在新能源汽车的发展历史中,电池技术始终是制约其发展的主要的因素之一。未解决这个问题,许多汽车制造商开始着手研发纯电动汽车800V平台技术。这项技术的出现,标志着新能源汽车行业正在经历从量变到质变的转折点。
因动力源差异,燃油车和电动车的电压平台差异大。燃油车动力源来自内燃机,车用电器对输出功率要求不高,低电压平台即可满足。
而纯电车型动力源是电机和电池,需要较大的输入/输出功率,车内电压平台通常高于燃油车,纯电乘用车电压通常在200-400V之间。
400V高压系统通常包括:电池、电机、电控、充电机(OBC)、高低压转换器(DC/DC)、高压控制盒(PDU)、连接器及线束、电机/电池热管理相关零部件。从核心部件功能上看:
800V平台技术意味着电池组的电流和电压都能达到更高的水平,从而为车辆提供更强的动力和更高的续航能力。相较于传统的400V平台,800V平台在充电速度、能效和性能方面都具有非常明显的优势。这种系统通常被用于高性能电动车型,如特斯拉Model S Plaid和Lucid Air。
高压线束规格下降,用量减少,降本减重,在电压翻倍、充电功率增幅不翻倍的情形下,串联增加,高压线束电流变小。
SiC逆变器使得电源频率增加,电机转速增加,相同功率下转矩减小,体积减小。电机电压翻倍,相同功率下电流减半,因此铜线细(但匝数增加,因此用铜量未减小),电流密度小,转矩变小。若需提升功率,额定电流仅需从400V电机额定电流的一半开始增加。
其次,这种技术的应用有助于缩短充电时间。利用更高效的充电系统和更先进的电池管理技术,纯电动汽车800V平台可以在极短的时间内快速充电,从而大幅度的提升了用户的使用体验。此外,800V平台技术还有助于减小电池组的体积和重量。这在某种程度上预示着在相同的续航能力下,车辆能拥有更轻的重量,来提升其能效和性能。
新能源汽车普及过程中,续航和充电速度是两大短板。相较于燃油车,大部分新能源汽车续航能力低于600公里,普遍低于燃油车的续航能力,较难满足城际间长里程行驶需求。
另一方面,现有的充电技术需要消费者等待40分钟甚至更久才可充满,而燃油车的加油过程仅需要5分钟,对比之下补能效率更低。续航里程和充电速度是两大短板,制约新能源汽车对燃油车的替代。车企的解决方案包括:提升带电量、提高补能效率。
然而,800V平台技术的实现并非一蹴而就。800V高压系统也存在一些缺点,包括:
1. 更高的成本:高电压系统常常要更昂贵的组件和更复杂的电路设计,因此导致更高的成本。
2. 更高的风险:高电压系统存在更高的安全风险,因为过高的电压可能会引起电击和火灾等危险。
3. 更高的重量:由于使用了更粗的电缆和更大的电机,800V高压系统通常比400V系统更重。为了达到这个目标,要解决一系列技术难题,包括电池材料的选用、电池组的散热和绝缘等问题。此外,800V平台还需要配套的充电设施和电网设施,这也需要相应的投资和建设。
车企应用800V平台架构,需要对其核心三电技术和功率器件的耐压、损耗、抗热的要求更高:
轴电压的产生:电机控制器供电为变频电源,含有高次谐波分量,逆变器、定子绕组、机壳形成回路,产生感应电压,称为共模电压,在此回路上产生高频电流。由于电磁感应原理,电机轴两端形成感应电压,成为轴电压,一般来说无法避免。
转子、电机轴、轴承形成闭合回路,轴承滚珠与滚道内表面为点接触,若轴电压过高,容易击穿油膜后形成回路,轴电流出现导致轴承腐蚀。
800V的逆变器应用SiC,导致电压变化频率高,轴电流增大,轴承防腐蚀要求增加。
同时,由于电压/开关频率增加,800V电机内部的绝缘/EMC防护等级要求提升。
以Si-IGBT为例,450V下其耐压为650V,若汽车电气架构升级至800V,考虑开关电压开关过载等因素,对应功率半导体耐压等级需达1200V,而高电压下Si-IGBT的开关/导通损耗急剧升高,面临成本上升而能效下降的问题。
除此以外,SiC功率器件还在车载充电器、充电桩等有所应用,具有实现高功率密度与优化系统总成本的优点,其技术能有效地提升800V电驱动系统电机和电控的整体效率,满足应用的兼容性和可靠性要求。
动力电池快充性能的掣肘在于负极,一方面石墨材料的层状结构,导致锂离子只能从端面进入,导致离子传输路径长;另一方面石墨电极电位低,高倍率快充下石墨电极极化大,电位容易降到0V以下而析锂。所以,对电池负极快充性能要求提升势在必行。
综上所述,纯电动汽车800V平台技术的研发和应用,对于推动新能源汽车行业的发展具有重大的意义。虽然电压平台的升高,意味着电动车诸多零部件的重新开发设计,以及高压充电网络从无到有的布局建设,让我们距离产品的普及还有非常长一段距离要走。
但就像快充技术改变了大家使用智能手机的习惯,电动车高电压平台技术的落地也会对电动车产品的技术走向和使用体验产生巨大的影响。
当基于电压平台升高的量变,使电动车的便利性达到了媲美燃油车的质变,随技术的慢慢的提升和普及,我们有理由相信,未来的新能源汽车将会更高效、环保和可持续。