电动汽车快充设计的几个关键问题

对于现阶段的电动汽车来说,增加续航里程、做长里程的电动汽车是主要的发展路径。当电池成本降下来、里程加上去以后(达到500-600公里),电动汽车的主要矛盾就从里程焦虑过渡到了补电焦虑。提高电动汽车的充电功率主要包含几个核心要素,而我们能走的路径只有两条:

1) 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。

2) 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为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。按照目前的成本来看,这些按照800V规格要求开发的模块,价格都比较高,以主逆变器为例,核心的SiC模块比原来的IGBT模块,成本大概是目前的4倍左右。


▲图1 提高快充功率的两个办法

接下来我们仔细看一下这两种路线上能达到的路径中需要考虑的一些问题。由于几种方法对于电芯的要求是一样的,所以我们在这里把电芯的问题单独罗列在最后,把主要的目光放在电气连接和热管理上面。

第一条路径:在现有400V系统上进行升级

对于大部分车企来说,短时间内保持现有的总线不变是比较现实的路径。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,这个难题将会影响到: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。

在这个设计里面,有一个比较重要的问题,是从原先面向10s往20分钟这样偏持续和静态的电流来设计。在早期的设计中,由于电流是变动的,虽然整个驱动的需求功率峰值点比较高,持续的时间只会持续10s然后下降下来,总体的电流可以采用rms均方根的设计来做。而面向直流快充的设计,功率耗散的过程是在导线线缆和接触电阻上发热,并且随着运行期间温度的升高而变化。


▲图2 特斯拉的快充充电路径(600A)

备注:在某些全生命周期,某些阻抗高或者散热有限的区域,就可能成为热管理的瓶颈,在热量不能充分消散的情况下,加热过程不会受到外部影响。根据现有的主流设计,目前在测试的主要是围绕300A以下的设计为主。    


▲图3 导体连接的发热

我们实际在设计考虑中,整个温度连接点是需要控制在100度以下的,主要原因是超过一个温度,会使得导体防腐蚀的镀层不稳定。类似下面充电线缆和连接器由于接触电阻和压接电阻引起温升的问题,会在我们上述电池内部也出现。如果出现在电池连接处,会对电池产生很大的影响。

第一条路径一个变种:在这条路径下,我们也可以把电池分切为两个400V*2的可配置系统。

● 短期内:配置包括400V的高压母线,400V/12V的DC/DC、400V的变频器,400V的空调压缩机、400V的车载充电机。

▲图4 奔驰EQC的400V 两个大的模块的并联连接

● 长期的做法:是把这两个模块进行串联处理,形成800V系统。我个人判断,由于基于VDA的模组也能实现从4P3S到2P6S的转换,如果我们基于VDA的355/390模组来构建整个电池系统,做法主要是改变模组配置和电池系统里面的电气连接。而做两个模组的并联连接,是以目前较高成本和较高能耗为代价的,这个问题需要我们在设计中予以折中和平衡。

有一种做法,是根据外部快充的条件对两块电池进行组合,形成对电压的进行配置,分为A、B两个电池模块电压均为400V,在放电和交流充电的条件下,两者并联,高压直流母线为400VDC;在大功率充电的情况下则A、B两个电池模块串联,系统电压800VDC,只连通充电的部分。在快充条件下,高压电气系统为800VDC,其它条件下的电动力总成系统为400VDC,基本保持了原有的架构。还有一种做法,是保持电池的并联,类似于奔驰的EQC一样,伺机而动。


▲图5 可配置的双模块系统

第二条路径:800V电池高压系统

电池系统采用800V高压,电动力总成系统,包括电驱动、电力电子、充电系统等也都采用800V的系统。目前来看这个架构实际上只能在有限的车上进行,目前主要的整车企业都在评估当前的进展。我个人觉得主要的原因还是目前SiC器件的成本太高,使得逆变器、DCDC、车载充电机、PTC和电压缩机所有的高压电气的成本都抬高了。

▲图6 800V高压动力总成系统

大部分的企业都在评估主逆变器上进行转换的时间表,这个其实是根据SiC材料端的扩产,进一步在半导体技术成本下降的路径上慢慢演化的。目前只有特斯拉使用的基于400V的SiC器件成本在价格相对能承受的范围内,其他也只有保时捷这样定价很高的纯电动跑车才有能力消化这个成本。


▲图7 SiC在车用的前景是非常好的

小结:

开发快充系统的窗口期,大概只有2年左右,需要等待国内的快充网络起来,下一个阶段续航里程在500-600公里比较稳定以后,在技术上比较的是快充功率,实际上比较的是使用的用户体验。


作者介绍:

朱玉龙,资深电动汽车三电系统和汽车电子工程师,目前从事新能源汽车电子化工作,10年以上的新能源汽车专业从业经验,在电池系统、充电系统和电子电气架构方面有较深的认识和实践,著有《汽车电子硬件设计》,开设《汽车电子设计》公众号。


*本文由盖世汽车大V说专栏作者撰写,他们为本文的真实性和中立性负责,观点仅代表个人,不代表盖世汽车。本文版权归原创作者和盖世汽车所有,禁止转载,违规转载法律必究。

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