设计 800V 汽车架构时的注意事项

消费者追求快速充电,而且越快越好。对于将电动汽车主要用于通勤的消费者,即使他们通常在夜间对汽车进行慢充,也希望能够在必要时使用直流快速充电 站给电池充电,使电池在 15 分钟或更短时间内达到 80% 的荷电状态。’

为了满足消费者期望,OEM(整车制造商)愈发关注 800V 汽车架构,基础设施提供商也在升级其充电网络以支持该架构。但是,转向 800V 意味着在汽车架构的某些方面会有一些不同。

物理挑战

要对电动汽车进行更快速地充电,只有两种方法:要么增加电流,要么提高电压。

如果增加电流,那么汽车中传输电流的所有线缆和连接器都必须增大尺寸,以便降低电阻。由于热损耗与电流的平方成正比,因此先进的冷却技术 也必须加以实施。增大零部件尺寸也会增加重量,进而影响汽车续航里程,并且所有这些因素都会增加材料成本。

相比之下,提高电压则可以在保持相同功率的前提下降低所需电流,从而实现截然相反的效果:所有传输电流的部件都变得更小、更轻,包括汽车充电所用的线缆、连接器、电机 充电枪。

热损耗减少了,所以热控系统可以简化,并缩小冷却泵、冷却压缩机和散热器的尺寸。

鉴于上述原因,提高电压的方法对于提高电池充放电功率而言更具成本效益。

在某种程度上,提高电压确实是唯一的选择,因为充电插座的针脚尺寸是固定的,无法加大尺寸来适应更高的电流。

现如今,400V 架构是标准配置。对于提供约 350A 电流的 150kW 快速充电站,理论上,它可以在不到 30 分钟的时间内将 60kWh 电动汽车电池的荷电状态从 20% 提高到 80%。将充电时间缩短至 15 分钟或更短的最直接方法是,只需将电压加倍至 800V,同时保持相同的电流水平,这样总功率便达到 300kW。

设计差异

当然,800V 电池很少在精确的 800V 电压下工作 — 它的工作电压范围在 440V 至 900V 之间。电压范围取决于电池中电芯的数量和类型以及串联数量。任一特定时点的电池电压取决于电池的荷电状态:越接近满电量,则电池电压越高。’

然而,使用在上述电压范围内工作的电池时,整个充电线束和动力总成必须设计为能承受 800V 电压。这意味着导体之间的距离(包括爬电距离和电气间隙)都必须更大,以防产生电弧放电(随着电压升高,这种现象更易发生)。此外,绝缘层必须更厚,不过,其重量和成本远低于其所保护的铜材。

另一个需要考量的点是用于电池功率传输的 电力电子系统。在 400V 电压下,硅功率器件可用于电子设备,但高于 400V 时,其工作效率开始降低。在 800V 应用中,为了最大程度的降低损耗,必须使用更昂贵的碳化硅。

车载充电器 必须设计成能够将低至 110V 的交流输入,升压至与 800V 电池相匹配的电压。类似的,当只有 400V 直流快速充电系统时,需要使用一个直流-直流转换器 将输入电压升压至与 800V 电池相匹配的电压。

为了适应电池的宽电压范围,电力电子器件必须与电池管理软件通信,确定所需的电压设定点和当前的充放电容量,然后利用纳秒级控制技术实时转换电源输入。这些控制措施可确保,即使在高达 1000V 的电压瞬态下,也能安全高效地进行功率转换。

平衡

对架构设计进行上述变更后,OEM 能在有效管理系统成本的同时,将其车辆的充电速率翻倍。’此外,汽车电池将能够在 800V 电压下连续提供高功率,使车辆在连续进行多次高速加速时更加轻松自如。

安波福提供适用于 800V 应用的优化解决方案,可以很好地帮助 OEM 实现这一目标。凭借在电池管理软件、电力电子系统、高压连接系统、高压汇流排技术 及其他方面的专业知识,安波福可提供业内先进的’电子电气架构,并且涵盖各种电压等级。 

消费者追求快速充电,而且越快越好。对于将电动汽车主要用于通勤的消费者,即使他们通常在夜间对汽车进行慢充,也希望能够在必要时使用直流快速充电 站给电池充电,使电池在 15 分钟或更短时间内达到 80% 的荷电状态。’

为了满足消费者期望,OEM(整车制造商)愈发关注 800V 汽车架构,基础设施提供商也在升级其充电网络以支持该架构。但是,转向 800V 意味着在汽车架构的某些方面会有一些不同。

物理挑战

要对电动汽车进行更快速地充电,只有两种方法:要么增加电流,要么提高电压。

如果增加电流,那么汽车中传输电流的所有线缆和连接器都必须增大尺寸,以便降低电阻。由于热损耗与电流的平方成正比,因此先进的冷却技术 也必须加以实施。增大零部件尺寸也会增加重量,进而影响汽车续航里程,并且所有这些因素都会增加材料成本。

相比之下,提高电压则可以在保持相同功率的前提下降低所需电流,从而实现截然相反的效果:所有传输电流的部件都变得更小、更轻,包括汽车充电所用的线缆、连接器、电机 充电枪。

热损耗减少了,所以热控系统可以简化,并缩小冷却泵、冷却压缩机和散热器的尺寸。

鉴于上述原因,提高电压的方法对于提高电池充放电功率而言更具成本效益。

在某种程度上,提高电压确实是唯一的选择,因为充电插座的针脚尺寸是固定的,无法加大尺寸来适应更高的电流。

现如今,400V 架构是标准配置。对于提供约 350A 电流的 150kW 快速充电站,理论上,它可以在不到 30 分钟的时间内将 60kWh 电动汽车电池的荷电状态从 20% 提高到 80%。将充电时间缩短至 15 分钟或更短的最直接方法是,只需将电压加倍至 800V,同时保持相同的电流水平,这样总功率便达到 300kW。

设计差异

当然,800V 电池很少在精确的 800V 电压下工作 — 它的工作电压范围在 440V 至 900V 之间。电压范围取决于电池中电芯的数量和类型以及串联数量。任一特定时点的电池电压取决于电池的荷电状态:越接近满电量,则电池电压越高。’

然而,使用在上述电压范围内工作的电池时,整个充电线束和动力总成必须设计为能承受 800V 电压。这意味着导体之间的距离(包括爬电距离和电气间隙)都必须更大,以防产生电弧放电(随着电压升高,这种现象更易发生)。此外,绝缘层必须更厚,不过,其重量和成本远低于其所保护的铜材。

另一个需要考量的点是用于电池功率传输的 电力电子系统。在 400V 电压下,硅功率器件可用于电子设备,但高于 400V 时,其工作效率开始降低。在 800V 应用中,为了最大程度的降低损耗,必须使用更昂贵的碳化硅。

车载充电器 必须设计成能够将低至 110V 的交流输入,升压至与 800V 电池相匹配的电压。类似的,当只有 400V 直流快速充电系统时,需要使用一个直流-直流转换器 将输入电压升压至与 800V 电池相匹配的电压。

为了适应电池的宽电压范围,电力电子器件必须与电池管理软件通信,确定所需的电压设定点和当前的充放电容量,然后利用纳秒级控制技术实时转换电源输入。这些控制措施可确保,即使在高达 1000V 的电压瞬态下,也能安全高效地进行功率转换。

平衡

对架构设计进行上述变更后,OEM 能在有效管理系统成本的同时,将其车辆的充电速率翻倍。’此外,汽车电池将能够在 800V 电压下连续提供高功率,使车辆在连续进行多次高速加速时更加轻松自如。

安波福提供适用于 800V 应用的优化解决方案,可以很好地帮助 OEM 实现这一目标。凭借在电池管理软件、电力电子系统、高压连接系统、高压汇流排技术 及其他方面的专业知识,安波福可提供业内先进的’电子电气架构,并且涵盖各种电压等级。 

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