Тенденция развития отрасли новых модулей зарядки транспортных средств на энергии

1. Обзор развития индустрии зарядных модулей

Зарядные модули являются основой зарядных станций постоянного тока для автомобилей на новых источниках энергии. По мере роста уровня проникновения и количества владельцев автомобилей на новых источниках энергии в Китае, спрос на зарядные станции растёт. Зарядка автомобилей на новых источниках энергии подразделяется на медленную зарядку переменным током и быструю зарядку постоянным током. Быстрая зарядка постоянным током характеризуется высоким напряжением, высокой мощностью и высокой скоростью зарядки. Поскольку рынок стремится к повышению эффективности зарядки, масштаб рынка быстрых зарядных станций постоянного тока и зарядных модулей продолжает расширяться.

2. Технический уровень и характеристики отрасли зарядных модулей для электромобилей

В настоящее время отрасль модулей зарядного устройства электромобилей нового поколения обладает такими техническими особенностями, как высокая мощность одного модуля, высокая частота, миниатюризация, высокая эффективность преобразования и широкий диапазон напряжения.

Что касается мощности отдельных модулей, в 2014 году в отрасли зарядных модулей для зарядных станций новой энергии основной разработкой стали модули мощностью 7,5 кВт, в 2015 году – модули постоянного тока 20 А и 15 кВт, а в 2016 году – модули постоянной мощности 25 А и 15 кВт. В настоящее время основными являются зарядные модули мощностью 20 кВт и 30 кВт. Предлагаются решения с одним модулем и переход на решения с одним модулем для зарядных станций новой энергии мощностью 40 кВт. Зарядные модули высокой мощности стали перспективной тенденцией развития рынка.

Что касается выходного напряжения, State Grid выпустила версию 2017 года «Стандартов проверки квалификации и возможностей поставщиков оборудования для зарядки электромобилей», в которой указано, что диапазон выходного напряжения зарядных устройств постоянного тока составляет 200–750 В, а постоянное напряжение охватывает как минимум диапазоны 400–500 В и 600–750 В. Поэтому все производители модулей, как правило, проектируют модули для 200–750 В и соответствуют требованиям по постоянной мощности. С увеличением запаса хода электромобилей и потребностью пользователей новых видов транспорта в сокращении времени зарядки, отрасль предложила архитектуру сверхбыстрой зарядки 800 В, и некоторые компании реализовали поставку модулей зарядки постоянного тока с широким диапазоном выходного напряжения 200–1000 В.

В условиях повышения частоты и миниатюризации зарядных модулей мощность одномашинных модулей новых источников питания зарядных станций возросла, но их объём невозможно увеличить пропорционально. Поэтому повышение частоты коммутации и интеграция магнитных компонентов стали важными способами повышения плотности мощности.

Что касается эффективности зарядных модулей, крупнейшие компании, работающие в отрасли новых зарядных модулей, обычно демонстрируют максимальный пиковый КПД 95–96%. В будущем, с развитием электронных компонентов, таких как силовые устройства третьего поколения, и популяризацией электромобилей с напряжением 800 В и выше, ожидается, что отрасль выйдет на рынок с пиковым КПД более 98%.

Увеличение плотности мощности зарядных модулей также приводит к усугублению проблем с рассеиванием тепла. Что касается рассеивания тепла зарядных модулей, в настоящее время основным методом рассеивания тепла в отрасли является принудительное воздушное охлаждение, а также существуют такие методы, как закрытые воздуховоды и водяное охлаждение. Воздушное охлаждение обладает преимуществами низкой стоимости и простоты конструкции. Однако по мере дальнейшего повышения давления рассеивания тепла недостатки воздушного охлаждения, такие как ограниченная теплоотдача и высокий уровень шума, становятся всё более очевидными. Оснащение зарядного модуля и линии пистолетов жидкостным охлаждением стало одним из основных технических решений.

3. Технический прогресс ускоряет развитие возможностей проникновения новой энергетической отрасли.

В последние годы технологии в сфере новой энергетики продолжают развиваться и достигать прорывных результатов, а рост уровня проникновения способствовал непрерывному развитию индустрии зарядных модулей. Значительное увеличение плотности энергии аккумуляторов решило проблему недостаточного запаса хода автомобилей на новых источниках энергии, а применение мощных зарядных модулей значительно сократило время зарядки, тем самым ускоряя распространение автомобилей на новых источниках энергии и строительство опорных зарядных станций. В будущем ожидается, что интеграция и углубление применения таких технологий, как оптическая интеграция накопителей и зарядных устройств, а также интеграция транспортных сетей V2G, еще больше ускорит проникновение новых источников энергии и популяризацию потребления.

4. Конкурентная среда отрасли: Отрасль зарядных модулей является полностью конкурентной, а рыночное пространство для продукции велико.

Зарядный модуль является основным компонентом зарядных станций постоянного тока. С ростом проникновения новых видов транспорта по всему миру потребители все больше беспокоятся о дальности и удобстве зарядки. Рыночный спрос на зарядные станции для быстрой зарядки постоянным током резко возрос, и внутренний рынок эксплуатации зарядных станций вырос с 1990 года. На начальном этапе основным фактором диверсификации развития была государственная электросетевая компания. Быстро появился ряд операторов, обладающих как производственными, так и эксплуатационными возможностями для зарядных станций. Отечественные производители зарядных модулей продолжали расширять масштабы производства и продаж для строительства опорных зарядных станций, а их комплексная конкурентоспособность продолжала укрепляться.

В настоящее время, после многих лет разработки и усовершенствования продукции зарядных модулей, конкуренция в отрасли достаточно высока. Основные продукты развиваются в направлении высокого напряжения и высокой плотности мощности, а рыночное пространство для них обширно. Предприятия отрасли добиваются увеличения доли рынка и уровня прибыли, в основном, за счёт постоянного совершенствования топологии продукции, алгоритмов управления, оптимизации аппаратного обеспечения и производственных систем и т. д.

5. Тенденции развития модулей зарядки электромобилей

Поскольку зарядные модули создают огромный спрос на рынке, технологии продолжают развиваться в направлении высокой плотности мощности, широкого диапазона напряжения и высокой эффективности преобразования.

1) Переход от политики к спросу

В целях поддержки и стимулирования развития транспортных средств на новых источниках энергии, строительство зарядных станций на начальном этапе осуществлялось преимущественно правительством, которое постепенно направляло развитие отрасли в сторону эндогенной модели стимулирования посредством мер политической поддержки. С 2021 года стремительное развитие транспортных средств на новых источниках энергии предъявляет огромные требования к строительству вспомогательных объектов и зарядных станций. Индустрия зарядных станций завершает переход от политики, ориентированной на спрос.

В связи с ростом числа новых электромобилей, помимо увеличения плотности размещения зарядных станций, необходимо и дальше сокращать время зарядки. Зарядные станции постоянного тока обеспечивают более высокую скорость и более короткое время зарядки, что больше подходит для временной и экстренной зарядки электромобилей и может эффективно решить проблемы, связанные с недостатком запаса хода и зарядкой электромобиля. Поэтому в последние годы рынок быстрой зарядки постоянным током на новых зарядных станциях, особенно общественных, стремительно растёт и становится основной тенденцией во многих крупных городах Китая.

Подводя итог, с одной стороны, по мере роста числа автомобилей на новых источниках энергии, необходимо постоянно совершенствовать опорную конструкцию зарядных станций. С другой стороны, пользователи электромобилей, как правило, стремятся к быстрой зарядке постоянным током. Зарядные станции постоянного тока стали основным трендом, и зарядные модули также стали пользоваться спросом. На этом этапе развития тяга становится основной движущей силой.

(2) Высокая плотность мощности, широкий диапазон напряжений, высокая эффективность преобразования

Так называемая быстрая зарядка означает высокую мощность зарядки. Поэтому в условиях растущего спроса на быструю зарядку зарядные модули продолжают развиваться в направлении высокой мощности. Высокая мощность зарядной батареи достигается двумя способами. Один из них — параллельное соединение нескольких зарядных модулей для достижения суперпозиции мощности; другой — увеличение единичной мощности зарядного модуля. Исходя из технических потребностей в увеличении плотности мощности, уменьшении пространства и снижении сложности электрической архитектуры, увеличение мощности одного зарядного модуля является долгосрочной тенденцией развития. Зарядные модули моей страны прошли три поколения развития: от первого поколения 7,5 кВт до второго поколения 15/20 кВт, и в настоящее время находятся в периоде перехода от второго поколения к третьему поколению 30/40 кВт. Зарядные модули высокой мощности стали мейнстримом рынка. В то же время, основываясь на принципе миниатюризации конструкции, плотность мощности зарядных модулей также увеличилась одновременно с ростом уровня мощности.

Существует два пути достижения более высокого уровня мощности быстрой зарядки постоянным током: повышение напряжения и увеличение тока. Решение для высоковольтной зарядки было впервые принято Tesla. Преимущество заключается в том, что стоимость оптимизации компонентов ниже, но высокий ток приведет к более высоким потерям тепла и высоким требованиям к рассеиванию тепла, а более толстые провода уменьшают удобство и способствуют в меньшей степени. Высоковольтное решение заключается в увеличении максимального рабочего напряжения зарядного модуля. В настоящее время это широко используемая модель автопроизводителями. Она может учитывать преимущества снижения энергопотребления, увеличения срока службы батареи, снижения веса и экономии места. Высоковольтное решение требует, чтобы электромобили были оснащены высоковольтной платформой для поддержки приложений быстрой зарядки. В настоящее время решение для быстрой зарядки, обычно используемое автомобильными компаниями, представляет собой высоковольтную платформу 400 В. С исследованием и применением платформы напряжением 800 В уровень напряжения зарядного модуля будет дополнительно улучшен.

Повышение эффективности преобразования — технический показатель, к которому всегда стремятся зарядные модули. Повышение эффективности преобразования означает более высокую эффективность зарядки и снижение потерь. В настоящее время максимальный пиковый КПД зарядных модулей обычно составляет 95–96%. В будущем, с развитием электронных компонентов, таких как силовые устройства третьего поколения, и повышением выходного напряжения зарядных модулей до 800 или даже 1000 В, эффективность преобразования будет ещё больше повышаться.

(3) Ценность модулей зарядки электромобилей увеличивается

Зарядный модуль является основным компонентом зарядной станции постоянного тока, на его долю приходится около 50% стоимости оборудования. Повышение эффективности зарядки в будущем главным образом зависит от повышения производительности зарядных модулей. С одной стороны, параллельное подключение большего количества зарядных модулей напрямую увеличит стоимость зарядного модуля; с другой стороны, повышение уровня мощности и удельной мощности отдельного зарядного модуля зависит от оптимизированной конструкции аппаратных схем и программного обеспечения управления, а также от технологии ключевых компонентов. Прорывы – это ключевые технологии для повышения мощности всей зарядной станции, что еще больше увеличит стоимость зарядного модуля.

6. Технические барьеры в отрасли модулей зарядки электромобилей

Технология электропитания является междисциплинарной дисциплиной, которая объединяет технологию топологии схем, цифровые технологии, магнитные технологии, компонентные технологии, полупроводниковые технологии и технологию теплового проектирования. Это высокотехнологичная отрасль. Являясь сердцем зарядного блока постоянного тока, зарядный модуль напрямую определяет эффективность зарядки, стабильность работы, безопасность и надежность зарядного блока, и его важность и ценность выдающиеся. Продукт требует больших вложений ресурсов и специалистов от технологических исследований и разработок до терминального применения. Как выбрать электронные компоненты и компоновку, обновление и итерация алгоритма программного обеспечения, точное понимание сценариев применения и зрелые возможности платформы контроля качества и тестирования будут влиять на качество и стабильность продукта. Новым участникам отрасли сложно накопить различные технологии, персонал и данные о сценариях применения за короткий период времени, и у них высокие технические барьеры.