純電動(dòng)汽車高電壓快充平臺(tái)技術(shù)淺析
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通過(guò)整車平臺(tái)電壓的提升以及超快充電池技術(shù)研發(fā)，結(jié)合高電壓充電樁的布局，繼而提升充電效率，這是目前行業(yè)趨勢(shì)。隨著電壓平臺(tái)的提升，純電動(dòng)汽車電池系統(tǒng)、電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)以及高壓部件等配套零部件面對(duì)新的技術(shù)挑戰(zhàn)，同時(shí)促進(jìn)新材料、新技術(shù)的應(yīng)用推廣。純電動(dòng)汽車發(fā)展有三大痛點(diǎn)：價(jià)格貴、續(xù)駛里程短和充電慢。隨著純電平臺(tái)的應(yīng)用，純電動(dòng)汽車正向開(kāi)發(fā)、電池成本的下降、能耗的下降，純電動(dòng)汽車的總體成本逐漸下降，慢慢進(jìn)入主流A級(jí)車10萬(wàn)～20萬(wàn)元價(jià)格競(jìng)爭(zhēng)區(qū)間。另一方面，動(dòng)力電池能量密度提高、長(zhǎng)續(xù)駛純電動(dòng)車型加速推出，純電動(dòng)汽車?yán)m(xù)駛里程大幅度提升。對(duì)于充電慢問(wèn)題，目前行業(yè)內(nèi)正在加快高電壓平臺(tái)的布局，研究超快充電池技術(shù)。
一、純電動(dòng)汽車充電效率及高壓架構(gòu)
純電動(dòng)汽車高壓架構(gòu)如圖1所示。充電速度的提升可以理解為充電功率的提升，即P=UI中的“P”（P是充電功率，U是充電電壓，I是充電電流）。想要提升充電功率，保持電壓或電流其中一項(xiàng)不變，提高電壓或電流即可提高充電功率，由于提高電流會(huì)產(chǎn)生大量的熱量，對(duì)系統(tǒng)熱管理技術(shù)帶來(lái)更大的挑戰(zhàn)。目前，行業(yè)內(nèi)普遍采用高電壓路線，高電壓平臺(tái)的推出就是為了提高整車端充電效率，實(shí)現(xiàn)整車端快速補(bǔ)能。在純電動(dòng)汽車上，高壓電氣系統(tǒng)主要是負(fù)責(zé)起動(dòng)、行駛、充放電及空調(diào)動(dòng)力等，主要包括電池系統(tǒng)、動(dòng)力總成、高壓電控系統(tǒng)、充電系統(tǒng)、高壓設(shè)備及其線束系統(tǒng)。電動(dòng)汽車的系統(tǒng)高壓電氣系統(tǒng)正逐漸向著集成化、模塊化發(fā)展，逐漸衍生出了電動(dòng)汽車“三大件”：電池系統(tǒng)、動(dòng)力總成、高壓電控。使用800V高電壓平臺(tái)，在提升充電功率、提升充電速度的同時(shí)，隨著配套部件的升級(jí)，能進(jìn)一步提升電機(jī)驅(qū)動(dòng)效率，減少能量/功率損耗，同時(shí)對(duì)系統(tǒng)高壓部件的EMC設(shè)計(jì)、高壓安全設(shè)計(jì)等帶來(lái)新的挑戰(zhàn)。在高壓系統(tǒng)供應(yīng)鏈完善之前，整體成本上升。
二、高電壓平臺(tái)應(yīng)用影響分析
1.高電壓系統(tǒng)架構(gòu)實(shí)現(xiàn)方案
目前能實(shí)現(xiàn)大功率快充的高壓系統(tǒng)架構(gòu)共有三類：①純800V電壓平臺(tái)；②2個(gè)400V電池組組合使用；③800V電池組搭配DC/DC轉(zhuǎn)換器。三類方案在技術(shù)、成本等方面各有優(yōu)缺點(diǎn)。純800V高電壓平臺(tái)，電池包、電機(jī)以及充電接口均達(dá)到800V，OBC、空調(diào)壓縮機(jī)、DC/DC以及PTC均重新適配以滿足800V高電壓平臺(tái)。采用2個(gè)低壓的電池組，通過(guò)高壓配電盒的設(shè)計(jì)進(jìn)行組合使用。快充時(shí)，兩個(gè)電池組可串聯(lián)成800V平臺(tái)；運(yùn)行時(shí)，兩個(gè)電池組并聯(lián)成400V平臺(tái)，以適應(yīng)400V的高壓部件，該方案的優(yōu)勢(shì)在于不需要OBC、空調(diào)壓縮機(jī)、DC/DC以及PTC等部件在短時(shí)間內(nèi)重新適配，成本相對(duì)較低。800V電池組搭配DC/DC轉(zhuǎn)換器方案，整車搭載一個(gè)800V電池組，在電池組和其他高壓部件之間增加一個(gè)額外的DC/DC將800V電壓降至400V，車上其他高壓部件均采用400V電壓平臺(tái)。
2.對(duì)高壓電氣系統(tǒng)及電網(wǎng)的影響
（1）對(duì)電池系統(tǒng)的影響實(shí)現(xiàn)電池高電壓最簡(jiǎn)單的方式是，保證相同的帶電量，通過(guò)更改單體電池的串并聯(lián)方式，增加串聯(lián)的數(shù)量，可以提高電池包的電壓，主要難點(diǎn)在于如何保證高電壓、大電流的情況下的安全性和耐久性（圖2）。研究表明，過(guò)高的充電電壓或電流都能導(dǎo)致鋰電池電極材料和電解液的穩(wěn)定性降低，引起電池副反應(yīng)的增加，并在負(fù)極表面出現(xiàn)析鋰現(xiàn)象，導(dǎo)致鋰電池內(nèi)阻增大、容量衰減甚至引發(fā)火災(zāi)、爆炸等安全隱患。同時(shí)，更大的充電功率會(huì)對(duì)電池系統(tǒng)的冷卻帶來(lái)很大的挑戰(zhàn)，需要對(duì)發(fā)熱較為集中的單體電池正極區(qū)域進(jìn)行針對(duì)性的冷卻和熱處理，保障電池工作在理想的溫度區(qū)間內(nèi)。目前，高電壓快充電池正朝著無(wú)析鋰快充技術(shù)、電池材料改進(jìn)及高控制精度的BSM等方向發(fā)展。（2）對(duì)電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的影響在電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)方面，電壓的提高會(huì)對(duì)絕緣能力、耐壓等級(jí)以及爬電距離提出更高的要求（圖3），將對(duì)電氣部件的設(shè)計(jì)和成本帶來(lái)影響，但在工業(yè)電機(jī)等領(lǐng)域還是有比較豐富的高壓電應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)可以借鑒，主要的難點(diǎn)在電機(jī)控制器的核心元件——功率半導(dǎo)體器件。功率器件是電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中的重要組成，目前電機(jī)控制器驅(qū)動(dòng)功率芯片多為Si基的IGBT，特斯拉量產(chǎn)車型中使用了SiCMOSFET作為驅(qū)動(dòng)功率器件。目前市面上已量產(chǎn)的、通過(guò)汽車級(jí)認(rèn)證的IGBT模塊屈指可數(shù)，有英飛凌的HP2（1200V/400A）和HPD（1200V/380A），以及日立的1200V/400A模塊。要發(fā)展高電壓平臺(tái)，離不開(kāi)SiC技術(shù)的支持。SiCMOSFET在耐電壓和損耗水平上都能滿足800V電壓平臺(tái)需求，還具備進(jìn)一步拓展至1200V電壓平臺(tái)的潛力。（3）對(duì)高電壓零部件的影響在空調(diào)壓縮機(jī)、PTC、DC/DC及車載充電機(jī)等部件方面，面向高電壓平臺(tái)的開(kāi)發(fā)也在進(jìn)行中。目前PTC和空調(diào)已實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)，高電壓OBC、DC/DC、快充電池、高電壓BMS以及高電壓電驅(qū)動(dòng)預(yù)計(jì)于年內(nèi)量產(chǎn)（圖4）。高電壓平臺(tái)的應(yīng)用，對(duì)高電壓控制系統(tǒng)部件產(chǎn)業(yè)鏈上下游有重要的影響，零部件都需要重新適配（圖5）。從終端看，高電壓零部件的成熟度比車端高，充電槍、線、直流接觸器和熔絲等需重新選型，目前均有成熟產(chǎn)品。從充電模塊看，優(yōu)優(yōu)綠能、華為、英飛源、永聯(lián)等國(guó)內(nèi)充電模塊主流企業(yè)陸續(xù)發(fā)布了充電范圍寬至1000V的充電模塊。其中，對(duì)于充電系統(tǒng)，當(dāng)充電電流增大時(shí)，冷卻技圖3高電壓平臺(tái)對(duì)電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的影響圖2高電壓平臺(tái)對(duì)電池的影響術(shù)需要有突破，使得充電接口變小、電纜變得細(xì)和輕。正常情況下，隨著電流的增加，相對(duì)應(yīng)規(guī)格的電纜截面也會(huì)增加，使用液冷技術(shù)后，充電電流達(dá)到600A時(shí)，電纜截面大小類似150A電纜，會(huì)使充電電纜變得十分輕巧。（4）對(duì)充電樁布局及電網(wǎng)的影響電壓平臺(tái)實(shí)現(xiàn)的只是整車端快充，在整車端支持快充的基礎(chǔ)上還要匹配同等的充電端電壓，也就是整車端和充電端都要支持高電壓平臺(tái)，這樣才能真正意義上的實(shí)現(xiàn)超級(jí)充電。根據(jù)規(guī)劃，2022年將有90%的充電樁完成高電壓化改造，支持150kW及以上的充電功率，目前公共充電樁充電功率均不高，各家車企針對(duì)800V車型平臺(tái)，均配套推出自己的獨(dú)有快充充電樁。隨著充電樁功率的提升以及純電動(dòng)汽車的普及，對(duì)于電力容量也有一定要求，電網(wǎng)的負(fù)荷也會(huì)越來(lái)越大（圖6）。另一方面，電動(dòng)汽車作為電網(wǎng)用戶側(cè)海量的分布式儲(chǔ)能單元，具有極大的發(fā)展?jié)摿?。V2G應(yīng)用使得電網(wǎng)調(diào)節(jié)從源隨荷動(dòng)向源荷互動(dòng)發(fā)展，隨著電動(dòng)汽車和充電設(shè)施的大規(guī)模建設(shè)與發(fā)展，V2G作用將越來(lái)越大，規(guī)模效益將越來(lái)越明顯。
三、主流車企高電壓平臺(tái)布局
目前，現(xiàn)階段純電動(dòng)車型電壓平臺(tái)見(jiàn)表1，而通常允許使用的電壓范圍上限為系統(tǒng)額定電壓的115%~120%，在動(dòng)力電池系統(tǒng)額定電壓之下還可以上下浮動(dòng)。因此，動(dòng)力電池系統(tǒng)額定電壓在400V左右的純電動(dòng)車型，在充電時(shí)電壓基本都在500V以內(nèi)，絕大部分純電動(dòng)車型30%～80%的充電時(shí)間基本都在30min左右。在高電壓平臺(tái)方面，第一個(gè)上市的車型是保時(shí)捷Taycan。受限于各零部件開(kāi)發(fā)進(jìn)度的不同，最初的Taycan并沒(méi)有拿出一個(gè)完全由800V用電器組成的電壓平臺(tái)，而在內(nèi)部使用了多個(gè)電壓轉(zhuǎn)換器，以保證車型整體的開(kāi)發(fā)進(jìn)度。目前Taycan搭載的800V直流快充系統(tǒng)能夠支持350kW的快充（圖7），可以在22.5min內(nèi)把容量93.4kW·h的電池從5%充至80%，提供300km的續(xù)駛能力。借助高電壓IGBT方案，比亞迪將e平臺(tái)旗下車型的電壓提升至600V以上（圖8），唐新能源電壓達(dá)到700V；在比亞迪漢EV車型上，已經(jīng)配備了比亞迪自研的碳化硅功率器件。另外，比亞迪e平臺(tái)使用的八合一電驅(qū)動(dòng)支持高電壓平臺(tái)快充，選擇以更低阻抗實(shí)現(xiàn)高耐壓的SiC功率器件，泵升充電樁電壓、寬SOC大功率充電、實(shí)現(xiàn)充電5min，最大可續(xù)駛150km。其他車企如現(xiàn)代、小鵬、吉利、廣汽埃安、嵐圖、長(zhǎng)城等車企均在高電壓平臺(tái)或快充電池等方面有規(guī)劃布局，見(jiàn)表2。
四、總結(jié)
高電壓平臺(tái)能大幅提升整車平臺(tái)運(yùn)行效率，縮短充電時(shí)長(zhǎng)，是解決純電動(dòng)汽車充電慢痛點(diǎn)的有效手段，也是純電動(dòng)汽車大規(guī)模普及的前提。高電壓平臺(tái)的應(yīng)用會(huì)帶來(lái)快充電池的應(yīng)用、SiC器件的加速普及以及各高電壓零部件供應(yīng)鏈的重塑。未來(lái)，隨著車端、樁端高電壓技術(shù)的普及，我們將真正迎來(lái)電動(dòng)汽車時(shí)代。
作者:嚴(yán)佳麗 單位:安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司