Xu hướng cơ hội phát triển ngành công nghiệp mô-đun sạc xe năng lượng mới

1. Tổng quan về sự phát triển của ngành công nghiệp mô-đun sạc

Các mô-đun sạc là cốt lõi của các trạm sạc DC dành cho xe năng lượng mới. Khi tỷ lệ sử dụng và sở hữu xe năng lượng mới tại Trung Quốc tiếp tục tăng, nhu cầu về trạm sạc cũng tăng theo. Việc sạc xe năng lượng mới được chia thành sạc chậm AC và sạc nhanh DC. Sạc nhanh DC có đặc điểm là điện áp cao, công suất cao và tốc độ sạc nhanh. Khi thị trường hướng đến hiệu quả sạc, quy mô thị trường của các trạm sạc nhanh DC và các mô-đun sạc tiếp tục mở rộng.

2. Trình độ kỹ thuật và đặc điểm của ngành công nghiệp mô-đun sạc xe điện

Ngành công nghiệp sản xuất mô-đun sạc xe điện (EV) hiện nay có những đặc điểm kỹ thuật như công suất cao trên mỗi mô-đun, tần số cao, kích thước nhỏ gọn, hiệu suất chuyển đổi cao và dải điện áp rộng.

Về công suất mô-đun đơn, ngành công nghiệp mô-đun sạc trạm sạc năng lượng mới đã trải qua sự phát triển chủ đạo của các sản phẩm 7,5kW vào năm 2014, dòng điện không đổi 20A và 15kW vào năm 2015, và công suất không đổi 25A và 15kW vào năm 2016. Các mô-đun sạc ứng dụng chủ đạo hiện nay là 20kW và 30kW. Các giải pháp mô-đun đơn và giải pháp chuyển đổi sang nguồn cấp điện cho trạm sạc năng lượng mới 40kW. Mô-đun sạc công suất cao đã trở thành xu hướng phát triển thị trường trong tương lai.

Về điện áp đầu ra, Tập đoàn Lưới điện Quốc gia đã ban hành phiên bản năm 2017 của “Tiêu chuẩn thẩm định năng lực và trình độ chuyên môn đối với nhà cung cấp thiết bị sạc xe điện” quy định rằng dải điện áp đầu ra của bộ sạc DC là 200-750V, và điện áp nguồn ổn định phải nằm trong khoảng ít nhất 400-500V và 600-750V. Do đó, hầu hết các nhà sản xuất mô-đun đều thiết kế mô-đun cho dải điện áp 200-750V và đáp ứng yêu cầu về nguồn điện ổn định. Với sự gia tăng phạm vi hoạt động của xe điện và nhu cầu của người dùng xe năng lượng mới về việc giảm thời gian sạc, ngành công nghiệp đã đề xuất kiến ​​trúc sạc siêu nhanh 800V, và một số công ty đã hiện thực hóa việc cung cấp các mô-đun sạc trụ DC với dải điện áp đầu ra rộng từ 200-1000V.

Về mặt tần số cao và thu nhỏ kích thước các mô-đun sạc, công suất của các mô-đun máy đơn trong bộ nguồn trạm sạc năng lượng mới đã tăng lên, nhưng kích thước của chúng không thể mở rộng tương ứng. Do đó, việc tăng tần số chuyển mạch và tích hợp các linh kiện từ tính đã trở thành những biện pháp quan trọng để tăng mật độ công suất.

Về hiệu suất của mô-đun sạc, các công ty lớn trong ngành sản xuất mô-đun sạc trụ sạc năng lượng mới thường đạt hiệu suất đỉnh tối đa từ 95% đến 96%. Trong tương lai, với sự phát triển của các linh kiện điện tử như thiết bị nguồn thế hệ thứ ba và sự phổ biến của xe điện với nền tảng điện áp cao 800V hoặc thậm chí cao hơn, ngành công nghiệp dự kiến ​​sẽ cho ra đời các sản phẩm có hiệu suất đỉnh hơn 98%.

Khi mật độ công suất của các mô-đun sạc tăng lên, vấn đề tản nhiệt cũng trở nên nghiêm trọng hơn. Về vấn đề tản nhiệt của các mô-đun sạc, phương pháp tản nhiệt chủ đạo hiện nay trong ngành là làm mát bằng khí cưỡng bức, ngoài ra còn có các phương pháp khác như ống dẫn khí lạnh kín và làm mát bằng nước. Làm mát bằng khí có ưu điểm là chi phí thấp và cấu trúc đơn giản. Tuy nhiên, khi áp suất tản nhiệt tiếp tục tăng, nhược điểm của làm mát bằng khí như khả năng tản nhiệt hạn chế và tiếng ồn cao sẽ càng trở nên rõ rệt. Việc trang bị hệ thống làm mát bằng chất lỏng cho mô-đun sạc và dây chuyền súng bắn xung điện đã trở thành một hướng giải pháp kỹ thuật quan trọng.

3. Tiến bộ công nghệ thúc đẩy cơ hội phát triển và thâm nhập thị trường ngành năng lượng mới.

Trong những năm gần đây, công nghệ ngành năng lượng mới tiếp tục có những tiến bộ và đột phá, tỷ lệ thâm nhập thị trường tăng cao đã thúc đẩy sự phát triển liên tục của ngành công nghiệp module sạc thượng nguồn. Sự gia tăng đáng kể mật độ năng lượng pin đã giải quyết được vấn đề phạm vi hoạt động không đủ của xe năng lượng mới, và việc ứng dụng các module sạc công suất cao đã rút ngắn đáng kể thời gian sạc, từ đó đẩy nhanh tốc độ thâm nhập của xe năng lượng mới và việc xây dựng các trạm sạc hỗ trợ. Trong tương lai, việc tích hợp và ứng dụng sâu rộng các công nghệ như tích hợp lưu trữ và sạc quang học, cũng như tích hợp mạng xe V2G, dự kiến ​​sẽ tiếp tục thúc đẩy sự thâm nhập của ngành năng lượng mới và sự phổ biến tiêu dùng.

4. Bức tranh cạnh tranh trong ngành: Ngành sản xuất mô-đun sạc có tính cạnh tranh cao và thị trường sản phẩm rất rộng lớn.

Mô-đun sạc là thành phần cốt lõi của các trạm sạc DC. Với sự gia tăng tỷ lệ sử dụng xe năng lượng mới trên toàn thế giới, người tiêu dùng ngày càng quan tâm đến phạm vi sạc và sự tiện lợi khi sạc. Nhu cầu thị trường đối với các trạm sạc nhanh DC đã bùng nổ, và thị trường vận hành trạm sạc trong nước đã phát triển mạnh mẽ. Ban đầu, Tập đoàn Điện lực Nhà nước là động lực chính trong sự phát triển đa dạng. Một số nhà điều hành vốn xã hội có cả khả năng sản xuất và vận hành thiết bị trạm sạc đã nhanh chóng xuất hiện. Các nhà sản xuất mô-đun sạc trong nước tiếp tục mở rộng quy mô sản xuất và bán hàng để xây dựng các trạm sạc hỗ trợ, và khả năng cạnh tranh tổng thể của họ tiếp tục được củng cố.

Hiện nay, sau nhiều năm cải tiến và phát triển sản phẩm module sạc, sự cạnh tranh trong ngành đã khá gay gắt. Các sản phẩm chủ lực đang phát triển theo hướng điện áp cao và mật độ công suất cao, tạo nên một thị trường tiềm năng rộng lớn. Các doanh nghiệp trong ngành chủ yếu đạt được thị phần và lợi nhuận cao hơn bằng cách liên tục cải tiến cấu trúc sản phẩm, thuật toán điều khiển, tối ưu hóa phần cứng và hệ thống sản xuất, v.v.

5. Xu hướng phát triển của các mô-đun sạc xe điện

Khi các mô-đun sạc tạo ra nhu cầu thị trường khổng lồ, công nghệ tiếp tục phát triển hướng tới mật độ công suất cao, dải điện áp rộng và hiệu suất chuyển đổi cao.

1) Chuyển đổi từ định hướng chính sách sang định hướng theo nhu cầu

Để hỗ trợ và thúc đẩy sự phát triển của xe năng lượng mới, việc xây dựng các trạm sạc chủ yếu do chính phủ dẫn dắt trong giai đoạn đầu, và dần dần định hướng sự phát triển của ngành theo mô hình tự chủ thông qua hỗ trợ chính sách. Từ năm 2021, sự phát triển nhanh chóng của xe năng lượng mới đã tạo ra nhu cầu rất lớn đối với việc xây dựng các cơ sở hạ tầng hỗ trợ và trạm sạc. Ngành công nghiệp trạm sạc đang hoàn tất quá trình chuyển đổi từ định hướng chính sách sang định hướng nhu cầu.

Trước sự gia tăng số lượng xe năng lượng mới, ngoài việc tăng mật độ bố trí trạm sạc, thời gian sạc cần phải được rút ngắn hơn nữa. Các trạm sạc DC có tốc độ sạc nhanh hơn và thời gian sạc ngắn hơn, phù hợp hơn với nhu cầu sạc tạm thời và khẩn cấp của người dùng xe điện, đồng thời có thể giải quyết hiệu quả vấn đề lo lắng về phạm vi hoạt động và thời gian sạc của xe điện. Do đó, trong những năm gần đây, quy mô thị trường sạc nhanh DC tại các trạm sạc mới xây dựng, đặc biệt là các trạm sạc công cộng, đã phát triển nhanh chóng và trở thành xu hướng chủ đạo tại nhiều thành phố lớn ở Trung Quốc.

Tóm lại, một mặt, khi số lượng xe năng lượng mới tiếp tục tăng, cơ sở hạ tầng trạm sạc cần được cải thiện liên tục. Mặt khác, người dùng xe điện nói chung đều ưa chuộng sạc nhanh DC. Các trạm sạc DC đã trở thành xu hướng chủ đạo, và các module sạc cũng đang bước vào giai đoạn phát triển mà nhu cầu là động lực chính.

(2) Mật độ công suất cao, dải điện áp rộng, hiệu suất chuyển đổi cao

Khái niệm sạc nhanh ở đây có nghĩa là công suất sạc cao. Do đó, trước nhu cầu ngày càng tăng về sạc nhanh, các module sạc tiếp tục phát triển theo hướng công suất cao. Công suất cao của trạm sạc được thực hiện theo hai cách. Một là kết nối nhiều module sạc song song để đạt được sự cộng hưởng công suất; cách khác là tăng công suất của từng module sạc riêng lẻ. Dựa trên nhu cầu kỹ thuật về tăng mật độ công suất, giảm không gian và giảm độ phức tạp của kiến ​​trúc điện, việc tăng công suất của từng module sạc là một xu hướng phát triển lâu dài. Các module sạc của nước ta đã trải qua ba thế hệ phát triển, từ thế hệ đầu tiên 7,5kW đến thế hệ thứ hai 15/20kW, và hiện đang trong giai đoạn chuyển đổi từ thế hệ thứ hai sang thế hệ thứ ba 30/40kW. Các module sạc công suất cao đã trở thành xu hướng chủ đạo của thị trường. Đồng thời, dựa trên nguyên tắc thiết kế thu nhỏ, mật độ công suất của các module sạc cũng tăng lên song song với sự gia tăng công suất.

Có hai cách để đạt được mức công suất cao hơn trong sạc nhanh DC: tăng điện áp và tăng dòng điện. Giải pháp sạc dòng điện cao được Tesla áp dụng đầu tiên. Ưu điểm là chi phí tối ưu hóa linh kiện thấp hơn, nhưng dòng điện cao sẽ dẫn đến tổn thất nhiệt cao hơn và yêu cầu tản nhiệt cao hơn, đồng thời dây dẫn dày hơn làm giảm tính tiện lợi và khả năng thúc đẩy sạc nhanh ở mức độ thấp hơn. Giải pháp điện áp cao là tăng điện áp hoạt động tối đa của mô-đun sạc. Hiện nay, đây là mô hình được các nhà sản xuất ô tô sử dụng phổ biến. Nó có thể tận dụng các ưu điểm như giảm tiêu thụ năng lượng, cải thiện tuổi thọ pin, giảm trọng lượng và tiết kiệm không gian. Giải pháp điện áp cao yêu cầu xe điện phải được trang bị nền tảng điện áp cao để hỗ trợ các ứng dụng sạc nhanh. Hiện nay, giải pháp sạc nhanh được các công ty ô tô sử dụng phổ biến là nền tảng điện áp cao 400V. Với việc nghiên cứu và ứng dụng nền tảng điện áp 800V, mức điện áp của mô-đun sạc sẽ được cải thiện hơn nữa.

Việc nâng cao hiệu suất chuyển đổi là một chỉ số kỹ thuật mà các mô-đun sạc luôn hướng tới. Hiệu suất chuyển đổi được cải thiện đồng nghĩa với hiệu quả sạc cao hơn và tổn thất thấp hơn. Hiện nay, hiệu suất đỉnh tối đa của các mô-đun sạc thường đạt 95%~96%. Trong tương lai, với sự phát triển của các linh kiện điện tử như thiết bị nguồn thế hệ thứ ba và điện áp đầu ra của các mô-đun sạc hướng tới 800V hoặc thậm chí 1000V, hiệu suất chuyển đổi sẽ được cải thiện hơn nữa.

(3) Giá trị của các mô-đun sạc xe điện tăng lên

Mô-đun sạc là thành phần cốt lõi của trạm sạc DC, chiếm khoảng 50% chi phí phần cứng của trạm sạc. Việc nâng cao hiệu suất sạc trong tương lai chủ yếu phụ thuộc vào việc cải thiện hiệu năng của các mô-đun sạc. Một mặt, việc kết nối song song nhiều mô-đun sạc hơn sẽ trực tiếp làm tăng giá trị của mô-đun sạc; mặt khác, việc nâng cao mức công suất và mật độ công suất của từng mô-đun sạc phụ thuộc vào thiết kế tối ưu hóa mạch phần cứng và phần mềm điều khiển cũng như công nghệ của các thành phần chính. Những đột phá này là các công nghệ then chốt để nâng cao công suất của toàn bộ trạm sạc, từ đó sẽ tiếp tục làm tăng giá trị của mô-đun sạc.

6. Rào cản kỹ thuật trong ngành công nghiệp mô-đun sạc điện xe điện

Công nghệ nguồn điện là một lĩnh vực liên ngành tích hợp công nghệ cấu trúc mạch, công nghệ số, công nghệ từ tính, công nghệ linh kiện, công nghệ bán dẫn và công nghệ thiết kế nhiệt. Đây là một ngành công nghiệp đòi hỏi công nghệ cao. Là trái tim của trạm sạc DC, mô-đun sạc quyết định trực tiếp hiệu suất sạc, độ ổn định hoạt động, an toàn và độ tin cậy của trạm sạc, do đó tầm quan trọng và giá trị của nó là vô cùng lớn. Một sản phẩm đòi hỏi đầu tư lớn về nguồn lực và nhân lực chuyên nghiệp từ nghiên cứu và phát triển công nghệ đến ứng dụng cuối cùng. Việc lựa chọn linh kiện điện tử và bố trí, nâng cấp và cải tiến thuật toán phần mềm, nắm bắt chính xác các kịch bản ứng dụng, và khả năng nền tảng kiểm soát chất lượng và thử nghiệm hoàn thiện đều ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng và độ ổn định của sản phẩm. Đối với những người mới gia nhập ngành, việc tích lũy các công nghệ, nhân lực và dữ liệu kịch bản ứng dụng trong thời gian ngắn là rất khó khăn, và họ phải đối mặt với rào cản kỹ thuật cao.