Тенденции развития отрасли модулей зарядки электромобилей

1. Обзор развития отрасли зарядных модулей.

Зарядные модули являются основой зарядных станций постоянного тока для электромобилей. По мере роста доли электромобилей в Китае и увеличения числа владельцев электромобилей, спрос на зарядные станции растет. Зарядка электромобилей делится на медленную зарядку переменным током и быструю зарядку постоянным током. Быстрая зарядка постоянным током характеризуется высоким напряжением, высокой мощностью и быстротой зарядки. Поскольку рынок стремится к повышению эффективности зарядки, масштабы рынка зарядных станций и модулей для быстрой зарядки постоянным током продолжают расширяться.

2. Технический уровень и особенности отрасли производства модулей для зарядки электромобилей.

В настоящее время отрасль производства модулей для зарядки электромобилей обладает такими техническими характеристиками, как высокая мощность одного модуля, высокая частота, миниатюризация, высокая эффективность преобразования и широкий диапазон напряжений.

Что касается мощности отдельных модулей, то в отрасли производства зарядных модулей для новых энергетических установок в 2014 году наблюдалось развитие основных моделей мощностью 7,5 кВт, в 2015 году — с постоянным током 20 А и 15 кВт, а в 2016 году — с постоянной мощностью 25 А и 15 кВт. В настоящее время наиболее распространены зарядные модули мощностью 20 кВт и 30 кВт. Одномодульные решения и переход на мощность 40 кВт обеспечивают электропитание для новых энергетических установок. Мощные зарядные модули станут тенденцией развития рынка в будущем.

Что касается выходного напряжения, то Государственная электросетевая компания выпустила в 2017 году «Стандарты квалификации и проверки возможностей поставщиков оборудования для зарядки электромобилей», в которых указано, что диапазон выходного напряжения зарядных устройств постоянного тока составляет 200-750 В, а напряжение постоянной мощности охватывает как минимум диапазоны 400-500 В и 600-750 В. Поэтому все производители модулей, как правило, проектируют модули для напряжения 200-750 В и соответствуют требованиям к напряжению постоянной мощности. С увеличением дальности хода электромобилей и потребностью пользователей электромобилей в сокращении времени зарядки, отрасль предложила архитектуру сверхбыстрой зарядки на 800 В, и некоторые компании уже осуществили поставку зарядных модулей постоянного тока с широким диапазоном выходного напряжения 200-1000 В.

В контексте высокочастотных и миниатюрных зарядных модулей мощность отдельных модулей источников питания для новых энергетических установок возросла, однако их объем не может быть увеличен пропорционально. Поэтому увеличение частоты переключения и интеграция магнитных компонентов стали важными средствами повышения удельной мощности.

Что касается эффективности зарядных модулей, то ведущие компании в отрасли производства зарядных устройств для электростанций обычно достигают максимальной пиковой эффективности в 95–96%. В будущем, с развитием электронных компонентов, таких как силовые устройства третьего поколения, и популяризацией электромобилей с высоковольтной платформой, рассчитанной на напряжение 800 В и выше, ожидается появление в отрасли продукции с пиковой эффективностью более 98%.

По мере увеличения удельной мощности зарядных модулей возникают и проблемы с отводом тепла. В настоящее время основным методом отвода тепла от зарядных модулей является принудительное воздушное охлаждение, также используются закрытые воздуховоды и водяное охлаждение. Воздушное охлаждение имеет преимущества низкой стоимости и простой конструкции. Однако по мере дальнейшего увеличения давления теплоотвода недостатки воздушного охлаждения, такие как ограниченная теплоотдача и высокий уровень шума, становятся всё более очевидными. Оснащение зарядных модулей и линий подачи топлива жидкостным охлаждением стало одним из основных технических решений.

3. Технологический прогресс ускоряет развитие возможностей проникновения новых отраслей энергетики.

В последние годы технологии в сфере новых источников энергии продолжают развиваться и совершать прорывы, а рост их проникновения способствует непрерывному развитию отрасли зарядных модулей. Значительное увеличение плотности энергии батарей решило проблему недостаточного запаса хода электромобилей, а применение мощных зарядных модулей значительно сократило время зарядки, тем самым ускорив распространение электромобилей и строительство вспомогательных зарядных станций. В будущем ожидается, что интеграция и углубление применения таких технологий, как интеграция оптических накопителей и зарядных устройств, а также интеграция автомобильных сетей V2G, еще больше ускорят проникновение новых источников энергии и популяризацию их потребления.

4. Конкурентная среда в отрасли: Отрасль производства зарядных модулей отличается высокой конкуренцией, а рыночное пространство для продукции велико.

Зарядный модуль является ключевым компонентом зарядных станций постоянного тока. С ростом распространения электромобилей по всему миру потребители все больше обеспокоены запасом хода и удобством зарядки. Рыночный спрос на зарядные станции постоянного тока резко возрос, и внутренний рынок эксплуатации зарядных станций вырос. На начальном этапе основной движущей силой диверсифицированного развития была Государственная энергосеть. Быстро появилось множество операторов, обладающих как производственными, так и эксплуатационными возможностями зарядного оборудования. Отечественные производители зарядных модулей продолжали расширять масштабы производства и продаж вспомогательных зарядных станций, и их комплексная конкурентоспособность продолжала укрепляться.

В настоящее время, после многолетней итерации и развития зарядных модулей, конкуренция в отрасли достаточно высока. Основные продукты развиваются в направлении высокого напряжения и высокой удельной мощности, и рыночное пространство для продукции велико. Предприятия отрасли в основном добиваются большей доли рынка и уровня прибыли за счет постоянного улучшения топологии продукции, алгоритмов управления, оптимизации аппаратного обеспечения и производственных систем и т. д.

5. Тенденции развития модулей зарядки электромобилей

Поскольку спрос на зарядные модули огромен, технологии продолжают развиваться в направлении высокой удельной мощности, широкого диапазона напряжений и высокой эффективности преобразования.

1) Переход от политики к регулированию спроса

Для поддержки и стимулирования развития электромобилей строительство зарядных станций на начальном этапе в основном осуществлялось правительством, а затем постепенно, благодаря государственной поддержке, развитие отрасли перешло к модели внутреннего стимулирования. С 2021 года стремительное развитие электромобилей создало огромные потребности в строительстве вспомогательных сооружений и зарядных станций. Отрасль зарядных станций завершает трансформацию от модели, ориентированной на политику, к модели, ориентированной на спрос.

В условиях растущего числа электромобилей, помимо увеличения плотности размещения зарядных станций, необходимо еще больше сократить время зарядки. Зарядные станции постоянного тока обеспечивают более высокую скорость и более короткое время зарядки, что лучше подходит для временной и экстренной зарядки электромобилей и позволяет эффективно решить проблемы, связанные с опасениями по поводу запаса хода и времени зарядки. Поэтому в последние годы масштабы рынка быстрой зарядки постоянного тока на вновь построенных зарядных станциях, особенно общественных, быстро растут и стали распространенной тенденцией во многих крупных городах Китая.

Подводя итог, с одной стороны, по мере роста числа электромобилей необходимо постоянно совершенствовать конструкцию зарядных станций. С другой стороны, пользователи электромобилей, как правило, стремятся к быстрой зарядке постоянным током. Зарядные станции постоянного тока стали основным трендом, и спрос на зарядные модули также возрос. Это этап развития, на котором движущей силой является спрос.

(2) Высокая удельная мощность, 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 зарядного блока достигается двумя способами. Первый — это параллельное соединение нескольких зарядных модулей для достижения суперпозиции мощности; второй — увеличение мощности одного зарядного модуля. Исходя из технических потребностей в увеличении плотности мощности, уменьшении занимаемого пространства и снижении сложности электрической архитектуры, увеличение мощности одного зарядного модуля является долгосрочной тенденцией развития. В нашей стране зарядные модули прошли три поколения развития: от первого поколения мощностью 7,5 кВт до второго поколения мощностью 15/20 кВт, и сейчас находятся в процессе перехода от второго поколения к третьему поколению мощностью 30/40 кВт. Высокомощные зарядные модули стали основным направлением рынка. В то же время, исходя из принципа миниатюризации, плотность мощности зарядных модулей также увеличивалась одновременно с увеличением уровня мощности.

Существует два пути достижения более высокого уровня мощности быстрой зарядки постоянным током: увеличение напряжения и увеличение тока. Решение с зарядкой высоким током впервые было применено компанией Tesla. Преимуществом является более низкая стоимость оптимизации компонентов, но высокий ток приводит к большим тепловыделениям и высоким требованиям к теплоотводу, а более толстые провода снижают удобство и в меньшей степени способствуют повышению эффективности. Решение с высоким напряжением заключается в увеличении максимального рабочего напряжения зарядного модуля. В настоящее время это широко используемая модель автопроизводителями. Она позволяет учитывать преимущества снижения энергопотребления, увеличения срока службы батареи, снижения веса и экономии места. Решение с высоким напряжением требует, чтобы электромобили были оснащены высоковольтной платформой для поддержки приложений быстрой зарядки. В настоящее время наиболее распространенным решением быстрой зарядки, используемым автопроизводителями, является высоковольтная платформа на 400 В. С развитием и применением платформы на 800 В уровень напряжения зарядного модуля будет дополнительно улучшен.

Повышение эффективности преобразования является техническим показателем, к которому зарядные модули всегда стремятся. Повышение эффективности преобразования означает более высокую эффективность зарядки и меньшие потери. В настоящее время максимальная пиковая эффективность зарядных модулей обычно составляет 95–96%. В будущем, с развитием электронных компонентов, таких как силовые устройства третьего поколения, и с увеличением выходного напряжения зарядных модулей до 800 В или даже 1000 В, эффективность преобразования будет еще больше повышена.

(3) Стоимость модулей зарядки электромобилей увеличивается

Зарядный модуль является ключевым компонентом зарядной станции постоянного тока, на его долю приходится около 50% стоимости оборудования. Повышение эффективности зарядки в будущем в основном зависит от повышения производительности зарядных модулей. С одной стороны, большее количество параллельно соединенных зарядных модулей напрямую увеличит стоимость самого 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 технологий ключевых компонентов. Прорывные технологии – это ключевые факторы повышения мощности всей зарядной станции, что еще больше увеличит стоимость зарядного модуля.

6. Технические барьеры в индустрии модулей зарядки электромобилей

Технология источников питания — это междисциплинарная область, объединяющая технологии топологии схем, цифровые технологии, магнитные технологии, компонентные технологии, полупроводниковые технологии и технологии теплового проектирования. Это технологически емкая отрасль. Зарядный модуль, являясь сердцем зарядной станции постоянного тока, напрямую определяет эффективность зарядки, стабильность работы, безопасность и надежность зарядной станции, и его важность и ценность чрезвычайно высоки. Для создания продукта требуются значительные инвестиции ресурсов и специалистов, начиная с исследований и разработок и заканчивая конечным применением. Выбор электронных компонентов и компоновка, обновление и итерация программных алгоритмов, точное понимание сценариев применения, а также зрелые возможности платформы контроля качества и тестирования — все это напрямую влияет на качество и стабильность продукта. Новым участникам отрасли сложно в короткие сроки накопить данные о различных технологиях, персонале и сценариях применения, и они сталкиваются с высокими техническими барьерами.