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高低壓電氣架構(gòu)的發(fā)展?fàn)顟B(tài)和演變趨勢(shì)

2021-11-29 09:41:08·  來(lái)源：驅(qū)動(dòng)視界  
　
摘要：縱觀汽車(chē)電源電壓的發(fā)展歷程，伴隨著電動(dòng)化的發(fā)展，電動(dòng)汽車(chē)是全球汽車(chē)業(yè)界未來(lái)發(fā)展的主題，電動(dòng)車(chē)消費(fèi)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(chē)電源電壓的發(fā)展歷程，伴隨著電動(dòng)化的發(fā)展，電動(dòng)汽車(chē)是全球汽車(chē)業(yè)界未來(lái)發(fā)展的主題，電動(dòng)車(chē)消費(fèi)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(dòng)車(chē)高壓化打下了堅(jiān)實(shí)的發(fā)展基礎(chǔ)。
隨著保時(shí)捷Taycan的量產(chǎn)，800V高壓系統(tǒng)開(kāi)始正式走上了歷史舞臺(tái)，這將加速電動(dòng)汽車(chē)高壓化的競(jìng)爭(zhēng)和各零部件高壓技術(shù)的發(fā)展，高壓化是未來(lái)必然趨勢(shì)。
1. 汽車(chē)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(chē)面世，最初的汽車(chē)是沒(méi)有電池的，到1918年汽車(chē)開(kāi)始引入蓄電池，中間經(jīng)過(guò)了近30年，隨著起動(dòng)機(jī)的廣泛應(yīng)用，蓄電池很快就普及開(kāi)了，那時(shí)使用6V的系統(tǒng)，很快大概在1950年左右，汽車(chē)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?yàn)?2V的系統(tǒng)不夠用了。
如果車(chē)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(dòng)力技術(shù)后，越來(lái)越多大功率部件就對(duì)提高電壓提出了緊迫需求。
1.3 高壓化是未來(lái)趨勢(shì)
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(chē)載用電器的功率越來(lái)越大，如果不提高電壓，就只有增大電流了，但增大電流會(huì)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(lái)電動(dòng)汽車(chē)兩大問(wèn)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(wèn)題。
高電壓技術(shù)不是單純的抬高電壓，它同時(shí)對(duì)整個(gè)車(chē)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(jì)。
回顧歷史，現(xiàn)在處于汽車(chē)電壓系統(tǒng)發(fā)展的一個(gè)節(jié)點(diǎn)了。
電動(dòng)汽車(chē)是全球汽車(chē)業(yè)界未來(lái)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(gè)重要因素，歐盟強(qiáng)制2020年乘用車(chē)燃料消耗量大概要達(dá)到4.1L/100km左右，日本4.9L/100km，中國(guó)5.0L/100km，以目前全世界所有發(fā)售的內(nèi)燃動(dòng)力汽車(chē)的數(shù)據(jù)來(lái)說(shuō)，幾乎都無(wú)法達(dá)標(biāo)，所有汽車(chē)至少都要48V系統(tǒng)或油電混合或純電動(dòng)動(dòng)力才行，高電壓是必然趨勢(shì)。
2. 電壓等級(jí)劃分依據(jù)
無(wú)論是國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)還是國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)整車(chē)車(chē)輛電壓還是零部件和系統(tǒng)級(jí)別的電壓，都是統(tǒng)籌兼顧，并沒(méi)有明顯的劃分界限，目前對(duì)大電流、高電壓和高功率相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)有待完善。
2017年3月，國(guó)際電工委員會(huì)TC69MT5-6工作組在荷蘭代爾夫特召開(kāi)了電動(dòng)汽車(chē)大功率充電國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)第一次會(huì)議，該工作組的目標(biāo)就是為了實(shí)現(xiàn)大功率充電，對(duì)現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)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(biāo)準(zhǔn)將電動(dòng)道路車(chē)輛電壓等級(jí)劃分為A級(jí)電壓和B 級(jí)電壓，對(duì)A級(jí)電壓只需基本的功能防護(hù)，對(duì)B 級(jí)電壓的保護(hù)包括基本防護(hù)和故障防護(hù)。
電壓等級(jí)劃分明確了不同的車(chē)輛電路系統(tǒng)可滿足不同的安全要求，降低了對(duì)A 級(jí)低壓電路系統(tǒng)不必要的保護(hù)成本，對(duì)汽車(chē)工業(yè)的發(fā)展起到了積極作用。




2.2 GB/T 31466-2015電動(dòng)汽車(chē)高壓系統(tǒng)電壓技術(shù)規(guī)范
該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了電動(dòng)汽車(chē)高壓系統(tǒng)，包括動(dòng)力電池和/或高壓配電、電機(jī)及其控制器系統(tǒng)、電動(dòng)壓縮機(jī)總成、DC/DC變換器、車(chē)載充電機(jī)和PTC加熱器等的直流電壓等級(jí)，適用于純電動(dòng)汽車(chē)和混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)。
根據(jù)該標(biāo)準(zhǔn)，直流等級(jí)有6個(gè)優(yōu)選等級(jí)，分別如下：

2.3 GB/T 18488.1-2015 電動(dòng)汽車(chē)用驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)
該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)的工作制、電壓等級(jí)、型號(hào)命名、要求、檢驗(yàn)規(guī)則以及標(biāo)志與標(biāo)識(shí)等，適用于電動(dòng)車(chē)用驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制器。
根據(jù)該標(biāo)準(zhǔn)，直流等級(jí)有23個(gè)，優(yōu)選等級(jí)有6個(gè)：
驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)直流母線額定電壓取以下等級(jí)：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(biāo)有“*”的為優(yōu)選等級(jí)。
2.4 GB/T18487.1-2015電動(dòng)車(chē)輛傳導(dǎo)充電系統(tǒng)一般要求
該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了電動(dòng)汽車(chē)傳導(dǎo)充電系統(tǒng)分類(lèi)、通用要求、通信、電擊防護(hù)、電動(dòng)汽車(chē)和供電設(shè)備之間的連接、車(chē)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(guò)載保護(hù)和短路保護(hù)等。
適用于為電動(dòng)汽車(chē)非車(chē)載傳導(dǎo)充電的電動(dòng)汽車(chē)供電設(shè)備，包括交流充電樁、非車(chē)載充電機(jī)、電動(dòng)汽車(chē)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(dòng)汽車(chē)供電設(shè)備按照輸出電壓分類(lèi)：
---交流：?jiǎn)蜗?20V，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(chē)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(dòng)汽車(chē)DC/DC變換器
該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了電動(dòng)汽車(chē)DC/DC變換器的要求、試驗(yàn)方法等，適用于動(dòng)力電源系統(tǒng)用DC/DC變換器。
根據(jù)該標(biāo)準(zhǔn)，DC/DC輸入/輸出電壓等級(jí)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(dòng)車(chē)高壓化的主要影響因素
通常情況下，電動(dòng)汽車(chē)乘用車(chē)的系統(tǒng)電壓為200-400V左右，商用車(chē)為500-800V左右。
如果想要延長(zhǎng)汽車(chē)?yán)m(xù)航距離的話，必須要將幾塊電池并聯(lián)起來(lái)，以此來(lái)增加電池容量，但造成的弊端就是，充電時(shí)間也會(huì)隨之增加，如果將EV汽車(chē)的系統(tǒng)電壓增加至800V的話，便可以在短時(shí)間內(nèi)為大容量的電池充滿電。


3.1 電動(dòng)車(chē)高端化，大電量是高壓化和大功率充電的主要推動(dòng)力
電動(dòng)車(chē)市場(chǎng)消費(fèi)從中低端向高端市場(chǎng)變化趨勢(shì)明顯，新補(bǔ)貼政策將促進(jìn)新能源乘用車(chē)在微觀的消費(fèi)由政策導(dǎo)向轉(zhuǎn)向市場(chǎng)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(dòng)車(chē)的電量增加和續(xù)航里程提升是必然趨勢(shì)。
車(chē)主對(duì)使用環(huán)節(jié)中的里程、充電焦慮抱怨多，消費(fèi)者對(duì)快速充電的需求度高，現(xiàn)行的快充技術(shù)由于實(shí)際充電效率低，消費(fèi)者不買(mǎi)賬，未來(lái)搭載800V以上的大功率快充技術(shù)的車(chē)型將成為新方向。


3.2 電池技術(shù)的發(fā)展是電動(dòng)車(chē)長(zhǎng)續(xù)航和快充需求的基礎(chǔ)
根據(jù)《節(jié)能與新能源汽車(chē)技術(shù)路線圖》，2020 年動(dòng)力電池單體能量密度將達(dá)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(shì)明顯，當(dāng)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(dá)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(dòng)車(chē)高壓化的關(guān)鍵
新能源汽車(chē)中用到功率器件的部件非常廣泛，電機(jī)控制器、DC-DC變換器、充電/逆變、電空調(diào)驅(qū)動(dòng)等高壓部件一般使用的是IGBT功率模塊，隨著電氣化、自動(dòng)化的發(fā)展，新能源汽車(chē)對(duì)功率器件的性能和可靠性提出了更為嚴(yán)苛的要求：更高的工作電壓、更快的開(kāi)關(guān)頻率、更大的電流承載能力、更高的耐溫性能、更強(qiáng)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(shí)它的同功率尺寸要比硅更小，并且有更快的開(kāi)關(guān)速度。更快的開(kāi)關(guān)速度就意味著更小的開(kāi)關(guān)損耗。
因此它特別適合高開(kāi)關(guān)速度或大功率的場(chǎng)合。
800V電池系統(tǒng)中，碳化硅SiC功率電子的優(yōu)勢(shì)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(kāi)發(fā)、量產(chǎn)SiC電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的計(jì)劃，例如國(guó)外的博世、德?tīng)柛?、采埃孚，?guó)內(nèi)的比亞迪。
博世、采埃孚、德?tīng)柛：捅葋喌纤募业奶蓟杌酒膽?yīng)用重點(diǎn)均集中于電控模塊，批量應(yīng)用時(shí)間點(diǎn)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(chē)，比如保時(shí)捷Taycan，奔馳Project One，奧迪 AICON，保時(shí)捷 919 Hybrid，柯尼塞格Regera等，在可預(yù)見(jiàn)的將來(lái)，高電壓技術(shù)將從高端車(chē)型下沉應(yīng)用到普通車(chē)型。
4.1 豐田普銳斯
日本豐田汽車(chē)于1997年所推出世界上第一個(gè)大規(guī)模生產(chǎn)的混合動(dòng)力車(chē)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(gè)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(dòng)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(shí)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(chē)型
比亞迪電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力電池電壓多為650多伏,充電電壓達(dá)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(gè)目前還很少有人達(dá)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(dòng)力電池由13個(gè)電池模組串聯(lián)而成，每個(gè)模組內(nèi)部有單體電池，每個(gè)單體電池的標(biāo)稱(chēng)電壓是3.2 V，容量為75 Ah，電池總電壓同樣達(dá)到633.6 V。
4.3 柯尼塞格跑車(chē)Regera
2016年柯尼塞格在發(fā)布了一款全新跑車(chē)Regera，新車(chē)使用了混動(dòng)系統(tǒng)，搭載5.0T V8發(fā)動(dòng)機(jī)，三臺(tái)電動(dòng)機(jī)，百公里加速用時(shí)僅為2.8秒。
柯尼塞格發(fā)明的世界首個(gè)800伏混動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，最大輸出功率1119千瓦，峰值扭矩1998牛米。
4.4 Fisker電動(dòng)跑車(chē)EMotion
2016年，F(xiàn)isker旗下電動(dòng)跑車(chē)EMotion車(chē)型就公布了他們將會(huì)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(dòng)力上或?qū)⒋钶d一套145千瓦時(shí)的電池組。
4.5 高功率充電網(wǎng)絡(luò)
2017年年 7 月，保時(shí)捷在德國(guó)柏林建成了第一個(gè) 350kW 快充，同年 9 月在美國(guó)建成了第一個(gè)。
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(chē)出現(xiàn)后，才會(huì)功率全開(kāi)。
在 350kW 快充領(lǐng)域，也發(fā)生了一個(gè)有趣的變化：車(chē)企開(kāi)始抱團(tuán)合建充電網(wǎng)絡(luò)，寶馬、保時(shí)捷、奔馳和福特已經(jīng)達(dá)成合作，計(jì)劃在歐洲建設(shè) 350kW 充電網(wǎng)絡(luò)，這些車(chē)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(biāo)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(jí)超跑，“Project One”正式定名為“AMG One”，量產(chǎn)車(chē)型全球限量275臺(tái)，售價(jià)高達(dá)227.5萬(wàn)歐元且已全部售罄，AMG One搭載1.6升渦輪增壓V6混動(dòng)引擎，配有8擋AMT變速箱，最大功率輸出將超過(guò)740千瓦，AMG One從靜止加速到200公里/小時(shí)時(shí)速耗時(shí)不足6秒，最高時(shí)速將超350公里/小時(shí)。
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(jī)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(dòng)力需要時(shí)加強(qiáng)的額外功率。
4.7 保時(shí)捷919 Hybrid
2018年6月，保時(shí)捷919 Hybrid Evo打破紐北圈速紀(jì)錄，跑出了1分41秒77，比2017最快的F1賽車(chē)還要快將近1秒，保時(shí)捷919 Hybrid賽車(chē)成功的秘訣就在這款超小尺寸的V型四缸2.0T V4發(fā)動(dòng)機(jī)加上獨(dú)特的混合動(dòng)力系統(tǒng)。
超緊湊型2.0L排量渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)，功率達(dá)到了近500馬力。還有一項(xiàng)保時(shí)捷919 Hybrid車(chē)型所使用的獨(dú)特技術(shù)，那就是該車(chē)型率先使用的800V高壓鋰電池。
憑借這套800V高性能動(dòng)力總成，保時(shí)捷919 Hybrid獲得了當(dāng)年的勒芒24小時(shí)耐力賽的冠軍。
4.8 保時(shí)捷純電動(dòng)超跑Taycan
2019年9月，保時(shí)捷首輛純電動(dòng)超跑Taycan全球首發(fā)，搭載源自919 Hybrid賽車(chē)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(dòng)車(chē)，兩臺(tái)電動(dòng)機(jī)，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(shí)現(xiàn)0-3.3秒內(nèi)100公里/小時(shí)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(xué)，Taycan的96kWh采用了34個(gè)模組，一共408個(gè)電芯。
通過(guò)一個(gè)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(shí)現(xiàn)車(chē)輛在常規(guī)充電站上也能進(jìn)行補(bǔ)電，可在15分鐘內(nèi)完成80%的充電量。
保時(shí)捷研發(fā)了自己的電動(dòng)機(jī)、變流器和車(chē)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(shí)捷使用了能承受800V或者1000V的電源開(kāi)關(guān)。
4.9 美國(guó)電動(dòng)車(chē)RIVIAN
2019年12月，美國(guó)電動(dòng)車(chē)企業(yè)RIVIAN宣布，旗下電動(dòng)皮卡R1T和SUV車(chē)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(chē)配備的是400V充電電壓標(biāo)準(zhǔn)的部件，但在設(shè)計(jì)之初RIVIAN已經(jīng)為未來(lái)的升級(jí)做好了準(zhǔn)備。
目前，RIVIAN正在研發(fā)具備雙電壓，峰值電壓900V，標(biāo)準(zhǔn)電壓800V的電池組，這兩款車(chē)型都具備可升級(jí)至匹配800V充電電壓的架構(gòu)。
5. 小結(jié)
縱觀汽車(chē)電源電壓的發(fā)展歷程，伴隨著電動(dòng)化的發(fā)展，電動(dòng)汽車(chē)是全球汽車(chē)業(yè)界未來(lái)發(fā)展的主題，電動(dòng)車(chē)消費(fèi)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(dòng)車(chē)高壓化打下了堅(jiān)實(shí)的發(fā)展基礎(chǔ)。
隨著保時(shí)捷Taycan的量產(chǎn)，800V高壓系統(tǒng)開(kāi)始正式走上了歷史舞臺(tái)，這將加速電動(dòng)汽車(chē)高壓化的競(jìng)爭(zhēng)和各零部件高壓技術(shù)的發(fā)展，高壓化是未來(lái)必然趨勢(shì)。
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