1. Introducción al módulo de carga
1.1 Desarrollo de la pila de carga
La industria de las pilas de carga ha estado creciendo durante más de diez años y ha entrado en una era de rápido crecimiento. 2006-2015 fue la etapa embrionaria de la industria de las pilas de carga de China. En 2006, BYD estableció la primera estación de carga de automóviles en su sede en Shenzhen. En 2008, se construyó la primera estación de carga centralizada en China durante los Juegos Olímpicos de Beijing. En esta etapa, las pilas de carga fueron construidas principalmente por el gobierno y el capital de las empresas sociales no entró. 2015-2020 fue el período de crecimiento inicial de las pilas de carga. Después de que el estado emitiera las "Directrices para el desarrollo de la infraestructura de carga de vehículos eléctricos (2015-2020)" en 2015, atrajo algo de capital social para ingresar a la industria de las pilas de carga. A partir de este momento, la industria de las pilas de carga tiene oficialmente los atributos del capital social. 2020 hasta la fecha es el período de crecimiento clave de las pilas de carga. Durante este período, el gobierno ha emitido varias políticas para apoyar las pilas de carga. En marzo de 2021, la carga se incluyó en la construcción de nueva infraestructura, lo que estimuló a las empresas del sector a ampliar aún más la capacidad y aumentar la producción. Hasta el momento, la industria de las pilas de carga todavía se encuentra en un período clave de crecimiento y se espera que el número de pilas de carga siga creciendo rápidamente.
1.2. Introducción a las empresas de módulos de carga
Del tipo actual de módulo, los módulos de carga existentes incluyen el módulo de carga ACDC, el módulo de carga DCDC y el módulo de carga V2G bidireccional. El ACDC se utiliza para pilas de carga unidireccionales, que es el módulo de carga más utilizado y más extendido. El DCDC se utiliza para la carga fotovoltaica de baterías y la carga de baterías de vehículos, y se utiliza en proyectos de almacenamiento y carga fotovoltaica o proyectos de almacenamiento y carga. El módulo de carga V2G es para resolver la función interactiva de la red eléctrica del vehículo en el futuro o las necesidades de carga bidireccional de las centrales eléctricas.
De la relación de suministro de pilas de carga, los módulos de carga se dividen principalmente en dos categorías, una es el tipo de autoproducción y autouso, representado por TELD, Sinexcel Electric, KSTAR, etc.; el otro es el tipo de suministro, representado por INFYPOWER, UUGREENPOWER, Tonhe Elect, SZWINLINE, HUAWEI, Shenzhen Megmeet, ENSDS, etc.
1.3 Mercado de módulos de carga
Los tres principales fabricantes de módulos en términos de envíos de módulos en 2022 son INFYPOWER, Teladian y Youyou Green Energy. Entre ellos, INFYPOWER representa principalmente los mercados extranjeros y las empresas de redes eléctricas. Teladian, como operador líder de carga nacional, ocupa la mitad del mercado nacional, seguido de UUGREENPOWER, SZWINLINE, HUAWEI, etc.
Tamaño y participación del mercado de módulos en 2023. Según el resumen anual y el análisis comparativo de cada empresa, en el mercado total de módulos de carga, incluidos todos los participantes en 2023, las cinco principales empresas en términos de participación de mercado son: INFYPOWER, UUGREENPOWER, Tonhe Elect, SZWINLINE, Sinexcel Electric; en comparación con 2023, Tonghe Technology ha logrado un progreso evidente. Lo único que no ha cambiado es que INFYPOWER, que ha estado durante mucho tiempo en la cima de la lista, ha mantenido una participación de mercado de más del 33%.
2. Introducción a la tendencia de desarrollo de los módulos de carga
Con la llegada de los vehículos eléctricos a gran escala, las pilas de carga simples obviamente no pueden soportar el desarrollo de vehículos eléctricos a gran escala, y la ruta de la tecnología de red de carga se ha convertido en un consenso en la industria de carga de vehículos de nueva energía. Es simple hacer pilas de carga, pero es muy complicado hacer tecnología de red de carga. La red de carga es un sistema ecológico intersectorial e interprofesional, que involucra al menos 10 campos de tecnología como la electrónica de potencia, el control de despacho, los macrodatos, la plataforma en la nube, la inteligencia artificial, Internet industrial, la distribución de subestaciones, el control ambiental inteligente, la integración de sistemas y la operación y mantenimiento inteligentes. La integración profunda de estas tecnologías puede garantizar la integridad del sistema de red de carga.
Las principales barreras técnicas del módulo de carga se encuentran en el diseño de la estructura topológica y las capacidades de integración. Los componentes clave del módulo de carga son dispositivos de potencia, componentes magnéticos, resistencias y condensadores, chips, PCB, etc. Cuando el módulo de carga está funcionando, la energía de CA trifásica es rectificada por el circuito de corrección del factor de potencia (PFC) activo y se convierte en energía de CC para alimentar el circuito de conversión de CC/CC. El algoritmo de software del controlador actúa sobre el interruptor de potencia del semiconductor a través del circuito de accionamiento para controlar el voltaje y la corriente de salida del módulo de carga, cargando así el paquete de baterías. La estructura interna del módulo de carga es compleja y un solo producto contiene una cantidad relativamente grande de componentes. El diseño de la estructura topológica determina directamente la eficiencia y el rendimiento del producto, y el diseño de la estructura de disipación de calor determina la eficiencia de disipación de calor del producto, que tiene un umbral técnico alto.
Como producto electrónico de potencia con un umbral técnico alto, el módulo de carga debe considerar muchos parámetros para lograr una alta calidad, como: volumen, masa, método de disipación de calor, voltaje de salida, corriente, eficiencia, densidad de potencia, ruido, temperatura de operación, pérdida en espera, etc. Anteriormente, las pilas de carga tenían baja potencia y mala calidad, y los requisitos para los módulos de carga no eran altos. Sin embargo, bajo la tendencia de alta potencia, los módulos de carga de baja calidad causarán problemas importantes en la etapa de operación posterior de la pila de carga y aumentarán los costos de operación y mantenimiento posteriores. Por lo tanto, se espera que los requisitos de las empresas de pilas de carga para la calidad del módulo de carga aumenten aún más, y se impondrán mayores requisitos a las capacidades técnicas de los fabricantes de módulos de carga.
2.1. Estandarización de los módulos de carga
La estandarización de los módulos de carga mejora constantemente. La Red Eléctrica Estatal ha emitido especificaciones de diseño estandarizadas para las pilas de carga y los módulos de carga dentro del sistema:
(1) Pila de carga de “seis unificaciones”: rendimiento eléctrico unificado, diseño estructural unificado, diseño de componentes especiales unificado, selección de dispositivos generales unificada, estructura de apariencia unificada e instalación de equipos unificada;
Los productos de Tonghe Technology son principalmente módulos de potencia constante de alto voltaje de 20 kW y módulos de potencia constante de alto voltaje de 30 kW y 40 kW que cumplen con los estándares de "seis unificaciones" de State Grid;
(2) Módulo de carga “tres unificaciones”: tamaño de apariencia de módulo unificado, interfaz de instalación de módulo unificada y protocolo de comunicación de módulo unificado. La estandarización de las especificaciones de diseño de la pila de carga y del módulo de carga ha resuelto en cierta medida el problema de la mala compatibilidad de los productos en el mercado en el pasado y promoverá de manera efectiva el rápido desarrollo de la industria de la pila de carga.
2.2 Los módulos de carga evolucionan hacia una alta potencia
La potencia de un solo módulo de carga ha evolucionado gradualmente desde los 3 kW, 7.5 kW y 15 kW iniciales hasta los 20 kW, 30 kW y 40 kW actuales, y continúa avanzando hacia niveles de potencia más altos, como 50 kW, 60 kW y 100 kW. Esta mejora de potencia no solo significa que se puede generar más potencia por unidad de tiempo, sino que también aumenta significativamente el valor y la rentabilidad de los productos de módulos de carga. Con el avance de la tecnología y la expansión continua del mercado, la industria de los módulos de carga seguirá generando más oportunidades de desarrollo.
Por ejemplo, en el mercado actual de pilas de carga donde la potencia de una sola pistola es de 60-120KW, el módulo de 15KW también puede satisfacer la demanda del mercado, pero muchas empresas de pilas utilizan módulos de 40kW con un menor costo por vatio en función del costo de toda la máquina. De hecho, cuantos más módulos del sistema haya, menor será el impacto de la falla de un solo módulo en el sistema general. Los propietarios de automóviles no necesitan correr el riesgo de un tiempo de carga prolongado debido a la disponibilidad reducida del sistema. Cuando los operadores de pilas de carga realizan una asignación inteligente de carga flexible, esperan que la granularidad del módulo sea menor, lo que es más fácil de programar y asignar, reduce el desperdicio de energía y una sola falla tiene menos impacto en la disponibilidad del sistema, y los requisitos de puntualidad de operación y mantenimiento también se reducirán. Por lo tanto, el diseño actual de las empresas principales es relativamente completo y la cobertura del mercado son principalmente productos de 30/40kW.
En noviembre de 2022, Sinexcel Electric lanzó con éxito el primer módulo de carga de CC de 50 kW en China, que está equipado con dispositivos centrales SICMOS en su interior, con una eficiencia máxima de más del 97%, y ha obtenido certificados de ventas para el mercado nacional.
En la Tercera Conferencia Internacional de Operadores de Pilas de Carga de China de 2022, Eurotron lanzó por primera vez su producto ACDC de 75KW, con un voltaje de salida de hasta 1000V DC y una eficiencia máxima del 97%.
3. Diversificación de los métodos de disipación de calor
La dirección actual de desarrollo de la tecnología del módulo de carga, desde la perspectiva de los métodos de disipación de calor, se divide aproximadamente en tres categorías de productos: uno es el módulo de tipo ventilación directa, que es el tipo de producto principal en el mercado y es producido por todas las empresas de módulos; uno es el módulo de tipo aislamiento con conducto de aire independiente y relleno de pegamento, el primero está representado por UUGREENPOWER, y el segundo está representado por INFYPOWER y Tonhe Elect; uno es el módulo de carga de disipación de calor de refrigeración líquida completa, representado por INFYPOWER y HUAWEI.
Los tres tipos de productos de módulos de carga tienen características de iteración técnica y, debido al principio de uso económico, el método de disipación de calor se mejora y optimiza. Para las empresas operadoras de pilas de carga, la tasa de fallas de las pilas de carga y las molestias por ruido son dos problemas importantes. Entre ellos, la tasa de fallas de las pilas de carga afecta directamente la rentabilidad del sitio y la experiencia del usuario. La principal razón de la falla de las pilas de carga es la falla del módulo de carga. El módulo refrigerado por aire es el tipo de producto más utilizado en la actualidad.
4. Tecnología de alta corriente y alto voltaje
A medida que aumenta gradualmente el kilometraje, es necesario afrontar desafíos como la reducción del tiempo de carga y la reducción de los costos de uso. La tarea principal es optimizar el tamaño del módulo para lograr mejoras de potencia. Dado que la potencia de la pila de carga depende principalmente de la superposición de potencia de los módulos de carga y está limitada por el volumen del producto, el espacio en el suelo y el costo de fabricación, simplemente aumentar la cantidad de módulos ya no es la mejor solución. Por lo tanto, cómo aumentar la potencia de un solo módulo sin aumentar el volumen adicional se ha convertido en un problema técnico que los fabricantes de módulos de carga necesitan superar urgentemente.
Los equipos de carga de CC logran excelentes capacidades de carga rápida mediante tecnología de alta corriente y alto voltaje. Con el aumento gradual del voltaje y la potencia, esto plantea requisitos más estrictos en cuanto al funcionamiento estable, la disipación de calor eficiente y la eficiencia de conversión del módulo de carga, lo que sin duda plantea mayores desafíos técnicos para los fabricantes de módulos de carga.
Ante la demanda del mercado de carga rápida de alta potencia, los fabricantes de módulos de carga necesitan innovar y actualizar continuamente la tecnología subyacente y construir sus propias barreras tecnológicas básicas. Esto se convertirá en la clave para la futura competencia en el mercado. Solo dominando la tecnología básica podremos ser invencibles en la feroz competencia del mercado.
(1) Ruta de alta corriente: bajo nivel de promoción y altos requisitos de gestión térmica. Según la ley de Joule (fórmula Q=I2Rt), el aumento de la corriente aumentará en gran medida el calor generado durante la carga, lo que impone altas exigencias a la disipación de calor. Por ejemplo, la solución de carga rápida de alta corriente de Tesla, su pila de supercarga V3 tiene una corriente de funcionamiento máxima de más de 600 A, lo que requiere el uso de arneses de cableado más gruesos. Al mismo tiempo, tiene mayores requisitos para la tecnología de disipación de calor y solo puede alcanzar una potencia de carga máxima de 250 kW al 5%-27% SOC, y la carga eficiente no está completamente cubierta. En la actualidad, los fabricantes de automóviles nacionales no han realizado cambios importantes personalizados en la solución de disipación de calor, y las pilas de carga de alta corriente dependen en gran medida de sistemas de fabricación propia, lo que tiene altos costos de promoción.
(2) Ruta de alto voltaje: Este es el modo que actualmente adoptan comúnmente los fabricantes de automóviles, que puede tener en cuenta las ventajas de reducir el consumo de energía, mejorar la vida útil de la batería, reducir el peso y ahorrar espacio. Actualmente, debido a la resistencia de voltaje de los dispositivos de potencia IGBT basados en silicio, la solución de carga rápida que adoptan comúnmente las compañías automotrices es la plataforma de alto voltaje de 400 V, es decir, se puede lograr una potencia de carga de 100 kW con una corriente de 250 A (la carga de potencia de 100 kW durante 10 minutos puede viajar unos 100 km). Desde que Porsche lanzó la plataforma de alto voltaje de 800 V (que logra una potencia de 300 KW y reduce los arneses de cableado de alto voltaje a la mitad), las principales compañías automotrices han comenzado la investigación y el diseño de la plataforma de alto voltaje de 800 V. En comparación con la plataforma de 400 V, la plataforma de voltaje de 800 V tiene una corriente de operación más pequeña, lo que ahorra volumen del arnés de cableado y reduce la pérdida de resistencia interna del circuito, mejorando así la densidad de potencia y la eficiencia energética disfrazada.
5. Los requisitos de confiabilidad son cada vez más altos
Bajo la presión de los bajos costos, las pilas de carga aún enfrentan grandes desafíos para ser seguras, confiables y estables. Dado que las pilas de carga se instalan al aire libre, el polvo, la temperatura y la humedad no están bien protegidos, y el entorno es relativamente duro. En condiciones de trabajo especiales, como altas latitudes, mucho frío y grandes altitudes, los requisitos de rendimiento de los módulos de carga son extremadamente altos.
En la actualidad, el módulo de 15 kW disipa principalmente el calor mediante refrigeración por aire forzado, lo que inevitablemente genera interferencias como polvo, gases corrosivos y humedad. Por lo tanto, las fallas del módulo se concentran principalmente en el fenómeno de "explosión en caliente" causado por el medio ambiente. Para superar las consecuencias adversas de la refrigeración por aire forzado, la refrigeración natural (que se basa principalmente en disipadores de calor) es una de las posibles opciones efectivas.
6. Tecnología de carga bidireccional V2G
Además de la función tradicional de cargar vehículos eléctricos, el módulo de carga también está desarrollando la tecnología de carga bidireccional. El desarrollo de módulos bidireccionales ha permitido implementar la tecnología V2G y la tecnología V2H, que desempeñan un papel positivo en la reducción de picos y el llenado de valles, el equilibrio de la carga de energía y la mejora de la eficiencia de las pilas de carga.
La política de integración de carga y almacenamiento fotovoltaico proporciona un diseño de políticas de alto nivel para la carga inteligente y ordenada y la carga y descarga bidireccionales, y determina la dirección para que las estaciones de carga participen en la regulación de picos y valles de la red, plantas de energía virtuales, transacciones agregadas y carga y almacenamiento integrados. Sin embargo, estos son inseparables de la base de hardware de los módulos de carga V2G bidireccionales. El primer fabricante nacional en investigar previamente los módulos de carga V2G bidireccionales fue Infrared. En la actualidad, la participación de mercado de los módulos V2G de Infrared es una ventaja absoluta, y las pilas de carga V2G en el sistema de la red eléctrica son las únicas.
7. Operación y mantenimiento inteligente
Existen muchos desafíos en el mercado actual de operaciones de carga. En primer lugar, los costos de operación y mantenimiento de las estaciones de carga son altos. Para los operadores que utilizan equipos de carga con altas tasas de fallas, los costos de operación y mantenimiento superan el 10% de los ingresos operativos. La inteligencia insuficiente conduce a la necesidad de inspecciones periódicas, una gran inversión en mano de obra de operación y mantenimiento, y la operación y el mantenimiento inoportunos también conducirán a una mala experiencia de carga del usuario; en segundo lugar, el ciclo de vida del equipo es corto y la potencia y el voltaje de las pilas de carga construidas en la etapa inicial no pueden satisfacer las necesidades de evolución de carga de los vehículos futuros, desperdiciando la inversión inicial de los operadores; en tercer lugar, la baja eficiencia afecta los ingresos operativos; en cuarto lugar, las pilas de carga de CC son ruidosas, lo que afecta directamente la selección del sitio de las estaciones. Con el fin de resolver los puntos críticos de las instalaciones de carga y seguir la tendencia de desarrollo de la industria.
Tomemos como ejemplo el módulo de carga rápida de CC HUAWEI HiCharger de Huawei. En términos de operación y mantenimiento inteligentes, el módulo de carga rápida de CC HUAWEI HiCharger también aporta nuevas características de valor a los clientes. A través de los datos de temperatura recopilados por sensores internos y combinados con algoritmos de inteligencia artificial, HUAWEI HiCharger puede identificar el bloqueo de la pantalla antipolvo de la pila de carga y el estado de bloqueo del ventilador del módulo, y recordar de forma remota a los operadores que implementen un mantenimiento preciso y predecible, eliminando las inspecciones frecuentes en el sitio.
Para solucionar el problema del ruido, el módulo de carga rápida de CC HUAWEI HiCharger ofrece un modo silencioso para aplicaciones en entornos sensibles al ruido. Al mismo tiempo, se controla la temperatura del sensor del módulo para ajustar con precisión la velocidad del ventilador según el cambio de temperatura ambiente. Cuando la temperatura ambiente baja, la velocidad del ventilador disminuye, lo que reduce el ruido y logra una temperatura y un nivel de ruido bajos.
El módulo de carga rápida de CC HUAWEI HiCharger adopta tecnología de protección de aislamiento completo y relleno de pegamento para resolver el problema de que el módulo de carga refrigerado por aire se ve fácilmente afectado por el medio ambiente y falla. A través de pruebas de acumulación de polvo y alta humedad, pruebas aceleradas de niebla salina alta y pruebas de confiabilidad a largo plazo en Hainan, Xishuangbanna, Dunhuang, Lhasa y otros campos, se ha verificado la confiabilidad a largo plazo del módulo en escenarios difíciles, lo que reduce en gran medida los costos de operación y mantenimiento del operador.
Como una nueva iteración de la generación anterior de módulos de carga, la versión extranjera del módulo de carga rápida de CC de 20 kW tiene una eficiencia máxima del 96.55%, y la versión doméstica del de 30 kW tiene una eficiencia máxima del 96.4%. Mediante la aplicación de una topología patentada eficiente, un algoritmo de control eficiente y dispositivos de baja pérdida para reducir las pérdidas, un diseño de conducto de aire suave, una regulación precisa de la velocidad del ventilador, se reducen las pérdidas adicionales causadas por la disipación de calor y se logra la eficiencia óptima del módulo.
