Когда дело доходит до 800 В, нынешние автомобильные компании в основном продвигают платформу быстрой зарядки 800 В., а потребители подсознательно думают, что 800 В — это система быстрой зарядки.
На самом деле это понимание несколько неправильно понимается.Если быть точным, высоковольтная быстрая зарядка 800 В — это лишь одна из особенностей системы 800 В.
В этой статье я намерен систематически демонстрировать читателям относительно полную систему на 800 В в пяти измерениях, включая:
1. Что представляет собой система 800 В на новом энергетическом автомобиле?
2. Почему в данный момент введено напряжение 800В?
3. Какие интуитивные преимущества может принести в настоящее время система 800 В?
4. Каковы трудности в нынешнем применении системы 800 В?
5. Какова возможная схема зарядки в будущем?
01.Что представляет собой система 800 В на новом энергетическом автомобиле?
Высоковольтная система включает в себя все высоковольтные компоненты на высоковольтной платформе.На следующем рисунке показаны высоковольтные компоненты типичногочистый электромобиль на новой энергииоснащен платформой напряжения 400 В с водяным охлаждениемАккумуляторная батарея.
Платформа напряжения высоковольтной системы определяется выходным напряжением аккумуляторной батареи автомобиля.
Конкретный диапазон напряжений различных чисто электрических моделей зависит от количества ячеек, соединенных последовательно в каждом аккумуляторном блоке, и типа ячеек (тройные, литий-железо-фосфатные и т. д.)..
Среди них количество последовательно соединенных тройных аккумуляторных блоков по 100 ячеек составляет около 400 В высокого напряжения.
Мы часто говорим, что платформа напряжения 400 В — это широкий термин.В качестве примера возьмем платформу 400В Jikrypton 001.Когда заряд троичного аккумуляторного блока, находящегося в его распоряжении, изменяется со 100 % SOC до 0 % SOC., его ширина изменения напряжения близка к100 В (около 350–450 В).).
3D-чертеж аккумуляторной батареи высокого напряжения
В рамках нынешней высоковольтной платформы 400 В все части и компоненты высоковольтной системы работают при уровне напряжения 400 В, а проектирование, разработка и проверка параметров выполняются в соответствии с уровнем напряжения 400 В.
Для создания полноценной высоковольтной платформенной системы 800 В, прежде всего, с точки зрения напряжения аккумуляторной батареи, необходимо использовать аккумуляторную батарею на 800 В, что соответствует примерно 200 В.тройной литийэлементы аккумуляторной батареи последовательно.
Далее следуют двигатели, кондиционеры, зарядные устройства, поддержка постоянного тока 800 В и соответствующие жгуты проводов, высоковольтные разъемы и другие детали всех высоковольтных цепей спроектированы, разработаны и проверены в соответствии с требованиями 800 В.
При разработке архитектуры платформы 800 В, чтобы быть совместимыми с имеющимися на рынке устройствами быстрой зарядки 500 В/750 В, чистые электромобили с напряжением 800 В будут оснащены повышающими модулями постоянного тока от 400 В до 800 В.надолго.
Его функция заключается в том, чтобысвоевременно решить, следует ли активировать модуль повышения напряжения для зарядки аккумуляторной батареи напряжением 800 В в соответствии с фактическим напряжением аккумулятора.зарядка куча .
По сочетанию стоимостных показателей различают примерно два типа:
Одним из них является полная архитектура платформы 800 В..
Все части автомобиля в этой архитектуре рассчитаны на напряжение 800В.
Полная архитектура системы высокого напряжения 800 В
Вторая категория — это экономически эффективная часть архитектуры платформы 800 В..
Сохраните некоторые компоненты на 400 В.: Поскольку стоимость нынешних устройств переключения питания на 800 В в несколько раз превышает стоимость 400-В IGBT, чтобы сбалансировать стоимость всего автомобиля и эффективность привода, OEM-производители заинтересованы в использовании компонентов на 800 В.(например, двигатели)наСохраните некоторые детали на 400 В.(например, электрический кондиционер, DCDC).
Мультиплексирование силовых устройств двигателя: Поскольку во время процесса зарядки нет необходимости двигаться, экономичные OEM-производители будут повторно использовать силовые устройства в контроллере двигателя задней оси для повышения напряжения постоянного тока 400–800 В.
Архитектура платформы энергетической системы 800 В
02.Почему в транспортных средствах на новой энергии сейчас внедряются системы на 800 В?
При ежедневном вождении современных электромобилей около 80% электроэнергии потребляется приводным двигателем.
Инвертор или контроллер двигателя управляет электродвигателем и является одним из наиболее важных компонентов автомобиля.
Система электропривода «три в одном»
В эпоху Si IGBT повышение эффективности высоковольтной платформы 800 В невелико, а мощность приложения недостаточна.
Потери эффективности системы приводного двигателя в основном состоят из потерь в корпусе двигателя и потерь инвертора:
Первая часть потерь – потеря моторного корпуса:
- Потери меди – потери тепла наобмотка статора двигателя(медный провод);
- Потери в железе В системах, где двигатель использует магнитную силу, потери тепла(Джоулево тепло)вызванные вихревыми токами, возникающими в утюге(или алюминий)части двигателя из-за изменения магнитной силы;
- Случайные потери относятся к потерям, вызванным неравномерным потоком заряда;
- потери ветра.
Определенный тип двигателя с плоским проводом на 400 В, как показано ниже, имеет максимальный КПД 97%, а корпус двигателя Extreme Krypton 001 Wei Rui на 400 В имеет максимальный КПД 98%..
В каскаде 400 В, который достиг наивысшего КПД 97-98%, простое использование платформы 800 В имеет ограниченное пространство для снижения потерь самого двигателя.
Потери части 2: Потери инвертора двигателя:
- потеря проводимости;
- коммутационные потери.
Ниже приводитсяХондаКарта эффективности преобразователя двигателя на платформе IGBT 400 В[1].Более 95%высокоэффективные области близки к 50%.
Из сравнения текущего состояния потерь двух частей:
При грубом сравнении потери моторного тела (>2%)и потери инвертора двигателя(>4%), потери инвертора относительно велики.
Таким образом, запас хода автомобиля больше связан с эффективностью главного инвертора приводного двигателя.
До появления силового полупроводникового SiC MOSFET третьего поколения силовые компоненты транспортных средств на новой энергии, такие как приводной двигатель, используют Si IGBT в качестве переключающего устройства инвертора, а уровень поддерживающего напряжения в основном составляет около 650 В.Электрические сети, электровозы и другие непотребительские случаи.
С точки зрения технико-экономического обоснования, новый энергетический пассажирский автомобиль теоретически может использовать IGBT с выдерживаемым напряжением 1200 В в качестве силового переключателя контроллера двигателя на 800 В, а система на 800 В будет разработана в эпоху IGBT.
С точки зрения экономической эффективности платформа напряжения 800 В имеет ограниченное улучшение эффективности корпуса двигателя.Постоянное использование IGBT на 1200 В не повышает эффективность инвертора двигателя, на который приходится большая часть потерь.Вместо этого это влечет за собой ряд затрат на разработку.Большинство автомобильных компаний в эпоху IGBT не применяют электроэнергию.Платформа 800В.
В эпоху SiC MOSFET характеристики систем на 800 В начали улучшаться благодаря появлению ключевых компонентов.
После появления силовых устройств из полупроводникового материала карбида кремния третьего поколения он получил широкое внимание благодаря своим превосходным характеристикам [2].Он сочетает в себе преимущества высокочастотных Si MOSFET и высоковольтных Si IGBT:
- Высокая рабочая частота – до уровня МГц, более высокая свобода модуляции
- Хорошая устойчивость к напряжению – до 3000 кВ, широкие возможности применения.
- Хорошая термостойкость – может стабильно работать при высокой температуре 200 ℃.
- Малый встроенный размер – более высокая рабочая температура уменьшает размер и вес радиатора
- Высокая эксплуатационная эффективность. Использование силовых устройств SiC повышает эффективность силовых компонентов, таких как инверторы двигателей, за счет снижения потерь.ВозьмитеУмныйДжинн в качестве примера ниже.Платформа с тем же напряжением и практически одинаковое сопротивление дороге.(практически нет разницы в весе/форме/ширине покрышек),все они моторы Virui.По сравнению с инверторами IGBT общий КПД инверторов SiC повышен примерно на 3%.Примечание. Фактическое повышение эффективности инвертора также связано с возможностями проектирования аппаратного обеспечения и разработки программного обеспечения каждой компании.
Ранние продукты SiC были ограничены процессом выращивания пластин SiC и возможностями обработки чипов, а пропускная способность одного кристалла SiC MOSFET была намного ниже, чем у Si IGBT.
В 2016 году исследовательская группа в Японии объявила об успешной разработке инвертора высокой плотности мощности с использованием устройств SiC, а затем опубликовала результаты в журнале (Electrical and Electronic Engineering Transactions of the Institute of Electrical Engineers of Japan).IEEJ[3].В то время максимальная мощность инвертора составляла 35 кВт.
В 2021 году, с развитием технологий с каждым годом, пропускная способность по току серийно выпускаемых SiC MOSFET с выдерживаемым напряжением 1200 В улучшилась, и появились продукты, способные адаптироваться к мощности более 200 кВт.
На данном этапе эту технологию начали применять в реальных транспортных средствах.
С одной стороны, характеристики силовых электронных силовых устройств стремятся к идеалу.Силовые устройства SiC имеют более высокий КПД, чем IGBT, и могут соответствовать выдерживаемым напряжениям.(1200 В)платформа 800Ви за последние годы достигли мощности более 200 кВт;
С другой стороны, можно увидеть выигрыш от высоковольтной платформы 800 В.Удвоение напряжения повышает верхний предел зарядной мощности всего автомобиля, потери в меди в системе становятся ниже, а плотность мощности инвертора двигателя выше.(характерно, что крутящий момент и мощность двигателя того же размера выше);
В-третьих, усиление инволюции на новом энергетическом рынке.Стремясь к увеличению дальности плавания и более быстрому пополнению энергии со стороны потребителя, предприятие стремится изменить ситуацию в трансмиссии на новом энергетическом рынке;
Вышеупомянутые факторы, наконец, привели к крупномасштабному исследованию и применению новых энергетических платформ высокого напряжения 800 В за последние два года.В настоящее время перечислены модели платформы 800 В: Xiaopeng G9,ПоршеТайкани так далее.
Кроме того, SAIC, Криптон,Лотос, Идеал,Тяньцзи Автомобильныйи другие автомобильные компании также имеют соответствующие модели на 800 В, готовые к выпуску на рынок.
03.Какие интуитивные преимущества может принести в настоящее время система 800 В?
Система на 800 В теоретически может иметь множество преимуществ.Я думаю, что наиболее очевидными преимуществами для нынешних потребителей являются следующие два.
Во-первых, срок службы батареи дольше и надежнее., что является наиболее интуитивно понятным преимуществом.
При уровне энергопотребления 100 километров в условиях эксплуатации CLTC преимущества системы 800 В(на рисунке ниже показано сравнение Xiaopeng G9 иBMWiX3, G9 тяжелее, корпус шире, ашинышире, что является неблагоприятным фактором для энергопотребления), по самым скромным оценкам Рост составит 5%.
Говорят, что на высоких скоростях улучшение энергопотребления системы 800 В более заметно.
Во время презентации Xiaopeng G9 производители намеренно посоветовали средствам массовой информации провести высокоскоростные тесты автономной работы.Многие средства массовой информации сообщили, что Xiaopeng G9 с напряжением 800 В обеспечивает высокий срок службы батареи на высоких скоростях (срок службы батареи на высокой скорости/срок службы батареи CLTC*100%)..
Фактический эффект энергосбережения требует дальнейшего подтверждения на последующем рынке.
Во-вторых, в полной мере использовать возможности существующих зарядных штабелей..
Модели платформы 400 В при зарядных блоках мощностью 120 кВт и 180 кВт скорость зарядки практически одинакова.(Данные испытаний получены от Chedi)Модуль повышения постоянного тока, используемый в модели платформы 800 В, может напрямую заряжать существующую низковольтную зарядную установку.(200 кВт/750 В/250 А)это не ограничивается мощностью сети до полной мощности 750 В/250 А.
Примечание. По инженерным соображениям фактическое полное напряжение Xpeng G9 ниже 800 В.
Если взять в качестве примера кучу примеров, мощность зарядки Xiaopeng G9 (платформа 800 В)с тем же 100-градусным аккумуляторомэто почти в 2 разачто у JK 001(платформа 400 В) .
04.Каковы трудности в текущем применении системы 800 В?
Самая большая трудность применения напряжения 800 В по-прежнему неотделима от стоимости.
Эта стоимость делится на две части: стоимость компонентов и стоимость разработки.
Начнем со стоимости запчастей.
Высоковольтные силовые устройства дороги и используются в больших количествах.В конструкции высоковольтного силового устройства на 1200 В с полной архитектурой 800 В использовано более30 и минимум 12SiC для моделей с двумя двигателями.
По состоянию на сентябрь 2021 года розничная цена 100-А дискретных SiC MOSFET (650 В и 1200 В) почти в 3 раза превышаетцена эквивалента Si IGBT.[4]
По состоянию на 11 октября 2022 года я узнал, что разница в розничной цене между двумя Infineon IGBT и SiC MOSFET с аналогичными характеристиками составляет примерно 2,5 раза..(Источник данных: официальный сайт Infineon, 11 октября 2022 г.)
Основываясь на двух вышеупомянутых источниках данных, можно считать, что текущий рынок SiC примерно в 3 раза превышает разницу в цене на IGBT.
Во-вторых, стоимость разработки.
Поскольку большинство деталей, связанных с напряжением 800 В, необходимо перепроектировать и проверить, объем испытаний больше, чем у небольших итеративных продуктов.
Некоторое испытательное оборудование эпохи 400 В не будет подходить для продуктов с напряжением 800 В, и необходимо приобретать новое испытательное оборудование.
Первой партии OEM-производителей, использующих новые продукты на 800 В, обычно приходится делить больше затрат на экспериментальные разработки с поставщиками компонентов.
На этом этапе OEM-производители из соображений осторожности будут выбирать продукцию на 800 В от проверенных поставщиков, а затраты на разработку у проверенных поставщиков будут относительно выше.
По оценке автомобильного инженера OEM-производителя, в 2021 году стоимость чистого электромобиля уровня 400 кВт с полной архитектурой 800 В и двухмоторной системой мощностью 400 кВт вырастет с 400 В до 800 В., и стоимость увеличится примерно10 000-20 000 юаней.
В-третьих, низкая стоимость системы 800 В..
Возьмем в качестве примера потребителя чистой электроэнергии, использующего домашнюю зарядную установку, приняв стоимость зарядки 0,5 юаня/кВтч и энергопотребление 20кВтч/100 км (типичное энергопотребление для высокоскоростного круиза средних и больших моделей электромобилей)., текущая растущая стоимость системы 800 В может использоваться клиентом на протяжении 10–200 000 километров.
Затраты энергии, сэкономленные за счет повышения эффективности жизненного цикла автомобиля (исходя из повышения эффективности высоковольтной платформы и SiC, автор примерно оценивает прирост эффективности в 3-5%)не может покрыть рост цен на автомобили.
Существует также рыночное ограничение для моделей на 800 В.
Преимущества платформы 800 В с точки зрения экономики неочевидны, поэтому она подходит для высокопроизводительных моделей класса B+/C, которые стремятся к максимальной производительности автомобиля и относительно нечувствительны к стоимости одного автомобиля.
Этот тип транспортных средств имеет относительно небольшую долю рынка.
Согласно разбивке данных Пассажирской федерации, с января по август 2022 года, согласно анализу ценового класса транспортных средств на новых источниках энергии в Китае, объем продаж 200 000–300 000 составил 22%., продажи от 300 000 до 400 000 составили16%, а объем продаж более 400 000 составил4 %.
Если принять за границу цену в 300 000 автомобилей, то в период, когда стоимость компонентов 800 В существенно не снизится, модели 800 В могут составлять около 20% доли рынка..
В-четвертых, цепочка поставок запчастей на 800 В неразвита..
Применение системы 800 В требует модернизации исходных частей цепи высокого напряжения.Высоковольтные платформенные аккумуляторы, электроприводы, зарядные устройства, системы терморегулирования и детали — большая часть Tire1 и Tire2 все еще находится на стадии разработки и не имеет опыта массового производства.Поставщиков OEM-производителей немного, и относительно зрелые продукты могут появиться из-за неожиданных факторов.проблемы производительности.
В-пятых, рынок запасных частей 800 В недостаточно проверен..
В системе 800 В используется множество недавно разработанных продуктов (инвертор двигателя, корпус двигателя, аккумулятор, зарядное устройство + DCDC, высоковольтный разъем, высоковольтный кондиционер и т. д.)., и необходимо проверить зазор, путь утечки, изоляцию, ЭМС, тепловыделение и т. д.
В настоящее время цикл разработки и проверки продукции на внутреннем рынке новой энергетики короткий (обычно цикл разработки новых проектов в старых совместных предприятиях составляет 5-6 лет, а текущий цикл разработки на внутреннем рынке составляет менее 3 лет). ).В то же время фактическое время проверки на рынке транспортных средств продуктов 800 В недостаточно, а вероятность последующих послепродажных продаж относительно высока..
В-шестых, практическая ценность быстрой зарядки системы 800 В невелика.
Когда автомобильные компании продвигают 250 кВт,480кВт (800В)сверхбыстрая зарядка высокой мощности, они обычно публикуют количество городов, где проложены зарядные устройства, намереваясь заставить потребителей думать, что они могут насладиться этим опытом в любое время после покупки автомобиля, но реальность не так хороша.
Есть три основных ограничения:
Брошюра о быстрой зарядке высокого напряжения Xiaopeng G9 800 В
(1) Будут добавлены зарядные блоки на 800 В..
В настоящее время наиболее распространенные на рынке зарядные устройства постоянного тока поддерживают максимальное напряжение 500 В/750 В и ограниченный ток 250 А, что не может в полной мере обеспечитьвозможность быстрой зарядки системы 800 В(300-400кВт) .
(2) Существуют ограничения на максимальную мощность свай с наддувом 800 В..
Берем нагнетатель Xiaopeng S4 (жидкостное охлаждение высокого давления)Например, максимальная мощность зарядки составляет 480 кВт/670 А.Из-за ограничения мощности электросети демонстрационная станция поддерживает зарядку только одного автомобиля, что обеспечивает самую высокую мощность зарядки среди моделей с напряжением 800 В.В часы пик одновременная зарядка нескольких транспортных средств приведет к перераспределению электроэнергии.
По примеру специалистов по энергоснабжению: школы с более чем 3000 учениками в восточной прибрежной зоне подают заявку на мощность 600 кВА, которая может поддерживать установку с наддувом мощностью 480 кВт и напряжением 800 В при расчетном КПД 80%.
(3) Инвестиционные затраты на сваи с наддувом 800 В высоки..
Сюда входят трансформаторы, сваи, накопители энергии и т. д. Фактическая стоимость оценивается выше, чем стоимость подкачивающей станции, а возможность крупномасштабного развертывания невелика.
Наддув 800 В — это лишь вишенка на торте, так какая же схема зарядного устройства может улучшить процесс зарядки?
Поле высокоскоростной зарядки к празднику 2022 года
05.Представление о расположении зарядных сооружений в будущем
В настоящее время во всей внутренней инфраструктуре загрузочных свай соотношение транспортных средств и свай (включая общественные сваи + частные сваи)по-прежнему на уровне примерно 3:1(по данным 2021 года).
С увеличением продаж транспортных средств на новых источниках энергии и облегчением проблем потребителей с зарядкой необходимо увеличить соотношение транспортных средств к количеству автомобилей.Различные характеристики блоков быстрой зарядки и блоков медленной зарядки могут быть разумно согласованы в сценариях назначения и сценариях быстрой зарядки, чтобы улучшить процесс зарядки.Чтобы улучшиться, и действительно можно сбалансировать нагрузку на сеть.
Во-первых, это взимание платы за пункт назначения., зарядка без дополнительного времени ожидания:
(1) Жилые парковочные места: построено большое количество общих и упорядоченных свай медленной зарядки в пределах 7 кВт, а транспортным средствам, работающим на нефтяном топливе, отдается приоритет при парковке парковочных мест, не связанных с новыми источниками энергии, которые могут удовлетворить потребности жителей, а стоимость прокладки составляет относительно низкий, и метод упорядоченного управления также позволяет избежать выхода за пределы региональной энергосистемы.емкость.
(2) Торговые центры/живописные места/промышленные парки/офисные здания/отели и другие парковки: добавлена быстрая зарядка 20 кВт, а также построено большое количество медленных зарядок мощностью 7 кВт.Сторона разработки: низкая стоимость медленной зарядки и отсутствие затрат на расширение;со стороны потребителя: не занимайте места и не двигайтесь в автомобиле после полной зарядки быстрой зарядки за короткий период времени.
Второе – быстрое восполнение энергии, как сэкономить общее время энергопотребления:
(1) Зона обслуживания скоростной автомагистрали: поддерживайте текущее количество быстрой зарядки, строго ограничивайте верхний предел зарядки (например, 90–85% от пиковой нагрузки) и обеспечивайте скорость зарядки транспортных средств на дальние расстояния.
(2) Заправочные станции возле въезда на шоссе в крупных городах: настройте мощную быструю зарядку и строго ограничьте верхний предел зарядки (например, 90–85 % в пике)., в качестве дополнения к высокоскоростной зоне обслуживания, близко к дальним поездкам со стороны новых потребителей энергии, одновременно излучая потребность в наземной зарядке в городе.Примечание. Обычно наземная заправочная станция оснащена электрической мощностью 250 кВА, которая может одновременно поддерживать две установки быстрой зарядки мощностью 100 кВт.
(3) Городская заправочная станция/открытая парковка: настройте быструю зарядку высокой мощности, чтобы ограничить верхний предел зарядки.В настоящее время PetroChina развертывает средства быстрой зарядки/обмена в новой энергетической сфере, и ожидается, что в будущем все больше и больше заправочных станций будут оснащаться станциями быстрой зарядки.
Примечание. Географическое расположение самой заправочной станции/открытой парковки близко к обочине дороги, а особенности здания более очевидны, что удобно для того, чтобы взимать плату с клиентов, чтобы быстро найти кучу и быстро покинуть территорию.
06.Напишите в конце
В настоящее время система 800 В по-прежнему сталкивается со многими трудностями, связанными со стоимостью, технологиями и инфраструктурой.Эти трудности — единственный путь к инновациям и развитию новых технологий транспортных средств на энергии и промышленной итерации.этап.
Китайские автомобильные компании, благодаря своим быстрым и эффективным инженерным возможностям, смогут реализовать большое количество быстрых применений систем 800 В и занять лидирующие позиции в развитии технологий в области транспортных средств на новой энергии.
Китайские потребители также будут первыми, кто насладится высококачественными автомобилями, созданными благодаря технологическому прогрессу.Это уже не похоже на эпоху топливных автомобилей, когда отечественные потребители покупают старые модели транснациональных автомобильных компаний, старые технологии или кастрированные продукты.
Использованная литература:
[1] Технологические исследования Honda: разработка двигателя и PCU для системы SPORT HYBRID i-MMD.
[2] Хань Фэнь, Чжан Яньсяо, Ши Хао.Применение SiC MOSFET в схеме Boost [J].Промышленные приборы и автоматика, 2021 (000-006).
[3] Кодзи Ямагучи, Кенширо Кацура, Тацуро Ямада, Юкихико Сато. Инвертор высокой плотности мощности на основе карбида кремния с плотностью мощности 70 кВт/литр или 50 кВт/кг[Дж].Журнал отраслевых приложений IEEJ
[4] Статья PGC Consultancy: Подведение итогов SiC, Часть 1: обзор ценовой конкурентоспособности SiC и дорожная карта по снижению затрат
Время публикации: 21 октября 2022 г.