceira geração de 30/40 kW. Os módulos de carregamento de alta potência se tornaram a principal tecnologia do mercado. Ao mesmo tempo, com base no princípio de miniaturização, a densidade de potência dos módulos de carregamento também aumentou simultaneamente com o aumento da potência.

Existem dois caminhos para alcançar um carregamento rápido em corrente contínua (CC) de maior potência: aumentar a tensão e aumentar a corrente. A solução de carregamento de alta corrente foi adotada inicialmente pela Tesla. A vantagem reside no menor custo de otimização dos componentes, porém, a alta corrente acarreta maior perda de calor e maiores exigências para a dissipação térmica, além de fios mais grossos reduzirem a praticidade e a eficiência. A solução de alta tensão consiste em aumentar a tensão máxima de operação do módulo de carregamento. Atualmente, este é o modelo mais utilizado pelas montadoras. Ele permite aproveitar as vantagens de reduzir o consumo de energia, prolongar a vida útil da bateria, reduzir o peso e economizar espaço. A solução de alta tensão exige que os veículos elétricos sejam equipados com uma plataforma de alta tensão para suportar aplicações de carregamento rápido. Atualmente, a solução de carregamento rápido mais utilizada pelas montadoras é a plataforma de alta tensão de 400V. Com a pesquisa e aplicação da plataforma de 800V, o nível de tensão do módulo de carregamento poderá ser ainda mais aprimorado.

A melhoria da eficiência de conversão é um indicador técnico que os módulos de carregamento buscam constantemente. A melhoria da eficiência de conversão significa maior eficiência de carregamento e menores perdas. Atualmente, a eficiência máxima dos módulos de carregamento geralmente varia entre 95% e 96%. No futuro, com o desenvolvimento de componentes eletrônicos, como dispositivos de potência de terceira geração, e com a tensão de saída dos módulos de carregamento se aproximando de 800 V ou até mesmo 1000 V, a eficiência de conversão será ainda maior.

(3) O valor dos módulos de carregamento de veículos elétricos aumenta

O módulo de carregamento é o componente principal da estação de carregamento CC, representando cerca de 50% do custo total do hardware. A melhoria da eficiência de carregamento no futuro depende principalmente da melhoria do desempenho dos módulos de carregamento. Por um lado, a conexão de mais módulos de carregamento em paralelo aumentará diretamente o valor do módulo; por outro lado, a melhoria do nível de potência e da densidade de potência de um único módulo depende do projeto otimizado dos circuitos de hardware e do software de controle, bem como da tecnologia dos componentes-chave. Esses são avanços tecnológicos essenciais para melhorar a potência de toda a estação de carregamento, o que aumentará ainda mais o valor do módulo de carregamento.

6. Barreiras técnicas na indústria de módulos de carregamento de energia para veículos elétricos

A tecnologia de fontes de alimentação é uma área interdisciplinar que integra topologia de circuitos, tecnologia digital, tecnologia magnética, tecnologia de componentes, tecnologia de semicondutores e tecnologia de projeto térmico. Trata-se de uma indústria de alta tecnologia. Como o coração de um carregador CC, o módulo de carregamento determina diretamente a eficiência, a estabilidade operacional, a segurança e a confiabilidade do carregador, sendo sua importância e valor inestimáveis. Um produto requer um grande investimento em recursos e profissionais, desde a pesquisa e desenvolvimento tecnológico até a aplicação final. A seleção de componentes eletrônicos e o layout, a atualização e iteração de algoritmos de software, a compreensão precisa dos cenários de aplicação e a maturidade das plataformas de controle de qualidade e teste impactam diretamente a qualidade e a estabilidade do produto. Para novos entrantes na indústria, é difícil acumular diversas tecnologias, pessoal e dados sobre cenários de aplicação em um curto período, o que representa uma grande barreira técnica.