1. مقدمة عن وحدة الشحن
1.1 تطوير كومة الشحن
كانت صناعة أكوام الشحن تنمو لأكثر من عشر سنوات ودخلت عصر النمو السريع. كانت الفترة من 2006 إلى 2015 هي المرحلة الجنينية لصناعة أكوام الشحن في الصين. في عام 2006، أنشأت شركة BYD أول محطة شحن للسيارات في مقرها الرئيسي في شنتشن. في عام 2008، تم بناء أول محطة شحن مركزية في الصين خلال دورة الألعاب الأولمبية في بكين. في هذه المرحلة، تم بناء أكوام الشحن بشكل أساسي من قبل الحكومة، ولم يدخل رأس المال المؤسسي الاجتماعي. كانت الفترة من 2015 إلى 2020 هي فترة النمو المبكرة لأكوام الشحن. بعد أن أصدرت الدولة "المبادئ التوجيهية لتطوير البنية التحتية لشحن المركبات الكهربائية (2015-2020)" في عام 2015، اجتذبت بعض رأس المال الاجتماعي لدخول صناعة أكوام الشحن. من هذه النقطة الزمنية، تمتلك صناعة أكوام الشحن رسميًا سمات رأس المال الاجتماعي. تعد الفترة من 2020 حتى الآن فترة النمو الرئيسية لأكوام الشحن. خلال هذه الفترة، أصدرت الحكومة العديد من السياسات لدعم أكوام الشحن. في مارس 2021، تم تضمين الشحن في بناء البنية التحتية الجديدة، مما حفز مؤسسات الصناعة على توسيع الطاقة الإنتاجية وزيادة الإنتاج. حتى الآن، لا تزال صناعة أكوام الشحن في فترة نمو رئيسية، ومن المتوقع أن يستمر عدد أكوام الشحن في النمو بسرعة.
1.2. مقدمة عن شركات وحدات الشحن
من النوع الحالي للوحدة، تتضمن وحدات الشحن الحالية وحدة شحن ACDC ووحدة شحن DCDC ووحدة شحن V2G ثنائية الاتجاه. يستخدم ACDC لأكوام الشحن أحادية الاتجاه، وهي وحدة الشحن الأكثر استخدامًا والأكثر استخدامًا على نطاق واسع. يستخدم DCDC لشحن البطاريات الكهروضوئية وشحن بطاريات المركبات، ويستخدم في مشاريع تخزين وشحن الخلايا الكهروضوئية أو مشاريع التخزين والشحن. وحدة شحن V2G هي لحل وظيفة التفاعل بين المركبات والشبكة المستقبلية أو احتياجات الشحن ثنائية الاتجاه لمحطات الطاقة.
من علاقة التوريد لأكوام الشحن، يتم تقسيم وحدات الشحن بشكل أساسي إلى فئتين، الأولى هي نوع الإنتاج الذاتي والاستخدام الذاتي، ويمثلها TELD وSinexcel Electric وKSTAR وما إلى ذلك؛ والثانية هي نوع التوريد، ويمثلها INFYPOWER وUUGREENPOWER وTonhe Elect وSZWINLINE وHUAWEI وShenzhen Megmeet وENSDS وما إلى ذلك.
1.3 سوق وحدات الشحن
أكبر ثلاث شركات مصنعة للوحدات من حيث شحنات الوحدات في عام 2022 هي INFYPOWER وTeladian وYouyou Green Energy. ومن بينها، تمثل INFYPOWER بشكل أساسي الأسواق الخارجية وشركات شبكات الطاقة. وتشغل Teladian، باعتبارها مشغل شحن محلي رائد، نصف السوق المحلية، تليها UUGREENPOWER وSZWINLINE وHUAWEI وما إلى ذلك.
حجم سوق الوحدات والحصة في عام 2023. وفقًا للملخص السنوي والتحليل المقارن لكل شركة، في إجمالي سوق وحدات الشحن بما في ذلك جميع المشاركين في عام 2023، فإن أكبر خمس شركات من حيث حصة السوق هي: INFYPOWER، UUGREENPOWER، Tonhe Elect، SZWINLINE، Sinexcel Electric؛ مقارنة بعام 2023، أحرزت Tonghe Technology تقدمًا واضحًا. الشيء الوحيد الذي لم يتغير هو أن INFYPOWER، التي كانت منذ فترة طويلة في صدارة القائمة، حافظت على حصة سوقية تزيد عن 33٪.
2. مقدمة حول اتجاه تطوير وحدات الشحن
مع ظهور المركبات الكهربائية واسعة النطاق، من الواضح أن أكوام الشحن البسيطة غير قادرة على دعم تطوير المركبات الكهربائية واسعة النطاق، وأصبح مسار تقنية شبكة الشحن إجماعًا في صناعة شحن المركبات بالطاقة الجديدة. من السهل صنع أكوام الشحن، لكن صنع تقنية شبكة الشحن معقد للغاية. شبكة الشحن عبارة عن نظام بيئي عبر الصناعات والمهن، ويشمل ما لا يقل عن 10 مجالات من التكنولوجيا مثل إلكترونيات الطاقة، والتحكم في الإرسال، والبيانات الضخمة، ومنصة السحابة، والذكاء الاصطناعي، والإنترنت الصناعي، وتوزيع المحطات الفرعية، والتحكم البيئي الذكي، وتكامل النظام، والتشغيل والصيانة الذكية. يمكن للتكامل العميق لهذه التقنيات ضمان سلامة نظام شبكة الشحن.
تتمثل الحواجز التقنية الأساسية لوحدة الشحن في تصميم البنية الطوبولوجية وقدرات التكامل. المكونات الرئيسية لوحدة الشحن هي أجهزة الطاقة والمكونات المغناطيسية والمقاومات والمكثفات والرقائق ولوحات الدوائر المطبوعة وما إلى ذلك. عندما تعمل وحدة الشحن، يتم تصحيح طاقة التيار المتردد ثلاثية الطور بواسطة دائرة تصحيح معامل القدرة النشط (PFC) وتصبح طاقة تيار مستمر لتزويد دائرة تحويل التيار المستمر / المستمر. تعمل خوارزمية البرنامج الخاصة بوحدة التحكم على مفتاح الطاقة شبه الموصل من خلال دائرة القيادة للتحكم في جهد التيار وخرج وحدة الشحن، وبالتالي شحن حزمة البطارية. البنية الداخلية لوحدة الشحن معقدة، ويحتوي المنتج الواحد على عدد كبير نسبيًا من المكونات. يحدد تصميم البنية الطوبولوجية بشكل مباشر كفاءة المنتج وأدائه، ويحدد تصميم بنية تبديد الحرارة كفاءة تبديد الحرارة للمنتج، الذي يتمتع بعتبة تقنية عالية.
باعتبارها منتجًا إلكترونيًا للطاقة ذو عتبة تقنية عالية، تحتاج وحدة الشحن إلى مراعاة العديد من المعلمات من أجل تحقيق جودة عالية، مثل: الحجم والكتلة وطريقة تبديد الحرارة وجهد الخرج والتيار والكفاءة وكثافة الطاقة والضوضاء ودرجة حرارة التشغيل وفقدان الاستعداد، إلخ. في السابق، كانت أكوام الشحن ذات طاقة منخفضة وجودة رديئة، ولم تكن متطلبات وحدات الشحن عالية. ومع ذلك، في ظل اتجاه الطاقة العالية، ستتسبب وحدات الشحن منخفضة الجودة في حدوث مشكلات كبيرة في مرحلة تشغيل أكوام الشحن اللاحقة وزيادة تكاليف التشغيل والصيانة اللاحقة. لذلك، من المتوقع أن تزداد متطلبات شركات أكوام الشحن لجودة وحدات الشحن بشكل أكبر، وسيتم فرض متطلبات أعلى على القدرات الفنية لمصنعي وحدات الشحن.
2.1. توحيد معايير وحدة الشحن
إن توحيد معايير وحدات الشحن يتحسن باستمرار. وقد أصدرت شركة الكهرباء الوطنية مواصفات تصميمية موحدة لأعمدة الشحن ووحدات الشحن داخل النظام:
(1) كومة الشحن "ستة توحيدات": الأداء الكهربائي الموحد، والتخطيط الهيكلي الموحد، وتصميم المكونات الخاصة الموحد، واختيار الجهاز العام الموحد، وهيكل المظهر الموحد، وتركيب المعدات الموحدة؛
تتكون منتجات Tonghe Technology بشكل أساسي من وحدات طاقة ثابتة عالية الجهد بقدرة 20 كيلو وات ووحدات طاقة ثابتة عالية الجهد بقدرة 30 كيلو وات و40 كيلو وات والتي تلبي معايير "التوحيد الستة" للشبكة الكهربائية الحكومية؛
(2) وحدة الشحن "ثلاثة توحيدات": حجم مظهر الوحدة الموحد، وواجهة تركيب الوحدة الموحدة، وبروتوكول اتصال الوحدة الموحد. لقد أدى توحيد مواصفات تصميم كومة الشحن ووحدة الشحن إلى حل مشكلة ضعف توافق المنتج في السوق في الماضي، وسيعمل بشكل فعال على تعزيز التطور السريع لصناعة كومة الشحن.
2.2 تتطور وحدات الشحن نحو الطاقة العالية
لقد تطورت قوة وحدة الشحن الفردية تدريجيًا من 3 كيلو واط و7.5 كيلو واط و15 كيلو واط في وقت مبكر إلى 20 كيلو واط و30 كيلو واط و40 كيلو واط حاليًا، وتستمر في التحرك نحو مستويات طاقة أعلى مثل 50 كيلو واط و60 كيلو واط و100 كيلو واط. لا يعني هذا الترقية في الطاقة أنه يمكن إخراج المزيد من الطاقة لكل وحدة زمنية فحسب، بل يزيد أيضًا بشكل كبير من قيمة وربحية منتجات وحدة الشحن. مع تقدم التكنولوجيا والتوسع المستمر للسوق، ستستمر صناعة وحدات الشحن في إدخال المزيد من فرص التطوير.
على سبيل المثال، في سوق أكوام الشحن الحالية حيث تبلغ قوة البندقية الواحدة 60-120 كيلو وات، يمكن لوحدة 15 كيلو وات أيضًا تلبية طلب السوق، ولكن العديد من شركات الأكوام تستخدم وحدات 40 كيلو وات بتكلفة أقل لكل واط بناءً على تكلفة الجهاز بالكامل. في الواقع، كلما زاد عدد وحدات النظام، قل تأثير فشل الوحدة الفردية على النظام الإجمالي. لا يحتاج أصحاب السيارات إلى تحمل مخاطر وقت الشحن الممتد بسبب انخفاض توفر النظام. عندما يقوم مشغلو أكوام الشحن بإجراء تخصيص ذكي للشحن المرن، فإنهم يتوقعون أن تكون حبيبات الوحدة أصغر، مما يسهل جدولتها وتخصيصها، ويقلل من هدر الطاقة، ويكون للفشل الواحد تأثير أقل على توفر النظام، كما ستقل متطلبات التوقيت للتشغيل والصيانة. لذلك، فإن التخطيط الحالي للشركات السائدة كامل نسبيًا، وتغطية السوق هي في الأساس منتجات 30/40 كيلو وات.
في نوفمبر 2022، أطلقت شركة Sinexcel Electric بنجاح أول وحدة شحن DC بقدرة 50 كيلو وات في الصين، وهي مجهزة بأجهزة SICMOS الأساسية في الداخل، بكفاءة قصوى تزيد عن 97٪، وحصلت على شهادات مبيعات للسوق المحلية.
في مؤتمر مشغلي أكوام الشحن الدولي الثالث في الصين لعام 2022، أطلقت شركة Eurotron منتجها ACDC بقدرة 75 كيلو وات لأول مرة، مع جهد خرج يصل إلى 1000 فولت تيار مستمر وكفاءة قصوى تبلغ 97%.
3. تنويع طرق تبديد الحرارة
الاتجاه الحالي لتطوير تكنولوجيا وحدة الشحن، من منظور طرق تبديد الحرارة، ينقسم تقريبًا إلى ثلاث فئات من المنتجات: الأولى هي وحدة نوع التهوية المباشرة، وهي نوع المنتج السائد في السوق وتنتجها جميع شركات الوحدات؛ واحدة هي قناة الهواء المستقلة ووحدة نوع العزل المملوءة بالغراء، ويمثلها UUGREENPOWER، ويمثلها INFYPOWER وTonhe Elect؛ واحدة هي وحدة شحن تبديد الحرارة بالتبريد السائل الكامل، ويمثلها INFYPOWER وHUAWEI.
تتميز منتجات وحدات الشحن الثلاثة بخصائص تكرارية تقنية، وبفضل مبدأ الاستخدام الاقتصادي، يتم تحسين طريقة تبديد الحرارة وتحسينها. بالنسبة لشركات تشغيل أكوام الشحن، فإن معدل فشل أكوام الشحن والإزعاج الناتج عن الضوضاء هما مشكلتان رئيسيتان. من بينها، يؤثر معدل فشل أكوام الشحن بشكل مباشر على ربحية الموقع وتجربة المستخدم. السبب الرئيسي لفشل أكوام الشحن هو فشل وحدة الشحن. الوحدة المبردة بالهواء هي نوع المنتج الأكثر استخدامًا في الوقت الحاضر.
4. تكنولوجيا التيار العالي والجهد العالي
مع زيادة المسافة المقطوعة تدريجيًا، يجب مواجهة تحديات مثل تقصير وقت الشحن وتقليل تكاليف الاستخدام. تتمثل المهمة الأساسية في تحسين حجم الوحدة لتحقيق ترقيات الطاقة. نظرًا لأن طاقة كومة الشحن تعتمد بشكل أساسي على تراكب الطاقة لوحدات الشحن، وتقتصر على حجم المنتج ومساحة الأرضية وتكلفة التصنيع، فإن زيادة عدد الوحدات ببساطة لم تعد الحل الأفضل. لذلك، أصبحت كيفية زيادة طاقة وحدة واحدة دون زيادة الحجم الإضافي مشكلة فنية يحتاج مصنعو وحدات الشحن إلى التغلب عليها بشكل عاجل.
تحقق معدات الشحن بالتيار المستمر قدرات شحن سريعة ممتازة من خلال تكنولوجيا التيار العالي والجهد العالي. ومع الزيادة التدريجية في الجهد والطاقة، فإن هذا يفرض متطلبات أكثر صرامة على التشغيل المستقر وتبديد الحرارة بكفاءة وكفاءة التحويل لوحدة الشحن، مما يفرض بلا شك تحديات تقنية أعلى على مصنعي وحدات الشحن.
في مواجهة الطلب المتزايد في السوق على الشحن السريع عالي الطاقة، يحتاج مصنعو وحدات الشحن إلى الابتكار المستمر وترقية التكنولوجيا الأساسية وبناء حواجز التكنولوجيا الأساسية الخاصة بهم. سيصبح هذا مفتاح المنافسة في السوق في المستقبل. فقط من خلال إتقان التكنولوجيا الأساسية يمكننا أن نكون لا يقهرون في المنافسة الشرسة في السوق.
(1) مسار التيار العالي: مستوى ترقية منخفض ومتطلبات عالية للإدارة الحرارية. وفقًا لقانون جول (الصيغة Q = I2Rt)، فإن الزيادة في التيار ستزيد بشكل كبير من الحرارة المتولدة أثناء الشحن، مما يضع متطلبات عالية على تبديد الحرارة. على سبيل المثال، حل الشحن السريع عالي التيار من Tesla، فإن كومة الشحن الفائق V3 لديها تيار تشغيل ذروة يزيد عن 600 أمبير، مما يتطلب استخدام حزم أسلاك أكثر سمكًا. في الوقت نفسه، لديها متطلبات أعلى لتقنية تبديد الحرارة، ولا يمكنها تحقيق أقصى طاقة شحن تبلغ 250 كيلو وات إلا عند 5٪ -27٪ SOC، والشحن الفعال غير مغطى بالكامل. في الوقت الحاضر، لم يقم مصنعو السيارات المحليون بإجراء تغييرات مخصصة كبيرة على حل تبديد الحرارة، وتعتمد أكوام الشحن عالية التيار بشكل كبير على الأنظمة التي تم بناؤها ذاتيًا، والتي لها تكاليف ترويج عالية.
(2) مسار الجهد العالي: هذا هو الوضع الذي يتبناه مصنعو السيارات حاليًا بشكل شائع، والذي يمكن أن يأخذ في الاعتبار مزايا تقليل استهلاك الطاقة وتحسين عمر البطارية وتقليل الوزن وتوفير المساحة. حاليًا، نظرًا لمقاومة الجهد لأجهزة الطاقة IGBT القائمة على السيليكون، فإن حل الشحن السريع الذي تتبناه شركات السيارات بشكل شائع هو منصة الجهد العالي 400 فولت، أي أنه يمكن تحقيق طاقة شحن تبلغ 100 كيلو وات بتيار 250 أمبير (يمكن لشحن طاقة 100 كيلو وات لمدة 10 دقائق أن يسافر حوالي 100 كيلومتر). منذ أن أطلقت بورش منصة الجهد العالي 800 فولت (تحقيق طاقة 300 كيلو وات وتقليل حزم الأسلاك عالية الجهد إلى النصف)، بدأت شركات السيارات الكبرى في البحث وتخطيط منصة الجهد العالي 800 فولت. بالمقارنة مع منصة 400 فولت، تتمتع منصة الجهد 800 فولت بتيار تشغيل أصغر، مما يوفر حجم حزمة الأسلاك ويقلل من فقدان المقاومة الداخلية للدائرة، وبالتالي تحسين كثافة الطاقة وكفاءة الطاقة بشكل مخفي.
5. متطلبات الموثوقية أصبحت أعلى وأعلى
تحت ضغط التكلفة المنخفضة، لا تزال أكوام الشحن تواجه تحديات كبيرة لتكون آمنة وموثوقة ومستقرة. نظرًا لأن أكوام الشحن مثبتة في الهواء الطلق، فإن الغبار ودرجة الحرارة والرطوبة ليست محمية بشكل جيد، والبيئة قاسية نسبيًا. في ظل ظروف العمل الخاصة مثل خطوط العرض العالية والبرد الشديد والارتفاعات العالية، تكون متطلبات أداء وحدات الشحن عالية للغاية.
في الوقت الحاضر، تعمل وحدة 15 كيلو وات بشكل أساسي على تبديد الحرارة عن طريق التبريد بالهواء القسري، مما يؤدي حتمًا إلى حدوث تداخلات مثل الغبار والغازات المسببة للتآكل والرطوبة. لذلك، تتركز أعطال الوحدة بشكل أساسي في ظاهرة "الانفجار الساخن" التي تسببها البيئة. من أجل التغلب على العواقب السلبية للتبريد بالهواء القسري، يعد التبريد الطبيعي (الذي يعتمد بشكل أساسي على أحواض الحرارة) أحد الخيارات الفعالة الممكنة.
6. تقنية الشحن ثنائي الاتجاه V2G
بالإضافة إلى الوظيفة التقليدية لشحن المركبات الكهربائية، تعمل وحدة الشحن أيضًا على تطوير تقنية الشحن ثنائي الاتجاه. وقد مكّن تطوير الوحدات ثنائية الاتجاه من تحقيق تقنية V2G وتقنية V2H، ولعبت دورًا إيجابيًا في حلاقة الذروة وملء الوديان، وموازنة حمل الطاقة، وتحسين كفاءة أكوام الشحن.
توفر سياسة تكامل تخزين وشحن الخلايا الكهروضوئية تصميمًا سياسيًا رفيع المستوى للشحن الذكي والمنظم والشحن والتفريغ ثنائي الاتجاه، وتحدد اتجاه محطات الشحن للمشاركة في تنظيم ذروة الشبكة وواديها، ومحطات الطاقة الافتراضية، والمعاملات المجمعة، والشحن والتخزين المتكاملين. ومع ذلك، فإن هذه لا تنفصل عن الأساس المادي لوحدات الشحن V2G ثنائية الاتجاه. أقدم شركة مصنعة محلية أجرت أبحاثًا مسبقة على وحدات الشحن V2G ثنائية الاتجاه هي Infrared. في الوقت الحاضر، تتمتع حصة سوق وحدات V2G بالأشعة تحت الحمراء بميزة مطلقة، وأكوام شحن V2G في نظام شبكة الطاقة هي الوحيدة.
7. التشغيل والصيانة الذكية
هناك العديد من التحديات في سوق تشغيل الشحن الحالي. أولاً، تكاليف تشغيل وصيانة محطات الشحن مرتفعة. بالنسبة للمشغلين الذين يستخدمون معدات الشحن ذات معدلات الفشل العالية، تتجاوز تكاليف التشغيل والصيانة 10٪ من دخل التشغيل. يؤدي عدم كفاية الذكاء إلى الحاجة إلى عمليات تفتيش منتظمة، والاستثمار الكبير في القوى العاملة للتشغيل والصيانة، كما أن التشغيل والصيانة في الوقت المناسب سيؤدي أيضًا إلى تجربة شحن سيئة للمستخدم؛ ثانيًا، دورة حياة المعدات قصيرة، ولا يمكن للطاقة والجهد في أكوام الشحن المبنية في المرحلة المبكرة تلبية احتياجات تطور الشحن للمركبات المستقبلية، مما يؤدي إلى إهدار الاستثمار الأولي للمشغلين؛ ثالثًا، تؤثر الكفاءة المنخفضة على دخل التشغيل؛ رابعًا، أكوام شحن التيار المستمر صاخبة، مما يؤثر بشكل مباشر على اختيار موقع المحطات. من أجل حل نقاط الألم في مرافق الشحن ومتابعة اتجاه تطوير الصناعة.
خذ وحدة الشحن السريع HUAWEI HiCharger DC كمثال. من حيث التشغيل والصيانة الذكية، توفر وحدة الشحن السريع HUAWEI HiCharger DC أيضًا ميزات قيمة جديدة للعملاء. من خلال بيانات درجة الحرارة التي تم جمعها بواسطة أجهزة استشعار داخلية ودمجها مع خوارزميات الذكاء الاصطناعي، يمكن لـ HUAWEI HiCharger تحديد انسداد شاشة الغبار في كومة الشحن وحالة انسداد مروحة الوحدة، وتذكير المشغلين عن بُعد بتنفيذ صيانة دقيقة ويمكن التنبؤ بها، مما يلغي عمليات التفتيش المتكررة في الموقع.
لحل مشكلة الضوضاء، توفر وحدة الشحن السريع HUAWEI HiCharger DC وضعًا صامتًا لتطبيقات البيئة الحساسة للضوضاء. في الوقت نفسه، تتم مراقبة درجة حرارة المستشعر في الوحدة لضبط سرعة المروحة بدقة وفقًا لتغير درجة الحرارة المحيطة. عندما تنخفض درجة الحرارة المحيطة، تنخفض سرعة المروحة، مما يقلل الضوضاء ويحقق درجة حرارة منخفضة وضوضاء منخفضة.
تعتمد وحدة الشحن السريع HUAWEI HiCharger DC على تقنية ملء الغراء الكامل وحماية العزل الكامل لحل مشكلة تأثر وحدة الشحن المبردة بالهواء بسهولة بالبيئة وفشلها. من خلال اختبارات تراكم الغبار والرطوبة العالية واختبارات الرش الملحي العالي المتسارعة واختبارات الموثوقية طويلة المدى في هاينان وشيشوانغبانا ودونهوانغ ولاسا وغيرها من المجالات، تم التحقق من موثوقية الوحدة على المدى الطويل في السيناريوهات القاسية، مما يقلل بشكل كبير من تكاليف التشغيل والصيانة للمشغل.
كإصدار جديد من الجيل السابق من وحدات الشحن، فإن الإصدار الخارجي من وحدة الشحن السريع DC بقدرة 20 كيلو وات له كفاءة قصوى تبلغ 96.55%، والإصدار المحلي من 30 كيلو وات له كفاءة قصوى تبلغ 96.4%. من خلال تطبيق الطوبولوجيا الحاصلة على براءة اختراع الفعالة وخوارزمية التحكم الفعالة والأجهزة منخفضة الخسارة لتقليل الخسائر وتصميم مجرى الهواء السلس وتنظيم سرعة المروحة بدقة، وتقليل الخسائر الإضافية الناجمة عن تبديد الحرارة، وتحقيق الكفاءة المثلى للوحدة.
