純電動汽車高電壓快充平臺技術淺析
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通過整車平臺電壓的提升以及超快充電池技術研發(fā)，結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。隨著電壓平臺的提升，純電動汽車電池系統(tǒng)、電驅動系統(tǒng)以及高壓部件等配套零部件面對新的技術挑戰(zhàn)，同時促進新材料、新技術的應用推廣。純電動汽車發(fā)展有三大痛點：價格貴、續(xù)駛里程短和充電慢。隨著純電平臺的應用，純電動汽車正向開發(fā)、電池成本的下降、能耗的下降，純電動汽車的總體成本逐漸下降，慢慢進入主流A級車10萬～20萬元價格競爭區(qū)間。另一方面，動力電池能量密度提高、長續(xù)駛純電動車型加速推出，純電動汽車續(xù)駛里程大幅度提升。對于充電慢問題，目前行業(yè)內正在加快高電壓平臺的布局，研究超快充電池技術。
一、純電動汽車充電效率及高壓架構
純電動汽車高壓架構如圖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不變，提高電壓或電流即可提高充電功率，由于提高電流會產(chǎn)生大量的熱量，對系統(tǒng)熱管理技術帶來更大的挑戰(zhàn)。目前，行業(yè)內普遍采用高電壓路線，高電壓平臺的推出就是為了提高整車端充電效率，實現(xiàn)整車端快速補能。在純電動汽車上，高壓電氣系統(tǒng)主要是負責起動、行駛、充放電及空調動力等，主要包括電池系統(tǒng)、動力總成、高壓電控系統(tǒng)、充電系統(tǒng)、高壓設備及其線束系統(tǒng)。電動汽車的系統(tǒng)高壓電氣系統(tǒng)正逐漸向著集成化、模塊化發(fā)展，逐漸衍生出了電動汽車“三大件”：電池系統(tǒng)、動力總成、高壓電控。使用800V高電壓平臺，在提升充電功率、提升充電速度的同時，隨著配套部件的升級，能進一步提升電機驅動效率，減少能量/功率損耗，同時對系統(tǒng)高壓部件的EMC設計、高壓安全設計等帶來新的挑戰(zhàn)。在高壓系統(tǒng)供應鏈完善之前，整體成本上升。
二、高電壓平臺應用影響分析
1.高電壓系統(tǒng)架構實現(xiàn)方案
目前能實現(xiàn)大功率快充的高壓系統(tǒng)架構共有三類：①純800V電壓平臺；②2個400V電池組組合使用；③800V電池組搭配DC/DC轉換器。三類方案在技術、成本等方面各有優(yōu)缺點。純800V高電壓平臺，電池包、電機以及充電接口均達到800V，OBC、空調壓縮機、DC/DC以及PTC均重新適配以滿足800V高電壓平臺。采用2個低壓的電池組，通過高壓配電盒的設計進行組合使用?？斐鋾r，兩個電池組可串聯(lián)成800V平臺；運行時，兩個電池組并聯(lián)成400V平臺，以適應400V的高壓部件，該方案的優(yōu)勢在于不需要OBC、空調壓縮機、DC/DC以及PTC等部件在短時間內重新適配，成本相對較低。800V電池組搭配DC/DC轉換器方案，整車搭載一個800V電池組，在電池組和其他高壓部件之間增加一個額外的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。
2.對高壓電氣系統(tǒng)及電網(wǎng)的影響
（1）對電池系統(tǒng)的影響實現(xiàn)電池高電壓最簡單的方式是，保證相同的帶電量，通過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，過高的充電電壓或電流都能導致鋰電池電極材料和電解液的穩(wěn)定性降低，引起電池副反應的增加，并在負極表面出現(xiàn)析鋰現(xiàn)象，導致鋰電池內阻增大、容量衰減甚至引發(fā)火災、爆炸等安全隱患。同時，更大的充電功率會對電池系統(tǒng)的冷卻帶來很大的挑戰(zhàn)，需要對發(fā)熱較為集中的單體電池正極區(qū)域進行針對性的冷卻和熱處理，保障電池工作在理想的溫度區(qū)間內。目前，高電壓快充電池正朝著無析鋰快充技術、電池材料改進及高控制精度的BSM等方向發(fā)展。（2）對電驅動系統(tǒng)的影響在電驅動系統(tǒng)方面，電壓的提高會對絕緣能力、耐壓等級以及爬電距離提出更高的要求（圖3），將對電氣部件的設計和成本帶來影響，但在工業(yè)電機等領域還是有比較豐富的高壓電應用經(jīng)驗可以借鑒，主要的難點在電機控制器的核心元件——功率半導體器件。功率器件是電驅動系統(tǒng)中的重要組成，目前電機控制器驅動功率芯片多為Si基的IGBT，特斯拉量產(chǎn)車型中使用了SiCMOSFET作為驅動功率器件。目前市面上已量產(chǎn)的、通過汽車級認證的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，離不開SiC技術的支持。SiCMOSFET在耐電壓和損耗水平上都能滿足800V電壓平臺需求，還具備進一步拓展至1200V電壓平臺的潛力。（3）對高電壓零部件的影響在空調壓縮機、PTC、DC/DC及車載充電機等部件方面，面向高電壓平臺的開發(fā)也在進行中。目前PTC和空調已實現(xiàn)量產(chǎn)，高電壓OBC、DC/DC、快充電池、高電壓BMS以及高電壓電驅動預計于年內量產(chǎn)（圖4）。高電壓平臺的應用，對高電壓控制系統(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)等國內充電模塊主流企業(yè)陸續(xù)發(fā)布了充電范圍寬至1000V的充電模塊。其中，對于充電系統(tǒng)，當充電電流增大時，冷卻技圖3高電壓平臺對電驅動系統(tǒng)的影響圖2高電壓平臺對電池的影響術需要有突破，使得充電接口變小、電纜變得細和輕。正常情況下，隨著電流的增加，相對應規(guī)格的電纜截面也會增加，使用液冷技術后，充電電流達到600A時，電纜截面大小類似150A電纜，會使充電電纜變得十分輕巧。（4）對充電樁布局及電網(wǎng)的影響電壓平臺實現(xiàn)的只是整車端快充，在整車端支持快充的基礎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，這樣才能真正意義上的實現(xiàn)超級充電。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800V車型平臺，均配套推出自己的獨有快充充電樁。隨著充電樁功率的提升以及純電動汽車的普及，對于電力容量也有一定要求，電網(wǎng)的負荷也會越來越大（圖6）。另一方面，電動汽車作為電網(wǎng)用戶側海量的分布式儲能單元，具有極大的發(fā)展?jié)摿?。V2G應用使得電網(wǎng)調節(jié)從源隨荷動向源荷互動發(fā)展，隨著電動汽車和充電設施的大規(guī)模建設與發(fā)展，V2G作用將越來越大，規(guī)模效益將越來越明顯。
三、主流車企高電壓平臺布局
目前，現(xiàn)階段純電動車型電壓平臺見表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%，在動力電池系統(tǒng)額定電壓之下還可以上下浮動。因此，動力電池系統(tǒng)額定電壓在400V左右的純電動車型，在充電時電壓基本都在500V以內，絕大部分純電動車型30%～80%的充電時間基本都在30min左右。在高電壓平臺方面，第一個上市的車型是保時捷Taycan。受限于各零部件開發(fā)進度的不同，最初的Taycan并沒有拿出一個完全由800V用電器組成的電壓平臺，而在內部使用了多個電壓轉換器，以保證車型整體的開發(fā)進度。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平臺旗下車型的電壓提升至600V以上（圖8），唐新能源電壓達到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平臺使用的八合一電驅動支持高電壓平臺快充，選擇以更低阻抗實現(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、長城等車企均在高電壓平臺或快充電池等方面有規(guī)劃布局，見表2。
四、總結
高電壓平臺能大幅提升整車平臺運行效率，縮短充電時長，是解決純電動汽車充電慢痛點的有效手段，也是純電動汽車大規(guī)模普及的前提。高電壓平臺的應用會帶來快充電池的應用、SiC器件的加速普及以及各高電壓零部件供應鏈的重塑。未來，隨著車端、樁端高電壓技術的普及，我們將真正迎來電動汽車時代。
作者:嚴佳麗 單位:安徽江淮汽車集團股份有限公司