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高低壓電氣架構(gòu)的發(fā)展狀態(tài)和演變趨勢

2021-11-29 09:41:08·  來源：驅(qū)動視界  
　
摘要：縱觀汽車電源電壓的發(fā)展歷程，伴隨著電動化的發(fā)展，電動汽車是全球汽車業(yè)界未來發(fā)展的主題，電動車消費高端化、高能量密度和充放電倍率的電池技術(shù)以及碳化
摘要：
縱觀汽車電源電壓的發(fā)展歷程，伴隨著電動化的發(fā)展，電動汽車是全球汽車業(yè)界未來發(fā)展的主題，電動車消費高端化、高能量密度和充放電倍率的電池技術(shù)以及碳化硅SiC IGBT高功率電子器件的發(fā)展為電動車高壓化打下了堅實的發(fā)展基礎(chǔ)。
隨著保時捷Taycan的量產(chǎn)，800V高壓系統(tǒng)開始正式走上了歷史舞臺，這將加速電動汽車高壓化的競爭和各零部件高壓技術(shù)的發(fā)展，高壓化是未來必然趨勢。
1. 汽車電源電壓的發(fā)展歷史
1.1 12V電壓系統(tǒng)
從1886年卡爾本茨打造世界第一輛汽車面世，最初的汽車是沒有電池的，到1918年汽車開始引入蓄電池，中間經(jīng)過了近30年，隨著起動機的廣泛應(yīng)用，蓄電池很快就普及開了，那時使用6V的系統(tǒng)，很快大概在1950年左右，汽車的電壓就提升到了12V系統(tǒng)，直到現(xiàn)在。
1.2 48V電壓系統(tǒng)
引入48V系統(tǒng)是因為12V的系統(tǒng)不夠用了。
如果車上有了大功率用電設(shè)備，12V的低電壓系統(tǒng)就需要很大的電流支撐，引入混合動力技術(shù)后，越來越多大功率部件就對提高電壓提出了緊迫需求。
1.3 高壓化是未來趨勢
根據(jù)公式：P=UI，在功率（P）一定的情況下，想要降低電流（I）就得提高電壓（U）。
車載用電器的功率越來越大，如果不提高電壓，就只有增大電流了，但增大電流會讓電路的發(fā)熱量平方倍增加，導(dǎo)線橫截面也增大變粗，帶來電動汽車兩大問題：耗電能大幅增加和重量增加，這將減少續(xù)航里程和增加能耗。
將電壓提高至48V以上，它既能保證現(xiàn)在用電器的高功率，又可以減少電路上的能量損耗及發(fā)熱問題。
高電壓技術(shù)不是單純的抬高電壓，它同時對整個車上的相關(guān)高壓部件提出了新的要求，需要調(diào)整眾多的電氣設(shè)計。
回顧歷史，現(xiàn)在處于汽車電壓系統(tǒng)發(fā)展的一個節(jié)點了。
電動汽車是全球汽車業(yè)界未來發(fā)展的主題，并且是環(huán)保出行方式的關(guān)鍵，新政策的規(guī)范是發(fā)展的一個重要因素，歐盟強制2020年乘用車燃料消耗量大概要達到4.1L/100km左右，日本4.9L/100km，中國5.0L/100km，以目前全世界所有發(fā)售的內(nèi)燃動力汽車的數(shù)據(jù)來說，幾乎都無法達標，所有汽車至少都要48V系統(tǒng)或油電混合或純電動動力才行，高電壓是必然趨勢。
2. 電壓等級劃分依據(jù)
無論是國際標準還是國家標準，對整車車輛電壓還是零部件和系統(tǒng)級別的電壓，都是統(tǒng)籌兼顧，并沒有明顯的劃分界限，目前對大電流、高電壓和高功率相關(guān)的標準有待完善。
2017年3月，國際電工委員會TC69MT5-6工作組在荷蘭代爾夫特召開了電動汽車大功率充電國際標準第一次會議，該工作組的目標就是為了實現(xiàn)大功率充電，對現(xiàn)有的標準進行全面修訂以適應(yīng)新的技術(shù)要求。
2.1 ISO 6469-3-2011 Electrically Propelled Road Vehicles
該標準將電動道路車輛電壓等級劃分為A級電壓和B 級電壓，對A級電壓只需基本的功能防護，對B 級電壓的保護包括基本防護和故障防護。
電壓等級劃分明確了不同的車輛電路系統(tǒng)可滿足不同的安全要求，降低了對A 級低壓電路系統(tǒng)不必要的保護成本，對汽車工業(yè)的發(fā)展起到了積極作用。




2.2 GB/T 31466-2015電動汽車高壓系統(tǒng)電壓技術(shù)規(guī)范
該標準規(guī)定了電動汽車高壓系統(tǒng)，包括動力電池和/或高壓配電、電機及其控制器系統(tǒng)、電動壓縮機總成、DC/DC變換器、車載充電機和PTC加熱器等的直流電壓等級，適用于純電動汽車和混合動力電動汽車。
根據(jù)該標準，直流等級有6個優(yōu)選等級，分別如下：

2.3 GB/T 18488.1-2015 電動汽車用驅(qū)動電機系統(tǒng)
該標準規(guī)定了驅(qū)動電機系統(tǒng)的工作制、電壓等級、型號命名、要求、檢驗規(guī)則以及標志與標識等，適用于電動車用驅(qū)動電機系統(tǒng)、驅(qū)動電機、驅(qū)動電機控制器。
根據(jù)該標準，直流等級有23個，優(yōu)選等級有6個：
驅(qū)動電機系統(tǒng)直流母線額定電壓取以下等級：36V、48V、60V、72V、80V、120V、144V*、168V、192V、216V、240V、264V、288V*、312V*、336V*、360V、384V*、408V、540V、600V*、650V、700V、750V。
注：標有“*”的為優(yōu)選等級。
2.4 GB/T18487.1-2015電動車輛傳導(dǎo)充電系統(tǒng)一般要求
該標準規(guī)定了電動汽車傳導(dǎo)充電系統(tǒng)分類、通用要求、通信、電擊防護、電動汽車和供電設(shè)備之間的連接、車輛接口和供電接口的特殊要求、供電設(shè)備結(jié)構(gòu)要求、性能要求、過載保護和短路保護等。
適用于為電動汽車非車載傳導(dǎo)充電的電動汽車供電設(shè)備，包括交流充電樁、非車載充電機、電動汽車充電用連接裝置等，其供電電源額定電壓最大值為1000V AC或1500V DC。
電動汽車供電設(shè)備按照輸出電壓分類：
---交流：單相220V，三相380V；
---直流：200V-500V，350V-700V,500V-950V.
直流充電電流優(yōu)選值：80A，100A,125A,160A,200A,250A。
注：高于950V的供電設(shè)備由車輛制造商和供電設(shè)備制造商協(xié)商決定。
2.5 GB/T 24347-2009電動汽車DC/DC變換器
該標準規(guī)定了電動汽車DC/DC變換器的要求、試驗方法等，適用于動力電源系統(tǒng)用DC/DC變換器。
根據(jù)該標準，DC/DC輸入/輸出電壓等級要求如下：
DC/DC變換器的輸入/輸出電壓值可按照12V的整數(shù)倍劃分，例如12V、24V、36V、48V、┈ ┈、600V。
3. 電動車高壓化的主要影響因素
通常情況下，電動汽車乘用車的系統(tǒng)電壓為200-400V左右，商用車為500-800V左右。
如果想要延長汽車續(xù)航距離的話，必須要將幾塊電池并聯(lián)起來，以此來增加電池容量，但造成的弊端就是，充電時間也會隨之增加，如果將EV汽車的系統(tǒng)電壓增加至800V的話，便可以在短時間內(nèi)為大容量的電池充滿電。


3.1 電動車高端化，大電量是高壓化和大功率充電的主要推動力
電動車市場消費從中低端向高端市場變化趨勢明顯，新補貼政策將促進新能源乘用車在微觀的消費由政策導(dǎo)向轉(zhuǎn)向市場導(dǎo)向，隨著電池技術(shù)的持續(xù)發(fā)展，能量密度的不斷提高，電動車的電量增加和續(xù)航里程提升是必然趨勢。
車主對使用環(huán)節(jié)中的里程、充電焦慮抱怨多，消費者對快速充電的需求度高，現(xiàn)行的快充技術(shù)由于實際充電效率低，消費者不買賬，未來搭載800V以上的大功率快充技術(shù)的車型將成為新方向。


3.2 電池技術(shù)的發(fā)展是電動車長續(xù)航和快充需求的基礎(chǔ)
根據(jù)《節(jié)能與新能源汽車技術(shù)路線圖》，2020 年動力電池單體能量密度將達到300Wh/kg 甚至350Wh/kg，三元正極材料產(chǎn)業(yè)化路徑從NCM111、NCM523、NCM622 再到NCM811，增鎳降鈷趨勢明顯，當前NCM811 的商業(yè)化應(yīng)用已趨于成熟。
正極材料端選擇NCM811 成為最優(yōu)技術(shù)路線，NCM811 能量密度可達到280 Wh/kg 以上,相較于目前主流三元NCM523，能量密度提升18%左右，較NCM622 提升近12%。


3.3 高功率器件IGBT是電動車高壓化的關(guān)鍵
新能源汽車中用到功率器件的部件非常廣泛，電機控制器、DC-DC變換器、充電/逆變、電空調(diào)驅(qū)動等高壓部件一般使用的是IGBT功率模塊，隨著電氣化、自動化的發(fā)展，新能源汽車對功率器件的性能和可靠性提出了更為嚴苛的要求：更高的工作電壓、更快的開關(guān)頻率、更大的電流承載能力、更高的耐溫性能、更強的散熱能力。
碳化硅有更寬的帶隙，它的帶隙為硅的3倍，可以耐受更高的電壓（10倍），有更好的導(dǎo)熱特性（3倍）以及有更好的高溫穩(wěn)定性。
同時它的同功率尺寸要比硅更小，并且有更快的開關(guān)速度。更快的開關(guān)速度就意味著更小的開關(guān)損耗。
因此它特別適合高開關(guān)速度或大功率的場合。
800V電池系統(tǒng)中，碳化硅SiC功率電子的優(yōu)勢體現(xiàn)的尤其明顯。
2019年，已有多家零部件供應(yīng)商發(fā)布了開發(fā)、量產(chǎn)SiC電驅(qū)動系統(tǒng)的計劃，例如國外的博世、德爾福、采埃孚，國內(nèi)的比亞迪。
博世、采埃孚、德爾福和比亞迪四家的碳化硅基芯片的應(yīng)用重點均集中于電控模塊，批量應(yīng)用時間點起始于2022年或2023年。




4. 高壓系統(tǒng)的最新發(fā)展應(yīng)用
目前800V 系統(tǒng)電壓主要是高端跑車，比如保時捷Taycan，奔馳Project One，奧迪 AICON，保時捷 919 Hybrid，柯尼塞格Regera等，在可預(yù)見的將來，高電壓技術(shù)將從高端車型下沉應(yīng)用到普通車型。
4.1 豐田普銳斯
日本豐田汽車于1997年所推出世界上第一個大規(guī)模生產(chǎn)的混合動力車輛，其技術(shù)一直更新?lián)Q代，普銳斯的鎳氫電池組由松下制造，使用168個電壓為1.2V電芯串聯(lián)而成，總電壓為201.6伏，電池容量1.3kWh，重量為53.3公斤,混合動力系統(tǒng)“THS（TOYOTA Hybrid System）-II和III，基于約200V的電池輸出電壓，升壓至650V，高電壓可以在低電流下實現(xiàn)相同的輸出，減少繞組中的損耗（銅損）。
4.2 比亞迪新能源車型
比亞迪電動汽車動力電池電壓多為650多伏,充電電壓達到700多伏。
比如2019年比亞迪為全新一代唐EV也構(gòu)建了一個目前還很少有人達到的高電壓系統(tǒng)，全新一代唐EV 600D的82.8kWh容量電池組額定電壓為613.2伏，這就意味著系統(tǒng)承壓應(yīng)該為800伏水平。
比亞迪e5動力電池由13個電池模組串聯(lián)而成，每個模組內(nèi)部有單體電池，每個單體電池的標稱電壓是3.2 V，容量為75 Ah，電池總電壓同樣達到633.6 V。
4.3 柯尼塞格跑車Regera
2016年柯尼塞格在發(fā)布了一款全新跑車Regera，新車使用了混動系統(tǒng)，搭載5.0T V8發(fā)動機，三臺電動機，百公里加速用時僅為2.8秒。
柯尼塞格發(fā)明的世界首個800伏混動發(fā)動機，最大輸出功率1119千瓦，峰值扭矩1998牛米。
4.4 Fisker電動跑車EMotion
2016年，F(xiàn)isker旗下電動跑車EMotion車型就公布了他們將會采用800V充電樁，能在9分鐘內(nèi)充入200公里的續(xù)航里程，動力上或?qū)⒋钶d一套145千瓦時的電池組。
4.5 高功率充電網(wǎng)絡(luò)
2017年年 7 月，保時捷在德國柏林建成了第一個 350kW 快充，同年 9 月在美國建成了第一個。
這些充電站目前只支持 50-150kW 的充電功率，等有了支持350kW 充電功率的車出現(xiàn)后，才會功率全開。
在 350kW 快充領(lǐng)域，也發(fā)生了一個有趣的變化：車企開始抱團合建充電網(wǎng)絡(luò)，寶馬、保時捷、奔馳和福特已經(jīng)達成合作，計劃在歐洲建設(shè) 350kW 充電網(wǎng)絡(luò)，這些車企又希望把充電功率提高到450kW。
主要的充電組織如CharIN、CHAdeMO等將快充的目標定為1000V，350A。


4.6 奔馳AMG Project One
2018年10月，梅賽德斯奔馳推出首款頂級超跑，“Project One”正式定名為“AMG One”，量產(chǎn)車型全球限量275臺，售價高達227.5萬歐元且已全部售罄，AMG One搭載1.6升渦輪增壓V6混動引擎，配有8擋AMT變速箱，最大功率輸出將超過740千瓦，AMG One從靜止加速到200公里/小時時速耗時不足6秒，最高時速將超350公里/小時。
它配備了100kg的鋰電池，使用了800伏電池組，使得多組大功率電機的配備成為可能，最大純電續(xù)航里程為24公里，鋰電池還提供動力需要時加強的額外功率。
4.7 保時捷919 Hybrid
2018年6月，保時捷919 Hybrid Evo打破紐北圈速紀錄，跑出了1分41秒77，比2017最快的F1賽車還要快將近1秒，保時捷919 Hybrid賽車成功的秘訣就在這款超小尺寸的V型四缸2.0T V4發(fā)動機加上獨特的混合動力系統(tǒng)。
超緊湊型2.0L排量渦輪增壓發(fā)動機，功率達到了近500馬力。還有一項保時捷919 Hybrid車型所使用的獨特技術(shù)，那就是該車型率先使用的800V高壓鋰電池。
憑借這套800V高性能動力總成，保時捷919 Hybrid獲得了當年的勒芒24小時耐力賽的冠軍。
4.8 保時捷純電動超跑Taycan
2019年9月，保時捷首輛純電動超跑Taycan全球首發(fā)，搭載源自919 Hybrid賽車的800V電氣系統(tǒng)，成為全球唯一一款采用800V電氣系統(tǒng)的量產(chǎn)電動車，兩臺電動機，綜合最大輸出功率為440kW，約600馬力，后驅(qū)系統(tǒng)采用的是二檔變速系統(tǒng)，可實現(xiàn)0-3.3秒內(nèi)100公里/小時的加速性能，400V和800V系統(tǒng)都采用基本的390模組作為基礎(chǔ)單元，主要供應(yīng)商都是LG化學，Taycan的96kWh采用了34個模組，一共408個電芯。
通過一個前升壓系統(tǒng)，把傳統(tǒng)的400V升高到800V的高壓母線，這樣可以實現(xiàn)車輛在常規(guī)充電站上也能進行補電，可在15分鐘內(nèi)完成80%的充電量。
保時捷研發(fā)了自己的電動機、變流器和車載充電器，這些使用的都是和400V系統(tǒng)相同的控制原理，但不同的是，保時捷使用了能承受800V或者1000V的電源開關(guān)。
4.9 美國電動車RIVIAN
2019年12月，美國電動車企業(yè)RIVIAN宣布，旗下電動皮卡R1T和SUV車型R1S，在160kW直流快充模式下，充電30分鐘便可以使續(xù)航里程增加322公里左右，目前RIVIAN原車配備的是400V充電電壓標準的部件，但在設(shè)計之初RIVIAN已經(jīng)為未來的升級做好了準備。
目前，RIVIAN正在研發(fā)具備雙電壓，峰值電壓900V，標準電壓800V的電池組，這兩款車型都具備可升級至匹配800V充電電壓的架構(gòu)。
5. 小結(jié)
縱觀汽車電源電壓的發(fā)展歷程，伴隨著電動化的發(fā)展，電動汽車是全球汽車業(yè)界未來發(fā)展的主題，電動車消費高端化、高能量密度和充放電倍率的電池技術(shù)以及碳化硅SiC IGBT高功率電子器件的發(fā)展為電動車高壓化打下了堅實的發(fā)展基礎(chǔ)。
隨著保時捷Taycan的量產(chǎn)，800V高壓系統(tǒng)開始正式走上了歷史舞臺，這將加速電動汽車高壓化的競爭和各零部件高壓技術(shù)的發(fā)展，高壓化是未來必然趨勢。
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