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随着我國(guó)新(xīn)能(néng)源汽車(chē)滲透率越來越高，作(zuò)為(wèi)電(diàn)動汽車(chē)配套基礎設施的充電(diàn)樁也越來越受到中(zhōng)央和地方政府的重視。
充電(diàn)模塊是充電(diàn)樁的核心組件，好比充電(diàn)樁的“心髒”，他(tā)是将電(diàn)網的交流電(diàn)轉化為(wèi)電(diàn)動汽車(chē)需要的直流電(diàn)的關鍵設備，具(jù)有(yǒu)較高的技(jì )術要求，他(tā)的技(jì )術關鍵在于可(kě)靠性、轉化效率和智能(néng)運維。充電(diàn)模塊技(jì )術的提升，是各運營商(shāng)提升用(yòng)戶充電(diàn)體(tǐ)驗、減少投資成本、減少運營費用(yòng)的關鍵。
1.充電(diàn)模塊的産(chǎn)業規模
近年來，受益于充電(diàn)樁市場建設加快，充電(diàn)模塊市場規模持續增長(cháng)。據相關數據顯示，2022年全球充電(diàn)模塊市場規模約為(wèi)70.8億元，國(guó)内市場規模為(wèi)53.14億元，占比達到75%。
各主流充電(diàn)模塊的品牌、産(chǎn)品、技(jì )術參數和應用(yòng)場景等相關參數如下表所示：
充電(diàn)模塊，作(zuò)為(wèi)充電(diàn)樁的核心，類似于人體(tǐ)的心髒，它決定着充電(diàn)樁的大部分(fēn)成本、電(diàn)能(néng)轉換效率，充電(diàn)速度和可(kě)靠性。
目前，有(yǒu)充電(diàn)模塊生産(chǎn)能(néng)力的企業大緻分(fēn)為(wèi)兩類：一類是模塊供應商(shāng)，專門銷售給充電(diàn)樁的生産(chǎn)企業或運營企業，比如英飛源、永聯、通合等，用(yòng)于銷售的模塊要求價格低、符合産(chǎn)品标準;另一類是充電(diàn)樁生産(chǎn)和運營為(wèi)主的企業，主要是自産(chǎn)自用(yòng)，強調的是全壽命周期成本最低，這類企業目前僅特來電(diàn)一家。由于充電(diàn)模塊開發，在人才、技(jì )術、供應鏈整合等方面有(yǒu)着顯著的壁壘，所以能(néng)做到自産(chǎn)自用(yòng)的企業鳳毛麟角。
目前市場，出貨量前三名(míng)的模塊生産(chǎn)廠家為(wèi)英飛源、特來電(diàn)和優優綠能(néng)。其中(zhōng)，英飛源主要的占比在海外市場及電(diàn)網公(gōng)司，特來電(diàn)作(zuò)為(wèi)國(guó)内頭部充電(diàn)運營商(shāng)，占據了國(guó)内市場的半壁江山(shān)，其次是優優綠能(néng)、永聯、華為(wèi)等。
2.充電(diàn)模塊的技(jì )術發展趨勢
近兩年，新(xīn)能(néng)源汽車(chē)銷量大幅增長(cháng)，2022年我國(guó)新(xīn)能(néng)源汽車(chē)銷量近700萬輛，相比2020年增長(cháng)了近4倍。新(xīn)能(néng)源汽車(chē)的快速發展對充電(diàn)基礎設施建設提出了更高要求。
目前，充電(diàn)模塊正向着“高功率、高效率、寬輸出範圍、高可(kě)靠性、智能(néng)運維”方向發展。
1）充電(diàn)模塊單模塊功率越大，單瓦的成本越低。 随着大功率充電(diàn)站的建設越來越多(duō)，充電(diàn)模塊功率也越來越高。從15kW，到20kW、30kW，再到現在的40kW。當然，充電(diàn)模塊的功率也不是越大越好，當下以單槍功率60-120KW為(wèi)主流的充電(diàn)樁市場，15KW模塊也可(kě)以滿足市場需求，但很(hěn)多(duō)樁企基于整機成本考慮，采用(yòng)單瓦成本更低的40kW模塊。實際上系統模塊數量越多(duō)，單模塊失效對整體(tǐ)影響越小(xiǎo)。車(chē)主不需要承擔因為(wèi)系統可(kě)用(yòng)性降低，帶來的充電(diàn)時間延長(cháng)的風險。充電(diàn)樁運營商(shāng)在做柔性充電(diàn)智能(néng)分(fēn)配時，更期望模塊顆粒度更小(xiǎo)，這樣易于做調度分(fēn)配，減少功率浪費，單個故障對系統的可(kě)用(yòng)性影響較小(xiǎo)，對運維及時度要求也會減小(xiǎo)。
2）充電(diàn)模塊輸出範圍越來越寬。 随着汽車(chē)動力電(diàn)池及三電(diàn)技(jì )術的發展，汽車(chē)動力電(diàn)池電(diàn)壓平台從330V，提升到600V，再提升到800V平台。充電(diàn)模塊的輸出電(diàn)壓範圍也從500V，提升到750V，再提升到1000V。英飛源、維谛技(jì )術(原艾默生)采用(yòng)三電(diàn)平全橋移相ZVS技(jì )術，實現了輸出電(diàn)壓的寬範圍的調節。
3）充電(diàn)模塊可(kě)靠性自身要求越來越高。 早期充電(diàn)模塊在市場運行幾年就出現失效的情況，尤其在沿海等高溫、高濕、高鹽霧環境下表現特别糟糕。近幾年，随着技(jì )術的發展，廠商(shāng)走出了不同的充電(diàn)模塊防護技(jì )術發展路線(xiàn)。有(yǒu)走獨立風道防護路線(xiàn)，有(yǒu)走液冷路線(xiàn)、也有(yǒu)走全灌膠路線(xiàn)。作(zuò)為(wèi)頭部運營商(shāng)，基于防護性、可(kě)維護性、成本、可(kě)靠性考慮，特來電(diàn)選用(yòng)全灌膠方案，在保證産(chǎn)品可(kě)靠性同時，為(wèi)客戶提供了比肩IP54防護能(néng)力的低成本解決方案。優優綠能(néng)的模塊産(chǎn)品都采用(yòng)了IP65獨立風道結構設計，具(jù)備良好的防塵、防水功能(néng)，确保充電(diàn)樁在室外能(néng)夠長(cháng)時間安(ān)全、可(kě)靠運行。最近大火的華為(wèi)全液冷模塊，一時火爆全網，這種模塊雖然能(néng)做到更高的防護性等級，但卻要付出高昂的設備成本，模塊電(diàn)力損耗大，設備維修難度高，是非常不經濟實用(yòng)的技(jì )術方案。
4）充電(diàn)模塊轉換效率要求越來越高。 運營商(shāng)在充電(diàn)運營時必須自己承擔AC/DC轉換過程的損耗。因而提升充電(diàn)模塊效率，是降低運營成本的關鍵措施。易能(néng)時代通過采用(yòng)獨特的軟開關技(jì )術來改良充電(diàn)樁，納秒(miǎo)級開關控制将開關損耗降至最低，擁有(yǒu)遠(yuǎn)超行業水平的超高轉化效率，最高可(kě)達99%。盛弘、優優綠能(néng)、特來電(diàn)等企業已經開始布局高功率的碳化矽充電(diàn)模塊，将第三代半導體(tǐ)技(jì )術應用(yòng)到充電(diàn)模塊中(zhōng)，和原有(yǒu)的矽基器件結合，達到成本和效率的兼顧，提升了模塊轉換效率1%。轉換能(néng)量損失降低20%以上，有(yǒu)效降低了運營商(shāng)的運營費用(yòng)。
5）液冷模塊技(jì )術的發展
液冷充電(diàn)模塊是充電(diàn)模塊的一個發展方向，液冷模塊正面及背面無任何風道，模塊靠液冷闆内部循環的冷卻液與外界進行熱交換，從而充電(diàn)樁功率部分(fēn)可(kě)以全封閉設計，将散熱器外置，内部通過冷卻液将熱量帶到散熱器上，外部空氣吹走散熱器表面的熱量。充電(diàn)樁體(tǐ)内的液冷充電(diàn)模塊、電(diàn)氣配件等與外界環境無接觸，從而可(kě)以實現IP65的防護，可(kě)靠性更高。
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3.充電(diàn)模塊的主要應用(yòng)場景
充電(diàn)樁可(kě)分(fēn)直流樁、交流樁、液冷超充樁等，分(fēn)别适用(yòng)于小(xiǎo)區(qū)、園區(qū)、物(wù)流港口、公(gōng)共快充站、公(gōng)交充電(diàn)站等場景中(zhōng)。充電(diàn)模塊則主要應用(yòng)于新(xīn)能(néng)源汽車(chē)直流充電(diàn)樁、液冷超充樁、儲能(néng)站、新(xīn)能(néng)源微網中(zhōng)。
一個充電(diàn)樁通常采用(yòng)多(duō)個充電(diàn)模塊并聯而成，比如 120kW 充電(diàn)樁可(kě)由 8 個 15kW 充電(diàn)模塊組成，也可(kě)由4個30kW充電(diàn)模塊組成。單個充電(diàn)模塊輸出功率越大，功率密度越高，能(néng)有(yǒu)效優化樁内空間。目前充電(diàn)模塊已曆經第一代7.5kW、第二代 15/20kW，向着 30/40kW 乃至更高功率不斷演進。據了解，盛弘、永聯、特來電(diàn)、通合科(kē)技(jì )、英飛源、優優綠能(néng)等均已研發出 40kW 充電(diàn)模塊産(chǎn)品。
充電(diàn)模塊除了傳統的給電(diàn)動汽車(chē)充電(diàn)功能(néng)之外，也在發展雙向充電(diàn)技(jì )術。雙向模塊的發展，進一步使得 V2G 技(jì )術和 V2H 技(jì )術得以實現，在削峰填谷、平衡用(yòng)電(diàn)負荷、提高充電(diàn)樁使用(yòng)效率等方面起到積極的作(zuò)用(yòng)。
随着電(diàn)動汽車(chē)規模化的到來，簡單的充電(diàn)樁顯然無法支撐大規模電(diàn)動汽車(chē)的發展，充電(diàn)網技(jì )術路線(xiàn)成為(wèi)新(xīn)能(néng)源汽車(chē)充電(diàn)行業的共識。做充電(diàn)樁簡單，做充電(diàn)網技(jì )術很(hěn)複雜，充電(diàn)網是跨行業、跨專業的生态體(tǐ)系，至少涉及到電(diàn)力電(diàn)子、調度控制、大數據、雲平台、人工(gōng)智能(néng)、工(gōng)業互聯網、變電(diàn)配電(diàn)、智能(néng)環控、系統集成、智能(néng)運維等10個領域的技(jì )術，這些技(jì )術的深度融合，才能(néng)保證充電(diàn)網體(tǐ)系的完整性。
4.充電(diàn)模塊性能(néng)參數
在低成本的壓力下，充電(diàn)樁要做到安(ān)全、可(kě)靠、穩定，面臨的挑戰依然很(hěn)大。由于充電(diàn)樁安(ān)裝(zhuāng)在室外，粉塵、溫度、濕度都沒有(yǒu)太好的保障，環境相對惡劣。
在高緯度、高寒、高海拔等特殊工(gōng)況條件下，對充電(diàn)模塊的性能(néng)要求極高。
目前15kW模塊主要是強制風冷的方式散熱，不可(kě)避免的帶來塵埃、腐蝕性氣體(tǐ)、濕氣等幹擾，因此模塊故障主要集中(zhōng)在環境導緻的“熱炸機”現象比較多(duō)，為(wèi)克服強制風冷的不良後果，自然冷卻(主要靠散熱片)的散熱方式是可(kě)能(néng)的有(yǒu)效選擇之一。
根據充電(diàn)樁設備的工(gōng)作(zuò)環境溫度要求和充電(diàn)模塊的自身性能(néng)，對其工(gōng)作(zuò)溫度範圍要求如下：
充電(diàn)模塊工(gōng)作(zuò)溫度範圍： -25℃～+70℃
樁體(tǐ)穩定工(gōng)作(zuò)溫度範圍： -25℃～+60℃。
目前行業主流40kW模塊的恒功率輸出電(diàn)壓範圍都在300Vdc~1000Vdc，兼容目前的400V平台乘用(yòng)車(chē)、750V大巴車(chē)以及未來800V-1000V高電(diàn)壓平台車(chē)輛的充電(diàn)需求;英飛源、特來電(diàn)、盛弘的40kW模塊輸出電(diàn)壓範圍可(kě)以做到50Vdc~1000Vdc，兼顧低電(diàn)壓車(chē)輛的充電(diàn)需求。在模塊的整體(tǐ)工(gōng)作(zuò)效率方面，特來電(diàn)、優優綠能(néng)、盛弘的40kW高效率模塊有(yǒu)采用(yòng)SIC功率器件，峰值效率可(kě)以達到97%，高于行業平均水平。
充電(diàn)樁的可(kě)靠性更多(duō)的是表現在充電(diàn)模塊的可(kě)靠性上，除了國(guó)标規定的常規電(diàn)器性能(néng)EMC之外，更多(duō)的需要去考慮環境的耐受性，比如潮濕、粉塵等等，高防護的産(chǎn)品現在開始慢慢進入到主流市場，除了常規三防噴塗外，灌膠、液冷、獨立風道等方案将越來越成熟。
5.充電(diàn)模塊與智能(néng)運維
根據中(zhōng)國(guó)充電(diàn)聯盟統計的數據，截至2023年5月，全國(guó)充電(diàn)基礎設施累計數量為(wèi)635.6萬台，新(xīn)能(néng)源汽車(chē)保有(yǒu)量達到1604萬輛，為(wèi)我國(guó)新(xīn)能(néng)源汽車(chē)産(chǎn)業發展提供了有(yǒu)力支撐。公(gōng)共充電(diàn)樁運營企業中(zhōng)，top5的運營商(shāng)企業的市場份額占比達到68.7%，top15的份額占比達到了94.1%。
然而，筆(bǐ)者用(yòng)大量時間調研了整個新(xīn)能(néng)源汽車(chē)行業産(chǎn)業鏈發現：充電(diàn)難依然困擾着新(xīn)能(néng)源車(chē)車(chē)主，一樁難求、壞樁多(duō)、充電(diàn)慢等問題依然普遍存在，這也給新(xīn)能(néng)源電(diàn)動汽車(chē)充電(diàn)行業提出了新(xīn)的要求，不但要快速推進充電(diàn)基礎設施的建設，還要做好已建成充電(diàn)基礎設施的運行維護工(gōng)作(zuò)。
充電(diàn)基礎設施因其海量分(fēn)散部署的特點和其能(néng)源互聯、數據互聯的屬性，運維方式也有(yǒu)别于傳統的電(diàn)力行業，基于智能(néng)控制技(jì )術、新(xīn)一代通信技(jì )術和大數據分(fēn)析技(jì )術的智能(néng)運維必不可(kě)少，是做好充電(diàn)基礎設施運維工(gōng)作(zuò)的關鍵。
什麽是智能(néng)運維?智能(néng)運維簡單來講是一套由智能(néng)充電(diàn)設備、智能(néng)網關和大數據平台組成、按照成熟的運維流程搭建的系統，可(kě)以高效處理(lǐ)已發生的問題，并預測和預防即将發生的問題，從而保證充電(diàn)基礎設施的可(kě)靠、穩定運行。
智能(néng)運維最基本的功能(néng)包含充電(diàn)設施的實時監控、遠(yuǎn)程升級、遠(yuǎn)程配置、遠(yuǎn)程控制(複位)、遠(yuǎn)程上線(xiàn)、遠(yuǎn)程報文(wén)獲取、故障預警、故障診斷、故障預測、資産(chǎn)台賬生成/替換、運維策略智能(néng)制定/優化等，通過這些功能(néng)可(kě)以實現充電(diàn)基礎設施的無人值守和主動運維，最大程度地降低了人員對充電(diàn)基礎設施運維工(gōng)作(zuò)的限制，同時還能(néng)提升運維工(gōng)作(zuò)效率，降低運維工(gōng)作(zuò)成本。
另外基于智能(néng)運維特點，極大程度地降低了充電(diàn)基礎設施的問題處理(lǐ)難度，為(wèi)社會化資源參與充電(diàn)基礎設施運維工(gōng)作(zuò)提供了可(kě)能(néng)，後期随着商(shāng)業模式的健全，就可(kě)以形成社會化運維的生态，在進一步提升充電(diàn)基礎設施運維工(gōng)作(zuò)效率，降低運維工(gōng)作(zuò)成本的同時，反哺社會，提供就業機會.
總結：
在充電(diàn)模塊産(chǎn)業中(zhōng)，國(guó)内如英飛源、特來電(diàn)、優優綠能(néng)等企業，在技(jì )術、規模、産(chǎn)品性能(néng)等方面已經達到了國(guó)際水平，充電(diàn)模塊不再是依賴進口的“卡脖子“技(jì )術。國(guó)内生産(chǎn)的高效率模塊以及開拓的智能(néng)運維思路在國(guó)際市場競争中(zhōng)獨樹一幟。
打開充電(diàn)樁模塊，裏面的電(diàn)容、變壓器、電(diàn)阻、熔斷器和線(xiàn)路闆等，沒有(yǒu)一樣是模塊企業自己生産(chǎn)的，而模塊企業的核心競争力就是将這些元器件集成和設計的能(néng)力。正如業界有(yǒu)人士所言，誰能(néng)将故障率做到千分(fēn)之幾以内，誰就更有(yǒu)可(kě)能(néng)勝出。當然這個千分(fēn)之幾的故障率，是正常使用(yòng)反饋的故障率，而不是臆測的故障率。對于充電(diàn)模塊的轉化效率，對運營商(shāng)是至關重要的，每減少1%，每年節約電(diàn)費就達5000萬元;所以充電(diàn)模塊的可(kě)靠性、轉化效率及智能(néng)運維，成為(wèi)模塊企業研發和創新(xīn)的關鍵目标和指标!