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隨著我國(guó)新能源汽車(chē)滲透率越來(lái)越高，作為電動(dòng)汽車(chē)配套基礎(chǔ)設(shè)施的充電樁也越來(lái)越受到中央和地方政府的重視。
充電模塊是充電樁的核心組件，好比充電樁的“心臟”，他是將電網(wǎng)的交流電轉(zhuǎn)化為電動(dòng)汽車(chē)需要的直流電的關(guān)鍵設(shè)備，具有較高的技術(shù)要求，他的技術(shù)關(guān)鍵在于可靠性、轉(zhuǎn)化效率和智能運(yùn)維。充電模塊技術(shù)的提升，是各運(yùn)營(yíng)商提升用戶(hù)充電體驗(yàn)、減少投資成本、減少運(yùn)營(yíng)費(fèi)用的關(guān)鍵。
1.充電模塊的產(chǎn)業(yè)規(guī)模
近年來(lái)，受益于充電樁市場(chǎng)建設(shè)加快，充電模塊市場(chǎng)規(guī)模持續(xù)增長(zhǎng)。據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，2022年全球充電模塊市場(chǎng)規(guī)模約為70.8億元，國(guó)內(nèi)市場(chǎng)規(guī)模為53.14億元，占比達(dá)到75%。
各主流充電模塊的品牌、產(chǎn)品、技術(shù)參數(shù)和應(yīng)用場(chǎng)景等相關(guān)參數(shù)如下表所示：
充電模塊，作為充電樁的核心，類(lèi)似于人體的心臟，它決定著充電樁的大部分成本、電能轉(zhuǎn)換效率，充電速度和可靠性。
目前，有充電模塊生產(chǎn)能力的企業(yè)大致分為兩類(lèi)：一類(lèi)是模塊供應(yīng)商，專(zhuān)門(mén)銷(xiāo)售給充電樁的生產(chǎn)企業(yè)或運(yùn)營(yíng)企業(yè)，比如英飛源、永聯(lián)、通合等，用于銷(xiāo)售的模塊要求價(jià)格低、符合產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn);另一類(lèi)是充電樁生產(chǎn)和運(yùn)營(yíng)為主的企業(yè)，主要是自產(chǎn)自用，強(qiáng)調(diào)的是全壽命周期成本最低，這類(lèi)企業(yè)目前僅特來(lái)電一家。由于充電模塊開(kāi)發(fā)，在人才、技術(shù)、供應(yīng)鏈整合等方面有著顯著的壁壘，所以能做到自產(chǎn)自用的企業(yè)鳳毛麟角。
目前市場(chǎng)，出貨量前三名的模塊生產(chǎn)廠家為英飛源、特來(lái)電和優(yōu)優(yōu)綠能。其中，英飛源主要的占比在海外市場(chǎng)及電網(wǎng)公司，特來(lái)電作為國(guó)內(nèi)頭部充電運(yùn)營(yíng)商，占據(jù)了國(guó)內(nèi)市場(chǎng)的半壁江山，其次是優(yōu)優(yōu)綠能、永聯(lián)、華為等。
2.充電模塊的技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)
近兩年，新能源汽車(chē)銷(xiāo)量大幅增長(zhǎng)，2022年我國(guó)新能源汽車(chē)銷(xiāo)量近700萬(wàn)輛，相比2020年增長(zhǎng)了近4倍。新能源汽車(chē)的快速發(fā)展對(duì)充電基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)提出了更高要求。
目前，充電模塊正向著“高功率、高效率、寬輸出范圍、高可靠性、智能運(yùn)維”方向發(fā)展。
1）充電模塊單模塊功率越大，單瓦的成本越低。 隨著大功率充電站的建設(shè)越來(lái)越多，充電模塊功率也越來(lái)越高。從15kW，到20kW、30kW，再到現(xiàn)在的40kW。當(dāng)然，充電模塊的功率也不是越大越好，當(dāng)下以單槍功率60-120KW為主流的充電樁市場(chǎng)，15KW模塊也可以滿(mǎn)足市場(chǎng)需求，但很多樁企基于整機(jī)成本考慮，采用單瓦成本更低的40kW模塊。實(shí)際上系統(tǒng)模塊數(shù)量越多，單模塊失效對(duì)整體影響越小。車(chē)主不需要承擔(dān)因?yàn)橄到y(tǒng)可用性降低，帶來(lái)的充電時(shí)間延長(zhǎng)的風(fēng)險(xiǎn)。充電樁運(yùn)營(yíng)商在做柔性充電智能分配時(shí)，更期望模塊顆粒度更小，這樣易于做調(diào)度分配，減少功率浪費(fèi)，單個(gè)故障對(duì)系統(tǒng)的可用性影響較小，對(duì)運(yùn)維及時(shí)度要求也會(huì)減小。
2）充電模塊輸出范圍越來(lái)越寬。 隨著汽車(chē)動(dòng)力電池及三電技術(shù)的發(fā)展，汽車(chē)動(dòng)力電池電壓平臺(tái)從330V，提升到600V，再提升到800V平臺(tái)。充電模塊的輸出電壓范圍也從500V，提升到750V，再提升到1000V。英飛源、維諦技術(shù)(原艾默生)采用三電平全橋移相ZVS技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了輸出電壓的寬范圍的調(diào)節(jié)。
3）充電模塊可靠性自身要求越來(lái)越高。 早期充電模塊在市場(chǎng)運(yùn)行幾年就出現(xiàn)失效的情況，尤其在沿海等高溫、高濕、高鹽霧環(huán)境下表現(xiàn)特別糟糕。近幾年，隨著技術(shù)的發(fā)展，廠商走出了不同的充電模塊防護(hù)技術(shù)發(fā)展路線。有走獨(dú)立風(fēng)道防護(hù)路線，有走液冷路線、也有走全灌膠路線。作為頭部運(yùn)營(yíng)商，基于防護(hù)性、可維護(hù)性、成本、可靠性考慮，特來(lái)電選用全灌膠方案，在保證產(chǎn)品可靠性同時(shí)，為客戶(hù)提供了比肩IP54防護(hù)能力的低成本解決方案。優(yōu)優(yōu)綠能的模塊產(chǎn)品都采用了IP65獨(dú)立風(fēng)道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，具備良好的防塵、防水功能，確保充電樁在室外能夠長(zhǎng)時(shí)間安全、可靠運(yùn)行。最近大火的華為全液冷模塊，一時(shí)火爆全網(wǎng)，這種模塊雖然能做到更高的防護(hù)性等級(jí)，但卻要付出高昂的設(shè)備成本，模塊電力損耗大，設(shè)備維修難度高，是非常不經(jīng)濟(jì)實(shí)用的技術(shù)方案。
4）充電模塊轉(zhuǎn)換效率要求越來(lái)越高。 運(yùn)營(yíng)商在充電運(yùn)營(yíng)時(shí)必須自己承擔(dān)AC/DC轉(zhuǎn)換過(guò)程的損耗。因而提升充電模塊效率，是降低運(yùn)營(yíng)成本的關(guān)鍵措施。易能時(shí)代通過(guò)采用獨(dú)特的軟開(kāi)關(guān)技術(shù)來(lái)改良充電樁，納秒級(jí)開(kāi)關(guān)控制將開(kāi)關(guān)損耗降至最低，擁有遠(yuǎn)超行業(yè)水平的超高轉(zhuǎn)化效率，最高可達(dá)99%。盛弘、優(yōu)優(yōu)綠能、特來(lái)電等企業(yè)已經(jīng)開(kāi)始布局高功率的碳化硅充電模塊，將第三代半導(dǎo)體技術(shù)應(yīng)用到充電模塊中，和原有的硅基器件結(jié)合，達(dá)到成本和效率的兼顧，提升了模塊轉(zhuǎn)換效率1%。轉(zhuǎn)換能量損失降低20%以上，有效降低了運(yùn)營(yíng)商的運(yùn)營(yíng)費(fèi)用。
5）液冷模塊技術(shù)的發(fā)展
液冷充電模塊是充電模塊的一個(gè)發(fā)展方向，液冷模塊正面及背面無(wú)任何風(fēng)道，模塊靠液冷板內(nèi)部循環(huán)的冷卻液與外界進(jìn)行熱交換，從而充電樁功率部分可以全封閉設(shè)計(jì)，將散熱器外置，內(nèi)部通過(guò)冷卻液將熱量帶到散熱器上，外部空氣吹走散熱器表面的熱量。充電樁體內(nèi)的液冷充電模塊、電氣配件等與外界環(huán)境無(wú)接觸，從而可以實(shí)現(xiàn)IP65的防護(hù)，可靠性更高。
圖片來(lái)自網(wǎng)絡(luò)
3.充電模塊的主要應(yīng)用場(chǎng)景
充電樁可分直流樁、交流樁、液冷超充樁等，分別適用于小區(qū)、園區(qū)、物流港口、公共快充站、公交充電站等場(chǎng)景中。充電模塊則主要應(yīng)用于新能源汽車(chē)直流充電樁、液冷超充樁、儲(chǔ)能站、新能源微網(wǎng)中。
一個(gè)充電樁通常采用多個(gè)充電模塊并聯(lián)而成，比如 120kW 充電樁可由 8 個(gè) 15kW 充電模塊組成，也可由4個(gè)30kW充電模塊組成。單個(gè)充電模塊輸出功率越大，功率密度越高，能有效優(yōu)化樁內(nèi)空間。目前充電模塊已歷經(jīng)第一代7.5kW、第二代 15/20kW，向著 30/40kW 乃至更高功率不斷演進(jìn)。據(jù)了解，盛弘、永聯(lián)、特來(lái)電、通合科技、英飛源、優(yōu)優(yōu)綠能等均已研發(fā)出 40kW 充電模塊產(chǎn)品。
充電模塊除了傳統(tǒng)的給電動(dòng)汽車(chē)充電功能之外，也在發(fā)展雙向充電技術(shù)。雙向模塊的發(fā)展，進(jìn)一步使得 V2G 技術(shù)和 V2H 技術(shù)得以實(shí)現(xiàn)，在削峰填谷、平衡用電負(fù)荷、提高充電樁使用效率等方面起到積極的作用。
隨著電動(dòng)汽車(chē)規(guī)?；牡絹?lái)，簡(jiǎn)單的充電樁顯然無(wú)法支撐大規(guī)模電動(dòng)汽車(chē)的發(fā)展，充電網(wǎng)技術(shù)路線成為新能源汽車(chē)充電行業(yè)的共識(shí)。做充電樁簡(jiǎn)單，做充電網(wǎng)技術(shù)很復(fù)雜，充電網(wǎng)是跨行業(yè)、跨專(zhuān)業(yè)的生態(tài)體系，至少涉及到電力電子、調(diào)度控制、大數(shù)據(jù)、云平臺(tái)、人工智能、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、變電配電、智能環(huán)控、系統(tǒng)集成、智能運(yùn)維等10個(gè)領(lǐng)域的技術(shù)，這些技術(shù)的深度融合，才能保證充電網(wǎng)體系的完整性。
4.充電模塊性能參數(shù)
在低成本的壓力下，充電樁要做到安全、可靠、穩(wěn)定，面臨的挑戰(zhàn)依然很大。由于充電樁安裝在室外，粉塵、溫度、濕度都沒(méi)有太好的保障，環(huán)境相對(duì)惡劣。
在高緯度、高寒、高海拔等特殊工況條件下，對(duì)充電模塊的性能要求極高。
目前15kW模塊主要是強(qiáng)制風(fēng)冷的方式散熱，不可避免的帶來(lái)塵埃、腐蝕性氣體、濕氣等干擾，因此模塊故障主要集中在環(huán)境導(dǎo)致的“熱炸機(jī)”現(xiàn)象比較多，為克服強(qiáng)制風(fēng)冷的不良后果，自然冷卻(主要靠散熱片)的散熱方式是可能的有效選擇之一。
根據(jù)充電樁設(shè)備的工作環(huán)境溫度要求和充電模塊的自身性能，對(duì)其工作溫度范圍要求如下：
充電模塊工作溫度范圍： -25℃～+70℃
樁體穩(wěn)定工作溫度范圍： -25℃～+60℃。
目前行業(yè)主流40kW模塊的恒功率輸出電壓范圍都在300Vdc~1000Vdc，兼容目前的400V平臺(tái)乘用車(chē)、750V大巴車(chē)以及未來(lái)800V-1000V高電壓平臺(tái)車(chē)輛的充電需求;英飛源、特來(lái)電、盛弘的40kW模塊輸出電壓范圍可以做到50Vdc~1000Vdc，兼顧低電壓車(chē)輛的充電需求。在模塊的整體工作效率方面，特來(lái)電、優(yōu)優(yōu)綠能、盛弘的40kW高效率模塊有采用SIC功率器件，峰值效率可以達(dá)到97%，高于行業(yè)平均水平。
充電樁的可靠性更多的是表現(xiàn)在充電模塊的可靠性上，除了國(guó)標(biāo)規(guī)定的常規(guī)電器性能EMC之外，更多的需要去考慮環(huán)境的耐受性，比如潮濕、粉塵等等，高防護(hù)的產(chǎn)品現(xiàn)在開(kāi)始慢慢進(jìn)入到主流市場(chǎng)，除了常規(guī)三防噴涂外，灌膠、液冷、獨(dú)立風(fēng)道等方案將越來(lái)越成熟。
5.充電模塊與智能運(yùn)維
根據(jù)中國(guó)充電聯(lián)盟統(tǒng)計(jì)的數(shù)據(jù)，截至2023年5月，全國(guó)充電基礎(chǔ)設(shè)施累計(jì)數(shù)量為635.6萬(wàn)臺(tái)，新能源汽車(chē)保有量達(dá)到1604萬(wàn)輛，為我國(guó)新能源汽車(chē)產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供了有力支撐。公共充電樁運(yùn)營(yíng)企業(yè)中，top5的運(yùn)營(yíng)商企業(yè)的市場(chǎng)份額占比達(dá)到68.7%，top15的份額占比達(dá)到了94.1%。
然而，筆者用大量時(shí)間調(diào)研了整個(gè)新能源汽車(chē)行業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)現(xiàn)：充電難依然困擾著新能源車(chē)車(chē)主，一樁難求、壞樁多、充電慢等問(wèn)題依然普遍存在，這也給新能源電動(dòng)汽車(chē)充電行業(yè)提出了新的要求，不但要快速推進(jìn)充電基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)，還要做好已建成充電基礎(chǔ)設(shè)施的運(yùn)行維護(hù)工作。
充電基礎(chǔ)設(shè)施因其海量分散部署的特點(diǎn)和其能源互聯(lián)、數(shù)據(jù)互聯(lián)的屬性，運(yùn)維方式也有別于傳統(tǒng)的電力行業(yè)，基于智能控制技術(shù)、新一代通信技術(shù)和大數(shù)據(jù)分析技術(shù)的智能運(yùn)維必不可少，是做好充電基礎(chǔ)設(shè)施運(yùn)維工作的關(guān)鍵。
什么是智能運(yùn)維?智能運(yùn)維簡(jiǎn)單來(lái)講是一套由智能充電設(shè)備、智能網(wǎng)關(guān)和大數(shù)據(jù)平臺(tái)組成、按照成熟的運(yùn)維流程搭建的系統(tǒng)，可以高效處理已發(fā)生的問(wèn)題，并預(yù)測(cè)和預(yù)防即將發(fā)生的問(wèn)題，從而保證充電基礎(chǔ)設(shè)施的可靠、穩(wěn)定運(yùn)行。
智能運(yùn)維最基本的功能包含充電設(shè)施的實(shí)時(shí)監(jiān)控、遠(yuǎn)程升級(jí)、遠(yuǎn)程配置、遠(yuǎn)程控制(復(fù)位)、遠(yuǎn)程上線、遠(yuǎn)程報(bào)文獲取、故障預(yù)警、故障診斷、故障預(yù)測(cè)、資產(chǎn)臺(tái)賬生成/替換、運(yùn)維策略智能制定/優(yōu)化等，通過(guò)這些功能可以實(shí)現(xiàn)充電基礎(chǔ)設(shè)施的無(wú)人值守和主動(dòng)運(yùn)維，最大程度地降低了人員對(duì)充電基礎(chǔ)設(shè)施運(yùn)維工作的限制，同時(shí)還能提升運(yùn)維工作效率，降低運(yùn)維工作成本。
另外基于智能運(yùn)維特點(diǎn)，極大程度地降低了充電基礎(chǔ)設(shè)施的問(wèn)題處理難度，為社會(huì)化資源參與充電基礎(chǔ)設(shè)施運(yùn)維工作提供了可能，后期隨著商業(yè)模式的健全，就可以形成社會(huì)化運(yùn)維的生態(tài)，在進(jìn)一步提升充電基礎(chǔ)設(shè)施運(yùn)維工作效率，降低運(yùn)維工作成本的同時(shí)，反哺社會(huì)，提供就業(yè)機(jī)會(huì).
總結(jié)：
在充電模塊產(chǎn)業(yè)中，國(guó)內(nèi)如英飛源、特來(lái)電、優(yōu)優(yōu)綠能等企業(yè)，在技術(shù)、規(guī)模、產(chǎn)品性能等方面已經(jīng)達(dá)到了國(guó)際水平，充電模塊不再是依賴(lài)進(jìn)口的“卡脖子“技術(shù)。國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的高效率模塊以及開(kāi)拓的智能運(yùn)維思路在國(guó)際市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中獨(dú)樹(shù)一幟。
打開(kāi)充電樁模塊，里面的電容、變壓器、電阻、熔斷器和線路板等，沒(méi)有一樣是模塊企業(yè)自己生產(chǎn)的，而模塊企業(yè)的核心競(jìng)爭(zhēng)力就是將這些元器件集成和設(shè)計(jì)的能力。正如業(yè)界有人士所言，誰(shuí)能將故障率做到千分之幾以?xún)?nèi)，誰(shuí)就更有可能勝出。當(dāng)然這個(gè)千分之幾的故障率，是正常使用反饋的故障率，而不是臆測(cè)的故障率。對(duì)于充電模塊的轉(zhuǎn)化效率，對(duì)運(yùn)營(yíng)商是至關(guān)重要的，每減少1%，每年節(jié)約電費(fèi)就達(dá)5000萬(wàn)元;所以充電模塊的可靠性、轉(zhuǎn)化效率及智能運(yùn)維，成為模塊企業(yè)研發(fā)和創(chuàng)新的關(guān)鍵目標(biāo)和指標(biāo)!