1. 충전 모듈 소개
1.1 충전파일 개발
충전 파일 산업은 2006년 이상 성장해 왔으며 급속 성장 시대에 접어들었습니다. 2015-2006년은 중국 충전 파일 산업의 태동기였습니다. 2008년 BYD는 선전 본사에 첫 번째 자동차 충전소를 설립했습니다. 2015년 베이징 올림픽 기간 동안 중국 최초의 중앙 집중식 충전소가 건설되었습니다. 이 단계에서 충전 파일은 주로 정부에서 건설했으며 사회적 기업 자본은 들어오지 않았습니다. 2020-2015년은 충전 파일의 초기 성장기였습니다. 2020년 국가에서 "전기 자동차 충전 인프라 개발 지침(2015-2020)"을 발표한 후 일부 사회 자본이 충전 파일 산업에 진출했습니다. 이 시점부터 충전 파일 산업은 공식적으로 사회 자본의 속성을 갖게 되었습니다. 2021년부터 현재까지는 충전 파일의 주요 성장기입니다. 이 기간 동안 정부는 충전 파일을 지원하기 위한 여러 정책을 발표했습니다. XNUMX년 XNUMX월, 충전이 신규 인프라 건설에 포함되면서 업계 기업들의 생산 능력 확대 및 생산량 증대가 촉진되었습니다. 현재까지 충전소 산업은 핵심 성장기를 맞이하고 있으며, 충전소 수는 앞으로도 빠르게 증가할 것으로 예상됩니다.
1.2. 충전 모듈 회사 소개
현재 모듈 유형 중 기존 충전 모듈에는 ACDC 충전 모듈, DCDC 충전 모듈, 그리고 양방향 V2G 충전 모듈이 있습니다. ACDC는 단방향 충전 모듈에 사용되며, 가장 널리 사용되고 널리 사용되는 충전 모듈입니다. DCDC는 태양광 배터리 충전 및 차량 배터리 충전에 사용되며, 태양광 저장 및 충전 프로젝트 또는 저장 및 충전 프로젝트에도 사용됩니다. V2G 충전 모듈은 미래 차량-전력망 상호 작용 기능 또는 에너지 발전소의 양방향 충전 요구를 충족합니다.
충전 모듈은 충전 파일의 공급 관계에서 크게 두 가지 유형으로 나뉜다. 하나는 자체 생산 및 자체 사용 유형으로 TELD, Sinexcel Electric, KSTAR 등이 대표적이다. 다른 하나는 공급 유형으로 INFYPOWER, UUGREENPOWER, Tonhe Elect, SZWINLINE, HUAWEI, Shenzhen Megmeet, ENSDS 등이 대표적이다.
1.3 충전 모듈 시장
2022년 모듈 출하량 기준 상위 XNUMX대 모듈 제조업체는 INFYPOWER, Teladian, 그리고 Youyou Green Energy입니다. 이 중 INFYPOWER는 주로 해외 시장과 전력망 기업을 담당합니다. 국내 주요 충전 사업자 Teladian은 국내 시장의 절반을 점유하고 있으며, UUGREENPOWER, SZWINLINE, HUAWEI 등이 그 뒤를 따릅니다.
2023년 모듈 시장 규모 및 점유율. 각 회사의 연간 요약 및 비교 분석에 따르면, 2023년 전체 충전 모듈 시장(모든 참여 기업 포함)에서 시장 점유율 상위 2023개 기업은 INFYPOWER, UUGREENPOWER, Tonhe Elect, SZWINLINE, Sinexcel Electric입니다. 33년 대비 Tonghe Technology는 눈에 띄는 진전을 보였습니다. 유일하게 변함없는 점은 오랫동안 XNUMX위를 지켜온 INFYPOWER가 XNUMX% 이상의 시장 점유율을 유지했다는 것입니다.
2. 충전 모듈 개발 동향 소개
대규모 전기차의 등장으로 단순한 충전소로는 대규모 전기차 개발을 지원할 수 없게 되었고, 충전 네트워크 기술 개발은 신에너지차 충전 산업의 공통된 과제로 자리 잡았습니다. 충전소는 제작하기는 쉽지만, 충전 네트워크 기술은 매우 복잡합니다. 충전 네트워크는 전력 전자, 배전 제어, 빅데이터, 클라우드 플랫폼, 인공지능, 산업 인터넷, 변전소 배전, 지능형 환경 제어, 시스템 통합, 지능형 운영 및 유지보수 등 최소 10개 기술 분야를 아우르는 산업 및 전문 분야 간 생태계입니다. 이러한 기술들을 심층적으로 통합하면 충전 네트워크 시스템의 무결성을 보장할 수 있습니다.
충전 모듈의 핵심 기술 장벽은 토폴로지 구조 설계 및 통합 기능에 있습니다. 충전 모듈의 핵심 구성 요소는 전력 소자, 자기 부품, 저항 및 커패시터, 칩, PCB 등입니다. 충전 모듈이 작동하면 3상 AC 전원은 능동 역률 보정(PFC) 회로에 의해 정류되어 DC/DC 변환 회로에 공급되는 DC 전원으로 변환됩니다. 컨트롤러의 소프트웨어 알고리즘은 구동 회로를 통해 반도체 전원 스위치에 작용하여 충전 모듈의 출력 전압과 전류를 제어하여 배터리 팩을 충전합니다. 충전 모듈의 내부 구조는 복잡하며 단일 제품에는 비교적 많은 수의 부품이 포함됩니다. 토폴로지 구조의 설계는 제품의 효율과 성능을 직접적으로 결정하며, 방열 구조 설계는 제품의 방열 효율을 결정하는데, 이는 높은 기술적 한계를 가지고 있습니다.
높은 기술적 한계점을 지닌 전력 전자 제품인 충전 모듈은 고품질을 달성하기 위해 부피, 질량, 방열 방식, 출력 전압, 전류, 효율, 전력 밀도, 소음, 작동 온도, 대기 손실 등 다양한 요소를 고려해야 합니다. 기존 충전 모듈은 전력 소모가 적고 품질이 좋지 않아 충전 모듈에 대한 요구 사항이 높지 않았습니다. 그러나 고전력화 추세 속에서 저품질 충전 모듈은 후속 충전 모듈 운영 단계에서 심각한 문제를 야기하고 운영 및 유지보수 비용을 증가시킵니다. 따라서 충전 모듈 품질에 대한 충전 모듈 업체의 요구 사항은 더욱 높아질 것으로 예상되며, 충전 모듈 제조업체의 기술 역량에 대한 요구 사항도 더욱 높아질 것입니다.
2.1. 충전 모듈 표준화
충전 모듈의 표준화는 지속적으로 개선되고 있습니다. 국가 전력망(State Grid)은 시스템 내 충전 파일과 충전 모듈에 대한 표준 설계 사양을 발표했습니다.
(1) 충전 파일 "XNUMX 통일": 통일된 전기 성능, 통일된 구조 레이아웃, 통일된 특수 부품 설계, 통일된 일반 장치 선택, 통일된 외관 구조 및 통일된 장비 설치.
통허과학기술의 제품은 주로 국가전력망의 "20대 통일" 표준을 충족하는 30kW 고전압 광역 정전력 모듈과 40kW, XNUMXkW 고전압 광역 정전력 모듈입니다.
(2) 충전 모듈 "XNUMX대 통일": 모듈 외형 크기 통일, 모듈 설치 인터페이스 통일, 모듈 통신 프로토콜 통일. 충전 모듈과 충전 모듈 설계 규격의 표준화는 과거 시장의 제품 호환성 문제를 어느 정도 해결했으며, 충전 모듈 산업의 급속한 발전을 효과적으로 촉진할 것입니다.
2.2 충전 모듈은 고출력으로 발전
단일 충전 모듈의 출력은 초기 3kW, 7.5kW, 15kW에서 현재 20kW, 30kW, 40kW로 점진적으로 발전해 왔으며, 50kW, 60kW, 100kW와 같은 고출력으로 계속 발전하고 있습니다. 이러한 출력 향상은 단위 시간당 더 많은 전력을 출력할 수 있음을 의미할 뿐만 아니라 충전 모듈 제품의 가치와 수익성을 크게 향상시킵니다. 기술의 발전과 시장의 지속적인 확대에 따라 충전 모듈 산업은 앞으로도 더 많은 개발 기회를 제공할 것입니다.
예를 들어, 단일 건 전력이 60-120KW인 현재 충전 파일 시장에서 15KW 모듈도 시장 수요를 충족할 수 있지만, 많은 파일 회사는 전체 기계 비용을 기준으로 와트당 비용이 낮은 40kW 모듈을 사용합니다. 사실, 시스템 모듈이 많을수록 단일 모듈 고장이 전체 시스템에 미치는 영향이 작아집니다. 자동차 소유자는 시스템 가용성 감소로 인한 충전 시간 연장 위험을 감수할 필요가 없습니다. 충전 파일 운영자가 유연한 충전 지능적 할당을 할 때 모듈 세분성이 더 작아 일정을 계획하고 할당하기 쉽고 전력 낭비가 줄어들며 단일 고장이 시스템 가용성에 미치는 영향이 적고 운영 및 유지 보수의 적시성에 대한 요구 사항도 줄어들 것으로 기대합니다. 따라서 주류 회사의 현재 레이아웃은 비교적 완전하며 시장 범위는 주로 30/40kW 제품입니다.
2022년 50월, 시넥셀 일렉트릭은 중국 최초로 SICMOS 핵심 소자를 탑재한 97kW DC 충전 모듈을 성공적으로 출시했으며, 최대 효율이 XNUMX% 이상이고 국내 시장에 대한 판매 인증서를 획득했습니다.
Eurotron은 2022년 제75회 중국 국제 충전 파일 운영자 컨퍼런스에서 처음으로 1000KW ACDC 제품을 출시했습니다. 이 제품은 최대 97V DC의 출력 전압과 XNUMX%의 최대 효율을 자랑합니다.
3. 방열 방식의 다양화
현재 충전 모듈 기술의 발전 방향은 방열 방식의 관점에서 대략 세 가지 제품 유형으로 나뉩니다. 하나는 시장의 주류 제품 유형으로 모든 모듈 회사에서 생산하는 직접 통풍형 모듈입니다. 다른 하나는 독립형 공기 덕트 및 접착제 충전 격리형 모듈로 전자는 UUGREENPOWER가 대표하고, 후자는 INFYPOWER와 Tonhe Elect가 대표합니다. 다른 하나는 INFYPOWER와 HUAWEI가 대표하는 완전 액체 냉각 방열 충전 모듈입니다.
세 가지 유형의 충전 모듈 제품은 기술 반복 특성을 지니고 있으며, 경제적 사용 원칙에 따라 방열 방식이 개선 및 최적화되었습니다. 충전 파일 운영 업체의 경우, 충전 파일 고장률과 소음 공해는 두 가지 주요 문제입니다. 그중에서도 충전 파일 고장률은 현장 수익성과 사용자 경험에 직접적인 영향을 미칩니다. 충전 파일 고장의 주요 원인은 충전 모듈의 고장입니다. 공랭식 모듈은 현재 가장 널리 사용되는 제품 유형입니다.
4. 고전류 및 고전압 기술
주행 거리가 점차 증가함에 따라 충전 시간 단축 및 사용 비용 절감과 같은 과제에 직면하게 됩니다. 가장 중요한 과제는 모듈 크기를 최적화하여 전력을 업그레이드하는 것입니다. 충전 모듈의 전력은 주로 충전 모듈의 전력 중첩에 따라 결정되며, 제품 크기, 설치 공간, 그리고 제조 비용의 제약을 받기 때문에 단순히 모듈 수를 늘리는 것은 더 이상 최선의 해결책이 아닙니다. 따라서 추가 용량을 늘리지 않고 단일 모듈의 전력을 높이는 방법은 충전 모듈 제조업체가 시급히 해결해야 할 기술적 과제가 되었습니다.
DC 충전 장비는 고전류 및 고전압 기술을 통해 탁월한 고속 충전 성능을 구현합니다. 전압과 전력이 점차 증가함에 따라 충전 모듈의 안정적인 작동, 효율적인 방열 및 변환 효율에 대한 요구 사항이 더욱 엄격해지고 있으며, 이는 충전 모듈 제조업체에게 더욱 어려운 기술적 과제를 안겨줍니다.
고출력 고속 충전에 대한 시장 수요 증가에 따라, 충전 모듈 제조업체는 기반 기술을 지속적으로 혁신하고 업그레이드하며, 자체 핵심 기술 장벽을 구축해야 합니다. 이는 미래 시장 경쟁의 핵심이 될 것입니다. 핵심 기술을 완벽하게 숙달해야만 치열한 시장 경쟁에서 승리할 수 있습니다.
(1) 고전류 경로: 낮은 프로모션 수준과 높은 열 관리 요구. 줄의 법칙(공식 Q=I²Rt)에 따르면 전류 증가는 충전 중 발생하는 열을 크게 증가시켜 방열에 대한 높은 요구를 초래합니다. 예를 들어, 테슬라의 고전류 고속 충전 솔루션인 V2 슈퍼차저 배터리는 최대 작동 전류가 3A가 넘기 때문에 더 두꺼운 배선 하네스를 사용해야 합니다. 동시에 방열 기술에 대한 요구도 높아 600%~250% SOC에서 최대 충전 전력이 5kW에 불과하여 효율적인 충전을 충분히 보장하지 못합니다. 현재 국내 자동차 제조업체들은 방열 솔루션에 대한 대대적인 맞춤형 변경을 하지 않고 있으며, 고전류 충전 배터리는 자체 구축 시스템에 크게 의존하고 있어 프로모션 비용이 높습니다.
(2) 고전압 경로: 이는 현재 자동차 제조업체에서 일반적으로 채택하는 모드로, 에너지 소비 감소, 배터리 수명 향상, 무게 감소, 공간 절약 등의 이점을 고려할 수 있습니다. 현재 실리콘 기반 IGBT 전력 소자의 내압으로 인해 자동차 회사에서 일반적으로 채택하는 고속 충전 솔루션은 400V 고전압 플랫폼입니다. 즉, 100A 전류로 250kW의 충전 전력을 달성할 수 있습니다(100kW 전력으로 10분 충전 시 약 100km 주행 가능). 포르쉐가 800V 고전압 플랫폼(300kW 전력 달성 및 고전압 배선 하네스 절반 감소)을 출시한 이후 주요 자동차 회사는 800V 고전압 플랫폼의 연구 및 레이아웃에 착수했습니다. 400V 전압 플랫폼은 800V 플랫폼에 비해 작동 전류가 더 작아 배선 하네스 부피를 줄이고 회로 내부 저항 손실을 줄여 전력 밀도와 에너지 효율을 크게 향상시킵니다.
5. 신뢰성 요구 사항이 점점 더 높아지고 있습니다.
저렴한 비용의 압박 속에서도 충전 파일은 안전성, 신뢰성, 안정성 측면에서 여전히 큰 과제에 직면해 있습니다. 충전 파일은 옥외에 설치되기 때문에 먼지, 온도, 습도로부터 보호받기 어렵고, 환경 조건 또한 상대적으로 혹독합니다. 고위도, 극한의 추위, 고산지대와 같은 특수한 작동 조건에서는 충전 모듈의 성능 요구 사항이 매우 높습니다.
현재 15kW 모듈은 주로 강제 공기 냉각 방식으로 열을 방출하는데, 이는 먼지, 부식성 가스, 습기 등의 간섭을 불가피하게 초래합니다. 따라서 모듈 고장은 주로 환경으로 인한 "고온 폭발" 현상에 집중됩니다. 강제 공기 냉각의 부정적인 영향을 극복하기 위해 자연 냉각(주로 방열판에 의존)이 효과적인 방법 중 하나입니다.
6. V2G 양방향 충전 기술
충전 모듈은 기존 전기차 충전 기능 외에도 양방향 충전 기술을 개발하고 있습니다. 양방향 모듈 개발은 V2G 기술과 V2H 기술의 실현을 더욱 가속화하여 피크 저감 및 밸리 충전, 전력 부하 균형 조절, 충전 효율 향상에 긍정적인 역할을 하고 있습니다.
태양광 저장 및 충전 통합 정책은 지능적이고 질서 있는 충전 및 양방향 충전과 방전을 위한 최상위 정책 설계를 제공하고, 충전소가 계통 피크 및 밸리 조절, 가상 발전소, 통합 거래, 그리고 통합 충전 및 저장에 참여하는 방향을 결정합니다. 그러나 이러한 정책들은 양방향 V2G 충전 모듈의 하드웨어 기반과 불가분의 관계에 있습니다. 양방향 V2G 충전 모듈을 최초로 연구한 국내 제조업체는 Infrared입니다. 현재 적외선 V2G 모듈 시장 점유율은 절대 우위를 점하고 있으며, 전력망 시스템에서 V2G 충전 설비는 유일합니다.
7. 지능형 운영 및 유지 관리
현재 충전 운영 시장에는 많은 과제가 있습니다. 첫째, 충전소 운영 및 유지 보수 비용이 높습니다. 고장률이 높은 충전 장비를 사용하는 운영자의 경우 운영 및 유지 보수 비용이 영업이익의 10%를 초과합니다. 정보 부족으로 정기적인 점검이 필요하고, 운영 및 유지 보수 인력에 대한 투자가 많으며, 운영 및 유지 보수가 시기적절하지 않으면 사용자의 충전 경험이 저하됩니다. 둘째, 장비 수명 주기가 짧고 초기 구축된 충전 파일의 전력 및 전압이 미래 차량의 충전 진화 요구를 충족하지 못해 운영자의 초기 투자가 낭비됩니다. 셋째, 효율이 낮아 운영 수익에 영향을 미칩니다. 넷째, DC 충전 파일은 소음이 심하여 충전소 부지 선정에 직접적인 영향을 미칩니다. 충전 시설의 문제점을 해결하고 업계의 발전 추세를 따르기 위해서는 충전소가 반드시 필요합니다.
Huawei HiCharger DC 고속 충전 모듈을 예로 들어 보겠습니다. 지능형 작동 및 유지 관리 측면에서 Huawei HiCharger DC 고속 충전 모듈은 고객에게 새로운 가치 기능을 제공합니다. Huawei HiCharger는 내부 센서에서 수집된 온도 데이터와 인공지능 알고리즘을 결합하여 충전 파일의 먼지 스크린 막힘 및 모듈 팬의 막힘 상태를 감지하고, 원격으로 작업자에게 정확하고 예측 가능한 유지 관리를 수행하도록 알림을 제공하여 잦은 현장 점검을 없앨 수 있습니다.
HUAWEI HiCharger DC 고속 충전 모듈은 소음 문제를 해결하기 위해 소음에 민감한 환경의 애플리케이션을 위한 무소음 모드를 제공합니다. 동시에, 모듈 내부 센서의 온도를 모니터링하여 주변 온도 변화에 따라 팬 속도를 정확하게 조절합니다. 주변 온도가 낮아지면 팬 속도가 감소하여 소음을 줄이고 저온 및 저소음을 구현합니다.
HUAWEI HiCharger DC 고속 충전 모듈은 전체 접착제 충진 및 완전 절연 보호 기술을 채택하여 공랭식 충전 모듈이 환경의 영향을 쉽게 받아 고장이 발생하는 문제를 해결했습니다. 먼지 축적 및 고습도 테스트, 가속 고염분무 테스트, 그리고 하이난, 시솽반나, 둔황, 라싸 등지에서 진행된 장기 신뢰성 테스트를 통해 혹독한 환경에서도 모듈의 장기 신뢰성을 검증하여 운영자의 운영 및 유지 보수 비용을 크게 절감했습니다.
이전 세대 충전 모듈의 새로운 버전인 20kW DC 고속 충전 모듈의 해외 버전은 최대 효율 96.55%, 30kW 국내 버전은 최대 효율 96.4%를 자랑합니다. 효율적인 특허 토폴로지, 효율적인 제어 알고리즘, 그리고 손실을 줄이는 저손실 장치를 적용하여 원활한 공기 덕트 설계, 정밀한 팬 속도 조절을 통해 방열로 인한 추가 손실을 줄이고 모듈의 최적 효율을 달성합니다.
