1. Wprowadzenie do modułu ładowania
1.1 Rozwój stosu ładującego
Branża stosów ładowania rozwija się od ponad dziesięciu lat i weszła w erę szybkiego wzrostu. Lata 2006–2015 były embrionalnym etapem rozwoju chińskiej branży stosów ładowania. W 2006 r. firma BYD utworzyła pierwszą stację ładowania samochodów w swojej siedzibie w Shenzhen. W 2008 r. podczas Igrzysk Olimpijskich w Pekinie zbudowano pierwszą scentralizowaną stację ładowania w Chinach. Na tym etapie stosy ładowania były budowane głównie przez rząd, a kapitał przedsiębiorstw społecznych nie wchodził w grę. Lata 2015–2020 były wczesnym okresem wzrostu stosów ładowania. Po wydaniu przez państwo „Wytycznych dotyczących rozwoju infrastruktury ładowania pojazdów elektrycznych (2015–2020)” w 2015 r. przyciągnęło ono pewien kapitał społeczny, aby wejść do branży stosów ładowania. Od tego momentu branża stosów ładowania oficjalnie ma atrybuty kapitału społecznego. Lata 2020–do tej pory są kluczowym okresem wzrostu stosów ładowania. W tym okresie rząd wydał kilka polityk wspierających stosy ładowania. W marcu 2021 r. ładowanie zostało włączone do budowy nowej infrastruktury, co stymuluje przedsiębiorstwa branżowe do dalszej rozbudowy mocy produkcyjnych i zwiększenia produkcji. Jak dotąd branża pali ładujących nadal znajduje się w kluczowym okresie wzrostu, a liczba pali ładujących ma nadal szybko rosnąć.
1.2. Wprowadzenie do firm oferujących moduły ładowania
Z obecnego typu modułu, istniejące moduły ładowania obejmują moduł ładowania ACDC, moduł ładowania DCDC i dwukierunkowy moduł ładowania V2G. ACDC jest używany do jednokierunkowych stosów ładowania, które są najszerzej stosowanym i najszerzej stosowanym modułem ładowania. DCDC jest używany do ładowania akumulatorów fotowoltaicznych i ładowania akumulatorów pojazdów i jest używany w projektach magazynowania i ładowania fotowoltaicznego lub projektach magazynowania i ładowania. Moduł ładowania V2G ma rozwiązać przyszłe potrzeby interaktywności pojazdu z siecią lub dwukierunkowego ładowania elektrowni energetycznych.
Biorąc pod uwagę sposób zasilania stosów ładujących, moduły ładujące można podzielić na dwie główne kategorie: moduły do samodzielnej produkcji i samodzielnego użytku, reprezentowane przez TELD, Sinexcel Electric, KSTAR itp.; moduły ładujące są typu zasilającego, reprezentowane przez INFYPOWER, UUGREENPOWER, Tonhe Elect, SZWINLINE, HUAWEI, Shenzhen Megmeet, ENSDS itp.
1.3 Rynek modułów ładowania
Trzema największymi producentami modułów pod względem dostaw modułów w 2022 r. są INFYPOWER, Teladian i Youyou Green Energy. Spośród nich INFYPOWER odpowiada głównie za rynki zagraniczne i firmy sieci energetycznych. Teladian, jako wiodący krajowy operator ładowania, zajmuje połowę rynku krajowego, a następnie UUGREENPOWER, SZWINLINE, HUAWEI itp.
Wielkość rynku modułów i udział w 2023 r. Zgodnie z rocznym podsumowaniem i analizą porównawczą każdej firmy, na całym rynku modułów ładowania, obejmującym wszystkich uczestników w 2023 r., pięć największych firm pod względem udziału w rynku to: INFYPOWER, UUGREENPOWER, Tonhe Elect, SZWINLINE, Sinexcel Electric; w porównaniu z 2023 r. Tonghe Technology poczyniło oczywisty postęp. Jedyną niezmienną rzeczą jest to, że INFYPOWER, który od dawna znajduje się na szczycie listy, utrzymał udział w rynku na poziomie ponad 33%.
2. Wprowadzenie do trendu rozwojowego modułów ładowania
Wraz z pojawieniem się pojazdów elektrycznych na dużą skalę, proste stosy ładowania są oczywiście niezdolne do wspierania rozwoju pojazdów elektrycznych na dużą skalę, a droga technologii sieci ładowania stała się konsensusem w branży ładowania pojazdów nowej energii. Łatwo jest wykonać stosy ładowania, ale bardzo skomplikowanie jest wykonać technologię sieci ładowania. Sieć ładowania jest międzybranżowym i międzyprofesjonalnym systemem ekologicznym, obejmującym co najmniej 10 dziedzin technologii, takich jak elektronika mocy, sterowanie dyspozytorskie, duże zbiory danych, platforma w chmurze, sztuczna inteligencja, przemysłowy Internet, dystrybucja podstacji, inteligentna kontrola środowiska, integracja systemów oraz inteligentna obsługa i konserwacja. Głęboka integracja tych technologii może zapewnić integralność systemu sieci ładowania.
Główne bariery techniczne modułu ładowania leżą w topologicznej strukturze projektu i możliwościach integracji. Kluczowymi komponentami modułu ładowania są urządzenia zasilające, komponenty magnetyczne, rezystory i kondensatory, układy scalone, płytki PCB itp. Gdy moduł ładowania działa, trójfazowy prąd przemienny jest prostowany przez obwód aktywnej korekcji współczynnika mocy (PFC) i staje się prądem stałym, aby zasilić obwód konwersji DC/DC. Algorytm oprogramowania kontrolera działa na przełącznik zasilania półprzewodnikowego poprzez obwód napędowy, aby kontrolować napięcie wyjściowe i prąd modułu ładowania, ładując w ten sposób akumulator. Wewnętrzna struktura modułu ładowania jest złożona, a pojedynczy produkt zawiera stosunkowo dużą liczbę komponentów. Projekt struktury topologicznej bezpośrednio określa wydajność i osiągi produktu, a projekt struktury rozpraszania ciepła określa wydajność rozpraszania ciepła produktu, która ma wysoki próg techniczny.
Jako produkt elektroniki mocy o wysokim progu technicznym, moduł ładowania musi uwzględniać wiele parametrów, aby osiągnąć wysoką jakość, takich jak: objętość, masa, metoda rozpraszania ciepła, napięcie wyjściowe, prąd, wydajność, gęstość mocy, hałas, temperatura robocza, strata w trybie gotowości itp. Wcześniej stosy ładowania miały niską moc i słabą jakość, a wymagania dotyczące modułów ładowania nie były wysokie. Jednak w związku z trendem wysokiej mocy, moduły ładowania niskiej jakości spowodują poważne problemy na późniejszym etapie eksploatacji stosu ładowania i zwiększą późniejsze koszty eksploatacji i konserwacji. Dlatego też oczekuje się, że wymagania firm zajmujących się stosami ładowania dotyczące jakości modułów ładowania będą dalej rosły, a wyższe wymagania zostaną nałożone na możliwości techniczne producentów modułów ładowania.
2.1. Standaryzacja modułu ładowania
Standaryzacja modułów ładowania stale się poprawia. State Grid wydała standardowe specyfikacje projektowe dla pali ładowania i modułów ładowania w systemie:
(1) Stos ładujący „sześć unifikacji”: ujednolicona wydajność elektryczna, ujednolicony układ strukturalny, ujednolicona konstrukcja specjalnych komponentów, ujednolicony ogólny wybór urządzeń, ujednolicona struktura wyglądu i ujednolicona instalacja sprzętu;
Produkty firmy Tonghe Technology to głównie 20-kilowatowe moduły o stałej mocy i szerokim zakresie napięcia oraz 30-kilowatowe i 40-kilowatowe moduły o stałej mocy, które spełniają standardy „sześciu unifikacji” Państwowej Sieci Energetycznej;
(2) Moduł ładowania „trzy unifikacje”: ujednolicony rozmiar wyglądu modułu, ujednolicony interfejs instalacji modułu i ujednolicony protokół komunikacji modułu. Standaryzacja specyfikacji stosu ładowania i projektu modułu ładowania w pewnym stopniu rozwiązała problem słabej kompatybilności produktów na rynku w przeszłości i skutecznie będzie promować szybki rozwój branży stosów ładowania.
2.2 Moduły ładowania rozwijają się w kierunku dużej mocy
Moc pojedynczego modułu ładowania stopniowo ewoluowała od wczesnych 3 kW, 7.5 kW i 15 kW do obecnych 20 kW, 30 kW i 40 kW i nadal zmierza w kierunku wyższych poziomów mocy, takich jak 50 kW, 60 kW i 100 kW. Ta modernizacja mocy oznacza nie tylko, że można uzyskać więcej mocy na jednostkę czasu, ale także znacznie zwiększa wartość i rentowność produktów modułów ładowania. Dzięki rozwojowi technologii i ciągłej ekspansji rynku, branża modułów ładowania będzie nadal wprowadzać więcej możliwości rozwoju.
Na przykład na obecnym rynku stosów ładowania, gdzie moc pojedynczego działa wynosi 60-120 kW, moduł 15 kW może również sprostać zapotrzebowaniu rynku, ale wiele firm zajmujących się stosami używa modułów 40 kW o niższym koszcie na wat w oparciu o koszt całej maszyny. W rzeczywistości im więcej modułów systemowych, tym mniejszy wpływ awarii pojedynczego modułu na cały system. Właściciele samochodów nie muszą ponosić ryzyka wydłużonego czasu ładowania z powodu zmniejszonej dostępności systemu. Kiedy operatorzy stosów ładowania dokonują elastycznego inteligentnego przydziału ładowania, oczekują, że granularność modułów będzie mniejsza, co ułatwia planowanie i przydzielanie, zmniejsza marnotrawstwo energii, a pojedyncza awaria ma mniejszy wpływ na dostępność systemu, a wymagania dotyczące terminowości obsługi i konserwacji również zostaną zmniejszone. Dlatego obecny układ głównych firm jest stosunkowo kompletny, a pokrycie rynku obejmuje głównie produkty 30/40 kW.
W listopadzie 2022 r. Sinexcel Electric pomyślnie wprowadził na rynek Chin pierwszy moduł ładowania prądem stałym o mocy 50 kW, wyposażony w rdzeniowe urządzenia SICMOS o maksymalnej sprawności ponad 97% i uzyskał certyfikaty sprzedaży na rynek krajowy.
Podczas Trzeciej Międzynarodowej Konferencji Operatorów Stosów Ładujących w Chinach w 2022 r. firma Eurotron po raz pierwszy zaprezentowała swój produkt ACDC o mocy 75 kW, napięciu wyjściowym do 1000 V DC i szczytowej sprawności 97%.
3. Dywersyfikacja metod odprowadzania ciepła
Aktualny kierunek rozwoju technologii modułów ładowania, z perspektywy metod odprowadzania ciepła, można podzielić na trzy kategorie produktów: pierwsza to moduł z bezpośrednią wentylacją, który jest głównym typem produktu na rynku i jest produkowany przez wszystkie firmy modułowe; druga to niezależny kanał powietrzny i moduł izolacji wypełniony klejem, pierwszy reprezentowany jest przez UUGREENPOWER, a drugi przez INFYPOWER i Tonhe Elect; trzecia to moduł ładowania z pełnym chłodzeniem cieczowym i odprowadzaniem ciepła, reprezentowany przez INFYPOWER i HUAWEI.
Trzy typy produktów modułów ładowania mają techniczne cechy iteracyjne, a ze względu na zasadę ekonomicznego użytkowania, metoda rozpraszania ciepła jest ulepszona i zoptymalizowana. Dla firm obsługujących stosy ładowania, wskaźnik awaryjności stosów ładowania i uciążliwy hałas to dwa główne problemy. Spośród nich wskaźnik awaryjności stosów ładowania bezpośrednio wpływa na rentowność witryny i doświadczenie użytkownika. Głównym powodem awarii stosów ładowania jest awaria modułu ładowania. Moduł chłodzony powietrzem jest obecnie najszerzej stosowanym typem produktu.
4. Technologia wysokiego prądu i wysokiego napięcia
Wraz ze stopniowym wzrostem przebiegu, trzeba stawić czoła wyzwaniom, takim jak skrócenie czasu ładowania i obniżenie kosztów użytkowania. Podstawowym zadaniem jest optymalizacja rozmiaru modułu w celu uzyskania ulepszeń mocy. Ponieważ moc stosu ładowania zależy głównie od superpozycji mocy modułów ładujących i jest ograniczona przez objętość produktu, powierzchnię użytkową i koszty produkcji, samo zwiększenie liczby modułów nie jest już najlepszym rozwiązaniem. Dlatego też zwiększenie mocy pojedynczego modułu bez zwiększania dodatkowej objętości stało się problemem technicznym, który producenci modułów ładujących pilnie muszą przezwyciężyć.
Sprzęt do ładowania prądem stałym osiąga doskonałe możliwości szybkiego ładowania dzięki technologii wysokiego prądu i wysokiego napięcia. Wraz ze stopniowym wzrostem napięcia i mocy stawia to bardziej rygorystyczne wymagania dotyczące stabilnej pracy, wydajnego rozpraszania ciepła i wydajności konwersji modułu ładowania, co niewątpliwie stawia wyższe wyzwania techniczne producentom modułów ładowania.
W obliczu popytu rynkowego na szybkie ładowanie o dużej mocy producenci modułów ładowania muszą nieustannie wprowadzać innowacje i ulepszać podstawową technologię oraz budować własne bariery technologiczne. To stanie się kluczem do przyszłej konkurencji rynkowej. Tylko poprzez opanowanie podstawowej technologii możemy być niepokonani w zaciekłej konkurencji rynkowej.
(1) Trasa o dużym natężeniu prądu: niski poziom promocji i wysokie wymagania dotyczące zarządzania termicznego. Zgodnie z prawem Joule'a (wzór Q=I2Rt), wzrost natężenia prądu znacznie zwiększy ciepło wytwarzane podczas ładowania, co stawia wysokie wymagania dotyczące rozpraszania ciepła. Na przykład rozwiązanie szybkiego ładowania o dużym natężeniu prądu firmy Tesla, jej stos doładowujący V3, ma szczytowy prąd roboczy przekraczający 600 A, co wymaga użycia grubszych wiązek przewodów. Jednocześnie ma wyższe wymagania dotyczące technologii rozpraszania ciepła i może osiągnąć maksymalną moc ładowania 250 kW przy 5%-27% SOC, a wydajne ładowanie nie jest w pełni objęte. Obecnie krajowi producenci samochodów nie wprowadzili większych, dostosowanych zmian w rozwiązaniu rozpraszania ciepła, a stosy ładowania o dużym natężeniu prądu w dużym stopniu opierają się na samodzielnie zbudowanych systemach, co wiąże się z wysokimi kosztami promocji.
(2) Trasa wysokiego napięcia: Jest to tryb powszechnie przyjmowany obecnie przez producentów samochodów, który może uwzględniać zalety zmniejszenia zużycia energii, wydłużenia żywotności baterii, zmniejszenia masy i oszczędności miejsca. Obecnie, ze względu na rezystancję napięciową układów IGBT na bazie krzemu, rozwiązaniem szybkiego ładowania powszechnie przyjmowanym przez producentów samochodów jest platforma wysokiego napięcia 400 V, co oznacza, że moc ładowania 100 kW można osiągnąć przy prądzie 250 A (ładowanie mocą 100 kW przez 10 minut może przejechać około 100 km). Od czasu, gdy Porsche wprowadziło platformę wysokiego napięcia 800 V (osiągając moc 300 kW i zmniejszając wiązki przewodów wysokiego napięcia o połowę), główni producenci samochodów rozpoczęli badania i układ platformy wysokiego napięcia 800 V. W porównaniu z platformą 400 V platforma napięcia 800 V ma mniejszy prąd roboczy, co oszczędza objętość wiązki przewodów i zmniejsza straty rezystancji wewnętrznej obwodu, poprawiając w ten sposób gęstość mocy i efektywność energetyczną w ukryciu.
5. Wymagania dotyczące niezawodności są coraz wyższe
Pod presją niskich kosztów, stosy ładujące nadal stoją przed dużymi wyzwaniami, aby być bezpiecznymi, niezawodnymi i stabilnymi. Ponieważ stosy ładujące są instalowane na zewnątrz, kurz, temperatura i wilgotność nie są dobrze chronione, a środowisko jest stosunkowo trudne. W szczególnych warunkach pracy, takich jak wysokie szerokości geograficzne, wysokie zimno i duże wysokości, wymagania dotyczące wydajności modułów ładujących są niezwykle wysokie.
Obecnie moduł 15 kW rozprasza ciepło głównie poprzez wymuszone chłodzenie powietrzem, co nieuchronnie powoduje zakłócenia, takie jak kurz, gazy żrące i wilgoć. Dlatego awarie modułów koncentrują się głównie na zjawisku „gorącej eksplozji” spowodowanej przez otoczenie. Aby przezwyciężyć negatywne skutki wymuszonego chłodzenia powietrzem, chłodzenie naturalne (głównie polegające na radiatorach) jest jedną z możliwych skutecznych opcji.
6. Technologia ładowania dwukierunkowego V2G
Oprócz tradycyjnej funkcji ładowania pojazdów elektrycznych, moduł ładowania rozwija również technologię ładowania dwukierunkowego. Rozwój modułów dwukierunkowych umożliwił realizację technologii V2G i V2H, odgrywając pozytywną rolę w goleniu szczytów i wypełnianiu dolin, równoważeniu obciążenia mocy i poprawianiu wydajności stosów ładowania.
Polityka integracji magazynowania i ładowania fotowoltaicznego zapewnia najwyższy poziom projektowania polityki dla inteligentnego i uporządkowanego ładowania oraz dwukierunkowego ładowania i rozładowywania, a także określa kierunek, w którym stacje ładowania mają uczestniczyć w regulacji szczytów i dolin sieci, wirtualnych elektrowniach, zagregowanych transakcjach oraz zintegrowanym ładowaniu i magazynowaniu. Są one jednak nierozerwalnie związane z podstawą sprzętową dwukierunkowych modułów ładowania V2G. Najwcześniejszym krajowym producentem, który wstępnie badał dwukierunkowe moduły ładowania V2G, jest Infrared. Obecnie udział w rynku modułów Infrared V2G jest w absolutnej przewadze, a stosy ładowania V2G w systemie sieci energetycznej są jedynymi.
7. Inteligentna obsługa i konserwacja
Na obecnym rynku operacji ładowania istnieje wiele wyzwań. Po pierwsze, koszty eksploatacji i konserwacji stacji ładowania są wysokie. W przypadku operatorów korzystających ze sprzętu do ładowania o wysokiej awaryjności koszty eksploatacji i konserwacji przekraczają 10% dochodu operacyjnego. Niewystarczająca inteligencja prowadzi do konieczności regularnych inspekcji, dużych inwestycji w siłę roboczą do obsługi i konserwacji, a nieterminowa obsługa i konserwacja również doprowadzą do słabego doświadczenia użytkownika w zakresie ładowania; po drugie, cykl życia sprzętu jest krótki, a moc i napięcie stosów ładowania zbudowanych na wczesnym etapie nie mogą sprostać potrzebom ewolucji ładowania przyszłych pojazdów, marnując początkową inwestycję operatorów; po trzecie, niska wydajność wpływa na dochód operacyjny; po czwarte, stosy ładowania prądem stałym są głośne, co bezpośrednio wpływa na wybór lokalizacji stacji. Aby rozwiązać problemy związane z obiektami ładowania i podążać za trendami rozwojowymi branży.
Weźmy na przykład moduł szybkiego ładowania Huawei HUAWEI HiCharger DC. Pod względem inteligentnej obsługi i konserwacji moduł szybkiego ładowania HUAWEI HiCharger DC oferuje klientom nowe funkcje o wartości. Dzięki danym dotyczącym temperatury zbieranym przez wewnętrzne czujniki i połączonym z algorytmami sztucznej inteligencji, HUAWEI HiCharger może identyfikować zablokowanie ekranu przeciwpyłowego stosu ładowania i stan zablokowania wentylatora modułu, a także zdalnie przypominać operatorom o konieczności przeprowadzenia dokładnej i przewidywalnej konserwacji, eliminując częste kontrole na miejscu.
Aby rozwiązać problem hałasu, moduł szybkiego ładowania HUAWEI HiCharger DC zapewnia tryb cichy dla aplikacji w środowiskach wrażliwych na hałas. Jednocześnie temperatura czujnika w module jest monitorowana w celu dokładnego dostosowania prędkości wentylatora do zmiany temperatury otoczenia. Gdy temperatura otoczenia spada, prędkość wentylatora spada, redukując hałas i osiągając niską temperaturę i niski poziom hałasu.
Moduł szybkiego ładowania HUAWEI HiCharger DC wykorzystuje technologię pełnego wypełnienia klejem i pełnej ochrony izolacji, aby rozwiązać problem, że moduł ładowania chłodzony powietrzem jest łatwo podatny na wpływ środowiska i ulega awarii. Dzięki testom gromadzenia się kurzu i wysokiej wilgotności, przyspieszonym testom wysokiej mgły solnej i długoterminowym testom niezawodności w Hainan, Xishuangbanna, Dunhuang, Lhasa i innych dziedzinach, długoterminowa niezawodność modułu w trudnych scenariuszach została zweryfikowana, co znacznie zmniejsza koszty obsługi i konserwacji operatora.
Jako nowa wersja poprzedniej generacji modułów ładowania, zagraniczna wersja modułu szybkiego ładowania prądem stałym o mocy 20 kW ma maksymalną wydajność 96.55%, a krajowa wersja modułu o mocy 30 kW ma maksymalną wydajność 96.4%. Dzięki zastosowaniu wydajnej opatentowanej topologii, wydajnego algorytmu sterowania i urządzeń o niskich stratach w celu zmniejszenia strat, gładkiej konstrukcji kanału powietrznego, precyzyjnej regulacji prędkości wentylatora, zmniejszeniu dodatkowych strat spowodowanych rozpraszaniem ciepła i osiągnięciu optymalnej wydajności modułu.
