1. Introduktion till Laddningsmodul
1.1 Utveckling av Laddningshög
Laddningsindustrin har växt i mer än tio år och har gått in i en era av snabb tillväxt. 2006-2015 var det embryonala skedet av Kinas industri för laddhögar. 2006 etablerade BYD den första laddstationen för bilar vid sitt huvudkontor i Shenzhen. 2008 byggdes den första centraliserade laddstationen i Kina under de olympiska spelen i Peking. I det här skedet byggdes laddpålarna huvudsakligen av regeringen och socialt företagskapital kom inte in. 2015-2020 var den tidiga tillväxtperioden för laddningshögar. Efter att staten 2015 utfärdade "Riktlinjer för utveckling av elfordonsladdningsinfrastruktur (2020-2015)" lockade det en del socialt kapital för att komma in i laddstaplarindustrin. Från denna tidpunkt har laddhögsindustrin officiellt attributen socialt kapital. 2020-to-date är den viktigaste tillväxtperioden för laddningshögar. Under denna period har regeringen utfärdat flera policyer för att stödja laddningshögar. I mars 2021 ingick avgifter i byggandet av ny infrastruktur, vilket stimulerade industriföretag att ytterligare utöka kapaciteten och öka produktionen. Hittills befinner sig laddhögsindustrin fortfarande i en viktig tillväxtperiod och antalet laddhögar förväntas fortsätta att växa snabbt.
1.2. Introduktion till laddningsmodulföretag
Från den nuvarande typen av modul inkluderar de befintliga laddningsmodulerna ACDC-laddningsmodul, DCDC-laddningsmodul och dubbelriktad V2G-laddningsmodul. ACDC används för enkelriktade laddningshögar, vilket är den mest använda och mest använda laddningsmodulen. DCDC används för fotovoltaisk laddning av batterier och batteriladdning av fordon, och används i solcellslagrings- och laddningsprojekt eller lagrings- och laddningsprojekt. V2G-laddningsmodulen ska lösa framtidens fordonsnätsinteraktiva funktion eller dubbelriktade laddningsbehov för energikraftverk.
Från leveransförhållandet för laddningshögar är laddningsmoduler huvudsakligen uppdelade i två kategorier, en är egenproduktion och egenanvändningstyp, representerad av TELD, Sinexcel Electric, KSTAR, etc.; den andra är leveranstyp, representerad av INFYPOWER, UUGREENPOWER, Tonhe Elect, SZWINLINE, HUAWEI, Shenzhen Megmeet, ENSDS, etc.
1.3 Laddningsmodulmarknad
De tre bästa modultillverkarna när det gäller modulleveranser 2022 är INFYPOWER, Teladian och Youyou Green Energy. Bland dem står INFYPOWER främst för utomeuropeiska marknader och elnätsföretag. Teladian, som en ledande inhemsk debiteringsoperatör, upptar hälften av den inhemska marknaden, följt av UUGREENPOWER, SZWINLINE, HUAWEI, etc.
Modulens marknadsstorlek och andel 2023. Enligt den årliga sammanfattningen och jämförande analysen av varje företag, på den totala laddningsmodulmarknaden inklusive alla deltagare 2023, är de fem bästa företagen när det gäller marknadsandelar: INFYPOWER, UUGREENPOWER, Tonhe Elect , SZWINLINE, Sinexcel Electric; jämfört med 2023 har Tonghe Technology gjort uppenbara framsteg. Det enda oförändrade är att INFYPOWER, som länge legat i toppen av listan, har hållit en marknadsandel på över 33 %.
2. Introduktion till utvecklingstrenden för laddningsmoduler
Med tillkomsten av storskaliga elfordon kan enkla laddningshögar uppenbarligen inte stödja utvecklingen av storskaliga elfordon, och laddningsnätverksteknikvägen har blivit en konsensus i den nya energifordonsladdningsindustrin. Det är enkelt att göra laddningshögar, men det är väldigt komplicerat att göra laddningsnätverksteknik. Laddningsnätverket är ett branschöverskridande och tvärprofessionellt ekologiskt system, som involverar minst 10 teknikområden såsom kraftelektronik, sändningskontroll, big data, molnplattform, artificiell intelligens, industriellt internet, distribution av transformatorstationer, intelligent miljökontroll, system integration och intelligent drift och underhåll. Den djupa integrationen av dessa tekniker kan säkerställa integriteten hos laddningsnätverket.
De centrala tekniska barriärerna för laddningsmodulen ligger i den topologiska strukturens design och integrationsmöjligheter. Nyckelkomponenterna i laddningsmodulen är kraftenheter, magnetiska komponenter, motstånd och kondensatorer, chips, PCB, etc. När laddningsmodulen fungerar likriktas den trefasiga växelströmsströmmen av den aktiva effektfaktorkorrigeringskretsen (PFC) och blir DC-ström för att försörja DC/DC-omvandlingskretsen. Styrenhetens mjukvarualgoritm verkar på halvledarströmbrytaren genom drivkretsen för att styra utspänningen och strömmen från laddningsmodulen och därigenom ladda batteripaketet. Laddningsmodulens interna struktur är komplex och en enda produkt innehåller ett relativt stort antal komponenter. Den topologiska strukturens design bestämmer direkt produktens effektivitet och prestanda, och värmeavledningsstrukturens design avgör produktens värmeavledningseffektivitet, som har en hög teknisk tröskel.
Som en kraftelektronikprodukt med en hög teknisk tröskel måste laddningsmodulen beakta många parametrar för att uppnå hög kvalitet, såsom: volym, massa, värmeavledningsmetod, utspänning, ström, effektivitet, effekttäthet, brus, drift temperatur, standby-förlust etc. Tidigare hade laddningshögar låg effekt och dålig kvalitet och kraven på laddningsmoduler var inte höga. Men under trenden med hög effekt, kommer lågkvalitativa laddningsmoduler att orsaka stora problem i det efterföljande laddningshögens driftskede och öka de efterföljande drift- och underhållskostnaderna. Därför väntas laddbuntsföretagens krav på laddmodulkvalitet öka ytterligare och högre krav kommer att ställas på laddmodulstillverkarnas tekniska förmåga.
2.1. Laddningsmodul standardisering
Standardiseringen av laddningsmoduler förbättras ständigt. Statens elnät har utfärdat standardiserade designspecifikationer för laddningshögar och laddningsmoduler inom systemet:
(1) Laddningshög "sex sammanslagningar": enhetlig elektrisk prestanda, enhetlig strukturell layout, enhetlig specialkomponentdesign, enhetligt allmänt val av enhet, enhetlig utseendestruktur och enhetlig utrustningsinstallation;
Tonghe Technologys produkter är huvudsakligen 20kW högspänningsbredda konstanteffektmoduler och 30kW och 40kW högspänningsbreda konstanteffektmoduler som uppfyller State Grids "sex unifications"-standarder;
(2) Laddningsmodul "tre sammanslagningar": enhetlig modulutseendestorlek, enhetlig modulinstallationsgränssnitt och enhetlig modulkommunikationsprotokoll. Standardiseringen av konstruktionsspecifikationer för laddhög och laddmodul har i viss mån löst problemet med dålig produktkompatibilitet på marknaden tidigare och kommer effektivt att främja den snabba utvecklingen av laddhögsindustrin.
2.2 Laddningsmoduler utvecklas mot hög effekt
Effekten hos en enda laddningsmodul har gradvis utvecklats från de tidiga 3kW, 7.5kW och 15kW till nuvarande 20kW, 30kW och 40kW, och fortsätter att gå mot högre effektnivåer som 50kW, 60kW och 100kW. Denna effektuppgradering innebär inte bara att mer kraft kan matas ut per tidsenhet, utan ökar också avsevärt värdet och lönsamheten för laddningsmodulprodukter. Med teknikens framsteg och den ständiga expansionen av marknaden kommer laddningsmodulindustrin att fortsätta att inleda fler utvecklingsmöjligheter.
Till exempel, på den nuvarande laddningsstapelmarknaden där enpistoleffekten är 60-120KW, kan 15KW-modulen också möta marknadens efterfrågan, men många pålföretag använder 40kW-moduler med lägre kostnad per watt baserat på kostnaden för hela maskin. Faktum är att ju fler systemmoduler det finns, desto mindre blir inverkan av enstaka modulfel på det övergripande systemet. Bilägare behöver inte stå för risken för förlängd laddningstid på grund av minskad systemtillgänglighet. När laddningshögoperatörer gör flexibel laddnings intelligent allokering förväntar de sig att modulens granularitet är mindre, vilket är lättare att schemalägga och allokera, minska strömslöseri och ett enstaka fel har mindre inverkan på systemets tillgänglighet och kraven på aktualitet drift och underhåll kommer också att minska. Därför är den nuvarande layouten för vanliga företag relativt komplett, och marknadstäckningen är huvudsakligen 30/40kW-produkter.
I november 2022 lanserade Sinexcel Electric framgångsrikt den första 50kW DC-laddningsmodulen i Kina, som är utrustad med SICMOS-kärnenheter inuti, med en maximal effektivitet på mer än 97%, och har erhållit försäljningscertifikat för den inhemska marknaden.
Vid den tredje China International Charging Pile Operator Conference 2022 släppte Eurotron sin 75KW ACDC-produkt för första gången, med en utspänning på upp till 1000V DC och en toppeffektivitet på 97 %.
3. Diversifiering av värmeavledningsmetoder
Den nuvarande utvecklingsriktningen för laddningsmodulteknik, ur ett perspektiv av värmeavledningsmetoder, är grovt uppdelad i tre kategorier av produkter: en är modulen av direktventilationstyp, som är den vanliga produkttypen på marknaden och produceras av alla modulföretag ; en är den oberoende luftkanalen och limfyllda isoleringsmodulen, den förra representeras av UUGREENPOWER, och den senare representeras av INFYPOWER och Tonhe Elect; den ena är laddningsmodulen för full vätskekylning av värmeavledning, representerad av INFYPOWER och HUAWEI.
De tre typerna av laddningsmodulprodukter har tekniska iterationsegenskaper, och på grund av principen om ekonomisk användning förbättras och optimeras värmeavledningsmetoden. För laddpålaroperatörer är felfrekvensen av laddpålar och bullerstörningar två stora problem. Bland dem påverkar felfrekvensen för laddningshögar direkt lönsamheten på webbplatsen och användarupplevelsen. Den främsta orsaken till fel på laddningshögar är fel på laddningsmodulen. Den luftkylda modulen är den mest använda produkttypen för närvarande.
4. Högströms- och högspänningsteknik
När körsträckan gradvis ökar måste utmaningar som att förkorta laddningstiden och minska användningskostnaderna mötas. Den primära uppgiften är att optimera modulstorleken för att uppnå effektuppgraderingar. Eftersom kraften hos laddningshögen huvudsakligen beror på laddningsmodulernas kraftöverlagring och begränsas av produktvolymen, golvytan och tillverkningskostnaden, är det inte längre den bästa lösningen att bara öka antalet moduler. Därför har hur man ökar kraften i en enskild modul utan att öka den extra volymen blivit ett tekniskt problem som tillverkare av laddningsmoduler omedelbart måste övervinna.
DC-laddningsutrustning uppnår utmärkta snabbladdningsmöjligheter genom högströms- och högspänningsteknik. Med den gradvisa ökningen av spänning och effekt ställer detta strängare krav på laddningsmodulens stabila drift, effektiva värmeavledning och konverteringseffektivitet, vilket utan tvekan ställer högre tekniska utmaningar för laddningsmodultillverkare.
Inför marknadens efterfrågan på snabbladdning med hög effekt måste tillverkare av laddningsmoduler kontinuerligt förnya och uppgradera den underliggande tekniken och bygga sina egna kärntekniska barriärer. Detta kommer att bli nyckeln till framtida konkurrens på marknaden. Endast genom att behärska kärntekniken kan vi vara oövervinnerliga i den hårda konkurrensen på marknaden.
(1) Högströmsväg: låg marknadsföringsnivå och höga krav på värmehantering. Enligt Joules lag (formel Q=I2Rt) kommer ökningen av strömmen att kraftigt öka värmen som genereras vid laddning, vilket ställer höga krav på värmeavledning. Till exempel Teslas högströms snabbladdningslösning, dess V3-överladdningshög, har en toppdriftström på mer än 600A, vilket kräver användning av tjockare ledningsnät. Samtidigt har den högre krav på värmeavledningsteknik och kan endast uppnå en maximal laddningseffekt på 250kW vid 5%-27% SOC, och effektiv laddning täcks inte helt. För närvarande har inhemska biltillverkare inte gjort några större skräddarsydda förändringar av värmeavledningslösningen, och högströmsladdningshögar är mycket beroende av egenbyggda system, vilket har höga marknadsföringskostnader.
(2) Högspänningsväg: Detta är det läge som för närvarande vanligtvis används av biltillverkare, som kan ta hänsyn till fördelarna med att minska energiförbrukningen, förbättra batteritiden, minska vikten och spara utrymme. För närvarande, på grund av spänningsmotståndet hos kiselbaserade IGBT-kraftenheter, är den snabbladdningslösning som vanligtvis används av bilföretag 400V-högspänningsplattformen, det vill säga en laddningseffekt på 100kW kan uppnås med en ström på 250A (100kW) strömladdning i 10 minuter kan resa cirka 100 km). Sedan Porsche lanserade 800V-högspänningsplattformen (nådde 300KW-effekt och halverade högspänningsledningar) har stora bilföretag börjat forskning och layout av 800V-högspänningsplattformen. Jämfört med 400V-plattformen har 800V-spänningsplattformen en mindre driftsström, vilket sparar kabelstammens volym och minskar kretsens interna resistansförlust, vilket förbättrar strömtätheten och energieffektiviteten i förklädnad.
5. Pålitlighetskraven blir högre och högre
Under trycket av låga kostnader står laddningshögarna fortfarande inför stora utmaningar för att vara säkra, pålitliga och stabila. Eftersom laddningshögar installeras utomhus är damm, temperatur och luftfuktighet inte väl skyddade och miljön är relativt hård. Under speciella arbetsförhållanden som höga breddgrader, hög kyla och höga höjder är prestandakraven för laddningsmoduler extremt höga.
För närvarande avleder 15kW-modulen huvudsakligen värme genom forcerad luftkylning, vilket oundvikligen medför störningar som damm, korrosiva gaser och fukt. Därför är modulfel främst koncentrerade till fenomenet "het explosion" som orsakas av miljön. För att övervinna de negativa konsekvenserna av forcerad luftkylning är naturlig kylning (främst beroende av kylflänsar) ett av de möjliga effektiva alternativen.
6. V2G dubbelriktad laddningsteknik
Förutom den traditionella funktionen att ladda elfordon utvecklar laddningsmodulen även dubbelriktad laddningsteknik. Utvecklingen av dubbelriktade moduler har ytterligare gjort det möjligt för V2G-teknik och V2H-teknik att realiseras, vilket spelar en positiv roll i topprakning och dalfyllning, balansering av kraftbelastning och förbättrad effektivitet hos laddningshögar.
Policyn för integration av solcellslagring och laddning tillhandahåller policydesign på toppnivå för intelligent och ordnad laddning och dubbelriktad laddning och urladdning, och bestämmer riktningen för laddstationer att delta i reglering av nättopp och dalgång, virtuella kraftverk, aggregerade transaktioner och integrerad laddning och förvaring. Dessa är dock oskiljaktiga från hårdvarugrunden för dubbelriktade V2G-laddningsmoduler. Den tidigaste inhemska tillverkaren som förutforskade dubbelriktade V2G-laddningsmoduler är infraröd. För närvarande är marknadsandelen för infraröd V2G-modul en absolut fördel, och V2G-laddningshögar i elnätet är de enda.
7. Intelligent drift och underhåll
Det finns många utmaningar på den nuvarande marknaden för laddningsoperationer. För det första är drift- och underhållskostnaderna för laddstationer höga. För operatörer som använder laddningsutrustning med hög felfrekvens överstiger drift- och underhållskostnaderna 10 % av driftsintäkterna. Otillräcklig intelligens leder till behov av regelbundna inspektioner, stora investeringar i drift- och underhållsarbetskraft, och otidig drift och underhåll kommer också att leda till dålig laddningsupplevelse; för det andra är utrustningens livscykel kort och kraften och spänningen hos laddningshögar som byggts i ett tidigt skede kan inte möta framtida fordons behov av laddningsutveckling, vilket slösar operatörernas initiala investering; för det tredje påverkar låg effektivitet rörelseresultatet; För det fjärde är DC-laddningshögar bullriga, vilket direkt påverkar platsvalet av stationer. För att lösa smärtpunkterna för laddningsanläggningar och följa branschens utvecklingstrend.
Ta Huawei HUAWEI HiCharger DC snabbladdningsmodul som ett exempel. När det gäller intelligent drift och underhåll ger HUAWEI HiCharger DC snabbladdningsmodul också nya värdeegenskaper till kunderna. Genom temperaturdata som samlats in av interna sensorer och kombinerat med artificiell intelligensalgoritmer kan HUAWEI HiCharger identifiera blockeringen av dammskärmen på laddningshögen och blockeringstillståndet för modulfläkten, och på distans påminna operatörerna om att implementera exakt och förutsägbart underhåll, vilket eliminerar frekventa inspektioner på plats.
För att lösa brusproblemet tillhandahåller HUAWEI HiCharger DC snabbladdningsmodulen ett tyst läge för bullerkänsliga miljöapplikationer. Samtidigt övervakas temperaturen på sensorn i modulen för att exakt justera fläkthastigheten efter förändringen av omgivningstemperaturen. När omgivningstemperaturen sjunker minskar fläkthastigheten, vilket minskar ljudet och uppnår låg temperatur och lågt ljud.
HUAWEI HiCharger DC snabbladdningsmodulen antar full limfyllning och full isoleringsskyddsteknik för att lösa problemet med att den luftkylda laddningsmodulen lätt påverkas av miljön och misslyckas. Genom dammackumulering och tester med hög luftfuktighet, accelererade tester med hög saltspridning och långsiktiga tillförlitlighetstester i Hainan, Xishuangbanna, Dunhuang, Lhasa och andra områden, har den långsiktiga tillförlitligheten hos modulen i svåra scenarier verifierats, vilket avsevärt minskar operatörens drift- och underhållskostnader.
Som en ny version av den tidigare generationens laddningsmoduler har den utländska versionen av 20kW DC snabbladdningsmodulen en maximal effektivitet på 96.55 %, och den inhemska versionen av 30kW har en maximal effektivitet på 96.4 %. Genom tillämpning av effektiv patenterad topologi, effektiv styralgoritm och lågförlustenheter för att minska förluster, smidig luftkanaldesign, exakt reglering av fläkthastighet, minska de ytterligare förlusterna som orsakas av värmeavledning och uppnå optimal effektivitet hos modulen.
