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    800V高壓架構或將成為下一代電動汽車主流平臺
    來源:本站   發布時間:2022-1-14字號【 打印本頁
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    自從上海車展北汽極狐發布搭載華為全棧高壓解決方案的阿爾法S車型之后,十多家車企已經推出或者正在推出能夠快充的車輛,800V高壓架構已經成為2021年多個行業論壇的核心主題。

    12月21號,在2021華為智能汽車解決方案生態論壇上,華為邀請產業界伙伴,探討如何協同推進高壓快充產業化進程,再次引發行業對高壓平臺的廣泛關注。

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    隨著電動汽車續航里程增加的邊際效應開始降低,從600公里到800公里比之前300到400和500公里帶來的體驗差異不大,同時對體積和重量的要求需要匹配更大的車輛,已經不是單純的比例關系。

    快充就成為了下一步動力電池發展的必然方向,國內外車企都開始了充電5分鐘,加電200公里這樣的構想來迎合消費者對于快速補電的需求。

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    ▲圖1.2021年主要的車企在高壓化架構方面的動向

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    Part 1 提高充電速度的辦法

    提高電動汽車充電功率的兩條路徑

    從總體架構來看,提高電動汽車的充電功率主要包含幾個核心要素。我們能走的路徑只有兩條:

    提高電流:

    如果我們保留其他的部件不變,選擇提升電流的路徑,主要的限制在于大電流產生的熱損失,這會導致整體的設計會有很大的差異。電路中的大電流會產生很高的熱損失,因為所有部件(連接器、電纜、電池的電連接、母線排等)的電阻都難免會發熱。針對電池在充電期間出現過熱的情況,則需要在設計導電元件和確定尺寸時考慮這些熱損失,以免發生過載、過熱或充電電流受控降額等問題。

    提高電壓:

    由于上述電流的增大是有極限的,目前極限的電流一般定義為500A,所能達到的功率大約200kW(特斯拉在400V設計了600A以上的作為嘗試),增加電壓把400V系統切換成800V就是成為一個選擇。這個對于所有的用電部件,都是一個系統性的提升。里面核心的開關器件還有其他的部分都有了變化。

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    ▲圖2.400V體系下快充的迭代路徑

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    ▲圖3.800V快充的路徑

    高壓快充架構

    對于當前的車輛升級來看,很重要的是保持原有的系統不變的情況下,來提升快充的體驗。從400V到800V會有很大的改變,所以短期內圍繞400V來進行功率升級是一個選擇。當電流越大時,要想以相同的電壓水平傳輸功率而不會過熱,所需的電纜橫截面積就越大。

    目前主要的高功率設計,目標是200kW,也就是持續5分鐘左右的500A電流,為了匹配這個電流,需要增大車內充電插座、充電插座到電池包的高壓線纜、快充接觸器和主正主負接觸器、主熔絲、模組接線排、電芯內部接線排的載流能力。

    但是從長期來看,要實現5~10min快速充電,打造和加油一樣的充電體驗,需要400kW以上的充電功率,則整車電壓平臺必然要向800V及以上進行演進。而且在充電功率相同的情況下,高壓架構下電池系統散熱更少,熱管理難度低,線束直徑更小,成本也更低。

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    ▲圖4.400V和800V電壓作比較

    在這個領域,除了車廠以外,華為是特別積極的,而且以全棧高壓平臺解決方案的形式來做了個800V系統。包括OBC車充電,包括電池管理以及動力總成,車下高壓模塊,今年發布的方案是15分鐘以內的充滿30%-80%,兩年以后會再上市7.5分鐘的解決方案,2025年做到5分鐘。

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    ▲圖5.800V系統的供應鏈對于高壓架構是準備好的

    電池安全方面,結合大數據,電化學機理模型,AI模型等打造了云端電池安全方案AI BMS,基于AI算法的訓練,通過數字孿生的耦合不斷迭代,提升算法效果,做到更快、更準、更精確的預測電池熱失控,保障電池安全。

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    ▲圖6.華為的AI閃充高壓系統平臺方案

    當前,可匹配800V及以上高壓快充車型的高壓直流樁嚴重不足。高壓架構推廣初期可能需要在車端配備升壓功能。從400V到800V,解決升壓的問題。

    800V系統帶來的挑戰和機會是多元化的,總體來看,有這么幾個機會點:

    從電壓拓撲來看,可以實現同電芯的梯度配置,也就是可以分為高配高電壓;低配低電壓的差異化配置。

    從電流方向上面,從起始的350A、500A甚至未來的600A,也可以擴展的支持快充,不斷提高功率。

    由SiC的導入,可以提高整體功率電子的效率和降低體積。

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    ▲圖7.兼容低電壓樁充滿800V的問題

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    Part 2 充電網絡建設

    在整體產業里還有一塊最重要的拼圖,就是充電網絡的投資。目前主要的汽車企業比如大眾、特斯拉甚至是通用汽車,都要自己建立起一套快充網絡。在設施端已經開始考慮建立符合未來800V需求的充電設施。在這方面,華為是從充電模塊開始設計的, 200V-1000V的兼容,基于兩路的500V串聯輸出,同時實現全負載的高效。

    從實際應用中,800V高壓平臺對電驅動也帶來不少難題,如絕緣、軸承電腐蝕和EMC等問題,華為在這方面做了不少的嘗試,通過專利高壓連接器,專利軸承導流防擊穿結構及EMC軟硬件抑制等核心創新技術,系統性地解決上述難題。以800V系統中軸承防腐蝕為例,它一直是業界電驅動產品未解決的難題,當前400V下的電機軸承并不是都會發生電腐蝕,但是800V下的系統,電機軸承發生電腐蝕的概率將會直接增加很多。

    首先我們要注意的是電驅動系統中,共模電流產生的軸電壓。電動汽車里面的驅動電機軸電壓還是以「容性電壓」為主,它的源頭是PWM控制產生的共模電壓,經過層層寄生電容進行分壓,最終按照一定的比例分到軸承兩端。高頻感應軸電壓產生的機理包括定子繞組與機殼的寄生電容不對稱、共模電路中繞組和機殼之間的漏電流發生變化、在電機軸上等效出一個共模電流變化和相應的感應磁通。

    通過創新的「富蘭克林」引流技術,可將軸承上的近60V~80V電壓的電流導出,較好的解決了其對軸承之間潤滑膜耐壓性能的沖擊,從而大幅降低軸承失效的風險。

    小結:主流車企已經開始加大800V高壓投入,雖然高壓架構依然存在部分挑戰,但從總體來看,未來800V高壓架構將成為下一代電動汽車主流平臺,2022年將成為中國800V系統的一個元年。

    來源:第一電動網

    作者:朱玉龍

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