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800V高压架构或将成为下一代电动汽车主流平台

自从上海车展北汽极狐发布搭载华为全栈高压解决方案的阿尔法S车型之后,十多家车企已经推出或者正在推出能够快充的车辆,800V高压架构已经成为2021年多个行业论坛的核心主题。

12月21号,在2021华为智能汽车解决方案生态论坛上,华为邀请产业界伙伴,探讨如何协同推进高压快充产业化进程,再次引发行业对高压平台的广泛关注。

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随着电动汽车续航里程增加的边际效应开始降低,从600公里到800公里比之前300到400和500公里带来的体验差异不大,同时对体积和重量的要求需要匹配更大的车辆,已经不是单纯的比例关系。

快充就成为了下一步动力电池发展的必然方向,国内外车企都开始了充电5分钟,加电200公里这样的构想来迎合消费者对于快速补电的需求。

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▲图1.2021年主要的车企在高压化架构方面的动向

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Part 1 提高充电速度的办法

提高电动汽车充电功率的两条路径

从总体架构来看,提高电动汽车的充电功率主要包含几个核心要素。我们能走的路径只有两条:

提高电流:

如果我们保留其他的部件不变,选择提升电流的路径,主要的限制在于大电流产生的热损失,这会导致整体的设计会有很大的差异。电路中的大电流会产生很高的热损失,因为所有部件(连接器、电缆、电池的电连接、母线排等)的电阻都难免会发热。针对电池在充电期间出现过热的情况,则需要在设计导电元件和确定尺寸时考虑这些热损失,以免发生过载、过热或充电电流受控降额等问题。

提高电压:

由于上述电流的增大是有极限的,目前极限的电流一般定义为500A,所能达到的功率大约200kW(特斯拉在400V设计了600A以上的作为尝试),增加电压把400V系统切换成800V就是成为一个选择。这个对于所有的用电部件,都是一个系统性的提升。里面核心的开关器件还有其他的部分都有了变化。

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▲图2.400V体系下快充的迭代路径

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▲图3.800V快充的路径

高压快充架构

对于当前的车辆升级来看,很重要的是保持原有的系统不变的情况下,来提升快充的体验。从400V到800V会有很大的改变,所以短期内围绕400V来进行功率升级是一个选择。当电流越大时,要想以相同的电压水平传输功率而不会过热,所需的电缆横截面积就越大。

目前主要的高功率设计,目标是200kW,也就是持续5分钟左右的500A电流,为了匹配这个电流,需要增大车内充电插座、充电插座到电池包的高压线缆、快充接触器和主正主负接触器、主熔丝、模组接线排、电芯内部接线排的载流能力。

但是从长期来看,要实现5~10min快速充电,打造和加油一样的充电体验,需要400kW以上的充电功率,则整车电压平台必然要向800V及以上进行演进。而且在充电功率相同的情况下,高压架构下电池系统散热更少,热管理难度低,线束直径更小,成本也更低。

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▲图4.400V和800V电压作比较

在这个领域,除了车厂以外,华为是特别积极的,而且以全栈高压平台解决方案的形式来做了个800V系统。包括OBC车充电,包括电池管理以及动力总成,车下高压模块,今年发布的方案是15分钟以内的充满30%-80%,两年以后会再上市7.5分钟的解决方案,2025年做到5分钟。

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▲图5.800V系统的供应链对于高压架构是准备好的

电池安全方面,结合大数据,电化学机理模型,AI模型等打造了云端电池安全方案AI BMS,基于AI算法的训练,通过数字孪生的耦合不断迭代,提升算法效果,做到更快、更准、更精确的预测电池热失控,保障电池安全。

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▲图6.华为的AI闪充高压系统平台方案

当前,可匹配800V及以上高压快充车型的高压直流桩严重不足。高压架构推广初期可能需要在车端配备升压功能。从400V到800V,解决升压的问题。

800V系统带来的挑战和机会是多元化的,总体来看,有这么几个机会点:

从电压拓扑来看,可以实现同电芯的梯度配置,也就是可以分为高配高电压;低配低电压的差异化配置。

从电流方向上面,从起始的350A、500A甚至未来的600A,也可以扩展的支持快充,不断提高功率。

由SiC的导入,可以提高整体功率电子的效率和降低体积。

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▲图7.兼容低电压桩充满800V的问题

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Part 2 充电网络建设

在整体产业里还有一块最重要的拼图,就是充电网络的投资。目前主要的汽车企业比如大众、特斯拉甚至是通用汽车,都要自己建立起一套快充网络。在设施端已经开始考虑建立符合未来800V需求的充电设施。在这方面,华为是从充电模块开始设计的, 200V-1000V的兼容,基于两路的500V串联输出,同时实现全负载的高效。

从实际应用中,800V高压平台对电驱动也带来不少难题,如绝缘、轴承电腐蚀和EMC等问题,华为在这方面做了不少的尝试,通过专利高压连接器,专利轴承导流防击穿结构及EMC软硬件抑制等核心创新技术,系统性地解决上述难题。以800V系统中轴承防腐蚀为例,它一直是业界电驱动产品未解决的难题,当前400V下的电机轴承并不是都会发生电腐蚀,但是800V下的系统,电机轴承发生电腐蚀的概率将会直接增加很多。

首先我们要注意的是电驱动系统中,共模电流产生的轴电压。电动汽车里面的驱动电机轴电压还是以「容性电压」为主,它的源头是PWM控制产生的共模电压,经过层层寄生电容进行分压,最终按照一定的比例分到轴承两端。高频感应轴电压产生的机理包括定子绕组与机壳的寄生电容不对称、共模电路中绕组和机壳之间的漏电流发生变化、在电机轴上等效出一个共模电流变化和相应的感应磁通。

通过创新的「富兰克林」引流技术,可将轴承上的近60V~80V电压的电流导出,较好的解决了其对轴承之间润滑膜耐压性能的冲击,从而大幅降低轴承失效的风险。

小结:主流车企已经开始加大800V高压投入,虽然高压架构依然存在部分挑战,但从总体来看,未来800V高压架构将成为下一代电动汽车主流平台,2022年将成为中国800V系统的一个元年。

来源:鼓楼电动车网

作者:朱玉龙

本文地址:https://www.d1ev.com/kol/166021

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