800伏特电压、350千瓦功率的充电平台或将成为未来纯电动汽车的分水岭。广汽埃安在线上发布会上,发布了最新的超倍速电池技术和A480超充桩。这套充电系统的充电电压为880伏特,充电功率为480千瓦,能实现6C的充电倍率。
所谓充电倍率,是以1小时充满电为基础,6C即六分之一小时(10分钟)完成一次充电。经过实测,广汽埃安实现了“充电5分钟,行驶207公里”的成绩,并获得了世界纪录认证机构(WRCA)的权威认证。自电动汽车量产以来,车企围绕充电功率的的竞赛就从未停歇,在电动车充电领域,业内普遍将800伏特平台,350千瓦功率作为高压充电门槛。此前以充电效率闻名的车型是保时捷Taycan,正好达到这一标准。
高压充电技术的普及,对于电动车意义重大,这意味着纯电动汽车彻底消除里程焦虑,在续航上媲美燃油车,届时,凭借自身更出色的动力性能、智能化体验,电动车将彻底替代燃油车。过对于充电系统而言,技术上实现高压充电并不困难,电网负荷的改造对于高压充电桩的普及更为重要。当下是否是一个普及高压充电的好时机,仍充满争议。
目前,受制于硅基IGBT功率耐压能力,主流快充模式主要基于400伏特电压平台。但400伏特的快充,显然不能满足电动汽车对充电效率的要求。此前,中国科学院院士欧阳明高在电动汽车百人会组织的研讨会上指出,解决充电的后顾之忧,需要更大功率的快充技术,超级快充是大势所趋,行业需要推进电动汽车采用≥800V的更高电压平台。
碳化硅材料特性使得 MOSFET 结构轻松覆盖 650V-3300V,导通损耗小;同时,90%的 行车工况是在主驱电机额定功率 30%以内,处于碳化硅的高效区;另外, SiC 主驱使得电源频率和电机转速增加,相同功率下转矩减小,体积减小; 主驱控制器用 SiC MOSFET 的 800V 平台车型总体节能 5%-10%。
SiC MOSFET 是 800V 高压系统功率半导体的较佳选择,目前已发布或即将发布 的 800V 高压系统方案大部分都选择采用 SiC MOSFET。对于超级快充,最好的办法是采用 800V 的平台,用 800V 的超级快充时,要求充电桩电源模 块的功率要扩容到 40kW/60kW,全 SiC 的方案效率则可以提高 2%。800V 高压系统将带动主驱逆变器、车载 OBC、DC-DC、PDU、超充、快充电桩开始大规模应用碳化硅,碳化硅迎来高速发展时刻。
充电快慢与什么因素有关
要想回答这个问题,咱们先要复习一个物理基础知识。如果你的中学物理课还没还给老师,那么就会知道,充电功率=输出电压×输出电流(P=UI),所以要想提高充电功率,要么提升充电电流,要么提升充电电压。
当功率高的时候自然充电更快,而功率低的时候充电效率也就慢下来。
因此,提升充电功率有两个解决方案,一是增大充电电流,二是提升充电电压。首先,如果我们选择提升电流的方案,还要涉及到另外一个物理公式:功率损耗=电阻×电流²(P=I²R)。
也就是说,在电阻不变的情况下,电流越大,所产生的功率损耗也就成倍数增长。
按照能量守恒的定律来看,如果说功率有损耗的话,那么这些损耗的功率一定是“开小差”了,至于它到底干了什么,可能有些朋友已经猜到了,那就是发热,表现为电线会越来越烫。
毫无疑问,提升电流会有非常大的安全隐患。所以,大多数车企选择了另一种解决方案:提升电压。当然也有例外,比如特斯拉,这个我们后面会讲到。
现阶段,我们能够常见到的充电平台,基本上都是采用了低电流、高电压的方式,而低电流所带来的好处,除了可以有效降低发热现象,还能进一步缩减线束的横截面积,也就是电阻的横截面积,因为电流越小,线束就可以做的更细、更便捷。
不过,我们虽然解决了电流的问题,但随之而来的,还有在高电压的环境下,如何确保充电平台中的各个组成部分,能够耐得住高压的考验。
说到这里,我们将要进入下一个话题,高压下的解决方案。
高压充电平台的快感
有关充电平台的组成,我们暂且分为充电端与车辆端两方面讨论。
首先是充电端,也就是所谓的电枪、电线等部分,参考案例为目前技术相对成熟的特斯拉V3超充站(Tesla Supercharger V3)。
需要事先声明的是,特斯拉目前所使用的V3超充技术,并非严格意义上的高压解决方案,因为它的峰值电压为400V,与眼下诸多厂商所追求的800V还有一段距离。所以,从某种意义上来说,V3超充技术更像是中高压与高电流的结合体。
而在前文我们曾提到过,高电流会导致电阻(线束)发热,从而造成一定程度上的安全隐患,那么有关这点特斯拉是怎么解决的呢?
据了解,特斯拉V3超充技术配备了一套液冷的充电枪。顾名思义,液冷充电枪就是通过一个电子泵来驱动冷却液流动,从而实现在经过液冷线缆时,带走电流损耗时所产生的的热量,最终回到冷却液油箱,通过电子泵驱动散热器进行散热。
如此循环工作,可以达到小截面积线缆通载大电流、低温升的要求。
众所周知,特斯拉其实早在V2 Supercharger上就使用了液冷线缆,不过由于超充功率的提升,特斯拉对V3 Supercharger上所配备的液冷技术进行了更新,换用了重量更轻、柔性更高的全新线缆,拥有着更好的散热效果。
至于在充电插口的使用上,特斯拉V3超充站采用的是由泰科提供的HC Stak 35连接器(与位于电池组一端的连接器相同)。
其优点是,在匹配了95平方的高压屏蔽线后,载流能力达到了330A@85℃(即实现330安培的最大载荷时温度为85摄氏度),距离特斯拉所使用的电缆耐热极限180℃还有很大余量。
所以,得益于良好的散热系统,特斯拉V3超充站可以实现250kW的充电功率,相较于第二代的145kW提升了72.4%。
当然,特斯拉并不是“抗压”能力最强的一个,因为有这么一款车型,可以做到800V高压充电,并且这台车已经量产在售,它就是全球范围内,首个实现800V系统充电的保时捷Taycan。
言归正传,在条件允许的情况下,目前Taycan所搭载的800V快充系统的峰值充电功率为350kW,按照官方的介绍,车辆的电池想要从5%充至80%,只需要22.5分钟。
不过为了实现这一目标,Taycan在架构内增加了大量复杂的电压转换设备,而这些设备,就是我们接下来要说的内容,即如何在车辆端,满足高压平台对于硬件上的需求。
目前比较主流的,是更换车规级的变换器核心零部件--IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor),它的中文学名是“绝缘栅双极型晶体管”。
现阶段使用最广泛的是硅基IGBT,它的耐压等级区间在600V-750V,显然和厂商们所希望的800V无法形成匹配。因此为了适应高电压平台,有些厂商便选择了耐压性跟高的SIC(碳化硅),例如我们刚刚提到的保时捷Taycan。
可问题是,原本耐压性表现一般的IGBT,就已经占据了电动车将近10%的成本,而SIC的成本,更是IGBT的10倍左右。
换句话说,但凡使用高级别的SIC,就会提升车辆的整体成本,这无疑是雪上加霜。也正因如此,这些昂贵的原材料,在一定时间内减缓了厂商们进军高压平台的脚步。
好消息是,据业内相关人士透露,目前我国国内部分科技企业,正在和车企协作联合开发车规级的SIC,只不过具体的量产时间待还不确定(据悉,小鹏G9就使用了高压SIC平台)。
虽然听着还有些扑朔迷离,但人们不是常说,只要迈开第一步,就已经成功一半了吗?
各大厂商也开始在电动车充电的解决方案上拿出了新的成果
蔚来ET7 800V+碳化硅车型
蔚来 ET7 采用碳化硅模块。ET7 通过采用碳化硅功率模块(SiC MOSFET)、 减少零部件数量、优化电磁方案、优化减速器速比(从 9.57 提升到 10.48)、 采用扁线绕组等技术,在功率提升 12.5%的基础上,重量依然保持在 88 公 斤,使功率密度超过了 2.04kW/kg,在国产电驱系统中处于领先地位。
蔚来ET7碳化硅模块
蔚来 ET7 续航提升 4%~6%。蔚来所采用的碳化硅模块由安森美生产,位于韩国的晶圆厂生产晶圆,并在马来西亚进行模块封装。该模块的导通电 阻仅 1.7mΩ、热阻 0.1℃/W,是目前业内性能最优的碳化硅功率模块之一。 与传统的硅基 IGBT 模块相比,该模块在低载的工况下,也就是我们日常 通勤场景中,导通电压、开通损耗、关断损耗上都有优势,其中关断损耗 要比传统 IGBT 模块要低 2~3 倍。同时,该模块的开关频率可以达到 50~500kHZ,开关时间可以缩短到 50 纳秒,比传统的 IGBT 模块快 5~6 倍。 基于多重优势,采用碳化硅模块的蔚来电驱动系统的电流能力提升了 30%, 功率提升 20%,综合工况效率超过 91.5%,并对续航带来了 4%~6%的提升。
采用碳化硅技术可以降低 800V 电机的谐波损耗。通常的功率流(灰色)从输 入功率,通过气隙功率,到轴上的机械输出功率。定子和后来的转子的功率损失是通过散热传递的。红色表示的是完全转化为热量而不影响机械功率的谐波输入功率。
小鹏 G9 800VSiC 平台
充电 5分钟续航 200公里。小鹏 SUV G9,首次采 用 800V 高压 SiC 平台,小鹏汽车还将铺设中国首批量产的 480kW 高压超 充桩,有望实现充电 5 分钟,续航 200 公里。
小鹏 G9 800VSiC 平台,充电 5分钟续航 200公里。小鹏 SUV G9,首次采 用 800V 高压 SiC 平台,小鹏汽车还将铺设中国首批量产的 480kW 高压超 充桩,有望实现充电 5 分钟,续航 200 公里。
多家汽车品牌采用 800V+碳化硅方案 :Model3 开创车用碳化硅先河。2018 年,特斯拉 Model3 逆变器模组上率先采用了 24 颗碳化硅 SiC MOSFET,该产品由意法半导体提供,开启了碳化硅电动汽车应用的先河,比亚迪汉电驱 2020 年也开始采用 SiC MOSFET, 2021 年开始,电动汽车应用碳化硅呈现大幅增长态势。
根据不完全统计,全球已采用或确定采用 SiC 功率器件的近 30 家汽车品牌, 预计 2022 年之后,电动汽车应用碳化硅出现爆发式增长。
车载充电模块开始大规模采用碳化硅。动力电池电压平台升级到 800V , 当前的 OBC 、 DC/DC 及 PDU 等电源产品都需要从 400V等级提升至符合 800V 电压平台的应用, SiC 器件由于其优异的特性也将开始大规模的应用。
碳化硅器件可提升 OBC 效率与功率密度,降低损耗。车载 OBC 采用碳化 硅器件,系统效率可提升 1.5% - 2.0%。器件开关频率 x2,减少被动器件体 积,提升功率密度(30% - 50%)器件数量减少,简化驱动电路设计,减少 驱动芯片使用量,有望降低系统成本。
800V 系统车型,车上需要加装大功率升压模块,广泛应用碳化硅。直流快充桩原本输出电压等级为 400V,可直接给动力电池充电, 但升级为 800V 后充电桩电压不再能够继续充电,因此需要一个额外的升压产品使 400V 电压能够上升到 800V ,进而给动力电池进行直流快充。在此技术方案下, 行业深度研究 - 17 - 敬请参阅最后一页特别声明 这个器件需要能够满足大功率充电的功率,因此其价值量相比传统 DC/DC 要更大,而电源企业也将充分受益于此升压 DC/DC 产品的配置。高电压对 功率器件提出更高要求,碳化硅将借助耐高压、耐高温、开关损耗低等优 势在功率器件领域进行广泛应用。
以 OBC 举例,从 Si 设计转到 SiC 设计,功率器件和栅极驱动的数量减少 30% 以上,开关频率提高一倍以上。降低了功率转换系统的组件尺寸、重 量和成本,同时提高运行效率。
车载电源产品主要向集成化、高功率化、双向化发展。
(1) 集成化:通过将 DC/DC、OBC、电机、电控器件等集成可以减少车载 电源的占用空间,减少电路板尺寸,降低组装成本以及 BOM 和 PCB 成本。
(2) 高功率化:随着电动车续航、带电量的提高,10kW、 20kW 以上的大 功率将成为主流,主要通过三相交流电技术。
(3) 双向化:双向 DC/DC 具有效率高、体积小、成本低的优点,同时还可 将电池电能对外输出,有效提高电能利用率。双向车载充电机可以将电池 的电能对外输出,实现车对车、车对负载、车对电网充电。 在车载电源系统中使用 SiC MOSFET能以更高的频率进行开关,功率密度 更高,能效更高,EMI 性能得到改善以及系统尺寸减小。同时,再以 22KW OBC 系统举例,再进一步细化成本结构:尽管相比单个 Si 基二极管 和功率晶体管,分立式 SiC 基功率器件的成本更高。但从系统角度来说, SiC 器件的性能可减少所需元件的数量,从而降低电路元件成本以满足支 持各种功率器件功能的要求。综合测算,SiC 系统比 Si 系统可节约近 20% 的成本。
除了结构成本节约之外,SiC 系统在 3 kW/L 的功率密度下可实现 97% 的峰 值系统效率,而 Si OBC 仅可在 2 kW/L 的功率密度下实现 95% 的效率。
充电桩向大功率方向发展,全碳化硅模块用量增加
2021 年 8 月,广汽埃安发布了 A480 超级充电桩,电压可达 880V,最高充 电功率为 480kW。2021 上海车展上,起亚 EV6 全系车型支持 400V 和 800V充电,现代 IONIQ 5 最新 800V高电压平台支持高达 350kW 的超大功 率充电,吉利浩瀚架构下首款车型采用 800V 高压系统,东风旗下岚图汽 车宣布研发基于超高压平台的超级快充技术。随着超充、快充需求的增加, 全碳化硅模块开始在充电桩上大量采用,根据产业链调研,800V 架构的高 性能充电桩大部分采用全碳化硅模块。