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纯电动汽车高低电压平台产品技术发展趋势研究

文章出处:网责任编辑:作者:人气:-发表时间:2020-12-09 18:54:00【

经过多年国家的支持,中国新能源汽车,特别是电动汽车,在近几年发展迅速,已经成为各大城市的重要组成部分。公共交通方面,深圳、北京、广州、太原、佛山等大城市都纷纷采用新能源汽车。也由于政策的支持,北京、深圳、上海等城市有了越来越多的用户,选择了电动汽车作为私家车使用。

除了政策的影响,电动汽车也有其相对于燃油车天然的优势,比如加速性能优,行驶时无发动机噪声,使用费用低等;同时,电动汽车也有明显的短板,例如纯电动汽车续驶里程短,充电时间长,保价能力差等。

本文从用户需求,驱动系统和充电系统的技术和成本等方面对高低电压平台的优劣进行研究,分析高低电压平台各自的优势,以及未来在纯电动汽车发展中的搭载趋势。

本文中定义的高电压平台指的是最高工作电压超过500V 的电压平台,低电压平台为最高工作电压小于等于500V 的电压平台。根据电池最高工作电压和额定电压的关系,本文定义额定电压小于等于438V 为低电压平台。

 

1 电动汽车电压平台应用现状

随着电动汽车技术的发展,电动汽车制造商们也在着力扬长补短,比如加强追求更强的动力性,保时捷mission E 宣传其0-100km/h 加速时间能够达到3.2s/2.8s,峰值功率500kW/560kW。比亚迪“唐”0-100km/h 加速时间为4.4s。未来电动汽车的动力性能会更强。动力性能的提升,得益于电压的提升,电压提高了,把驱动电机的功率提升了,挖掘了电动汽车在动力性能上的潜力。保时捷mission E 宣传其电压平台为800V 平台,而比亚迪唐的额定电压也达到了613V。

 

比亚迪,吉利和北汽新能源公告的纯电动车型额定电压如图1 所示。三个国内较大的新能源生产厂家中,只有比亚迪公告了少量的高电压平台车型。

2 动力系统高低电压平台优劣评估

用户购买纯电动汽车因素当中,价格是一个非常重要的因素,那么在纯电动汽车设计中,就应当考虑价格的因素。在选取高电压平台还是低电压平台时,也会影响整车高压系统的价格,最终影响车辆的造价。

本章节基于两个不同级别的车型,对不同的电压平台进行动力系统设计,并评估其成本对比。

2.1 A 级车型高低电压平台成本对比

2.1.1 评估思路

高低电压评估作为一个定性评估,此次评估基于某A 级纯电动车设定了多个假设条件和限定条件:

a)速比9.3;

b)0-100km/h 加速时间约9s;

c)控制器的功率模块基于IGBT;

d)电机基于相同转子直径,散线绕组方案;

e)电池额定电压评估3个值,分别为:328V,438V,650V;

f)其他整车需求参数及阻力参考某特定A 级纯电动车型参数;

评估思路见图2。

 

动力性以0-100km/h 加速作为唯一指标,可以通过不同的扭矩和峰值功率实现。

高电压成本优势有:

a)电压越高,同体积的电机功率越大,即电压越高,相同性能电机成本越低;

b)接触器及高压线束,随着电压升高,电流减小,成本降低;

c)充电口过流能力有国标限制,且充电桩跟随国标,最大电流不超过250A,在现有国标直流充电标准下,电压越高,可实现更高的直流充电功率;

d)同一车型,当提升电机的驱动功率时,可以减小对扭矩的需求。即不同的扭矩/功率组合,可以实现相同的0-100km/h 加速时间要求。

低电压成本优势有:

a)低电压平台现有电机控制器所使用的IGBT市场更加成熟,成本更低;

b)DCOBC,空调,PTC,在低电压平台时采用的MOS 或IGBT 器件,二极管器件成本更低;

c)目前市面上充电桩以低电压为主,高电压平台车型需解决在低电压充电桩充电的问题,可能会因此增加成本。此部分在后文中展开。

2.1.2 扭矩/功率需求仿真

基于某车型参数,速比9.3,仿真其满足百公里加速约9s 的功率和扭矩需求。

由于是定性评估,在多种组合中挑选了4 组扭矩/功率组合进行电驱动总成的成本评估,如图3 和表1所示。

2.1.3 核算电动力总成及传动轴成本

扭矩增加,变速器输入和输出轴会增加成本,传动轴也会需要加强。电机不同扭矩/功率的组合,最优设计方案也会有成本差异。电压对IGBT,电容选型,影响其成本。我们比对以下不同功率/扭矩组合,及在不同电压下的最优成本,见表2。

经评估,不同电压下最优成本的扭矩/功率及其成本差见表3。

对A 级车的评估结果显示,高电压平台,在驱动系统中会有一定的成本优势。

2.2 A00 级车型高低电压平台对比

评估思路同A 级车,评估成本优劣时,A00 级EV 车型评估也设定了一些限定条件:

a)速比10.27;

b)百公里加速需求约16s;

c)控制器的功率模块基于IGBT;

d)电机基于相同转子直径,散线绕组方案;

e)电池额定电压评估3 个值,分别为:328V,438V,650V;

f)其他整车需求参数及阻力参考某特定A00 级EV 车型参数。

驱动系统成本评估结果见表4。

与A 级车不同,由于动力性能要求降低,电机、变速器、传动轴、以及高压线束在高电压的优势变小,但是高电压的功率器件成本升高较多,最终在A00 级车型上,低电压平台更加有成本上的优势。

综上所述,动力性能要求越高,高电压平台在动力系统的成本上越有优势。

2.3 SiC 的发展进程

功率器件是电驱动系统中的重要组成,目前电机控制器驱动功率芯片多为Si 基的IGBT,全球只有特斯拉量产车型中使用了SiC MOSFET 作为驱动功率器件。目前市面上已量产的,通过汽车级认证的IGBT 模块屈指可数,有英飞凌的HP2(1200V/400A)和HPD(1200V/380A),及日立的1200V/400A 模块。所以要发展高电压平台,离不开SiC 技术的支持。

SiC 作为第三代半导体的代表之一,有比Si 基IGBT 更好的耐压能力,给高电压平台的应用提供了强力的支持。

SiC 还具有比IGBT 更低的开关损耗,弥补了部分其工艺复杂造成的成本高的缺陷。SiC 和Si 基IGBT 的系统效率对比如图4 所示(基于某车型)。

通过仿真计算,某小型轿车上,若采用SiC 取代IGBT,将能降低0.5kWh/100km 的能耗。按照能耗优化及SiC 功率器件的成本趋势,预计2022 年,SiC 将在性能车上取得成本优势,有望在性能车中优先取代IGBT,成为主流。与之伴随的,是高电压平台的搭载。

目前,SiC 功率器件技术优势已被行业普遍认可,成本是规模效应的关键。受限于成品率和生产规模,国际上SiC 价格是Si 产品5 到6 倍。目前SiC 的价格在每年下降,预计价格达到对应Si 产品的2-3倍时,由系统成本减少和性能提升带来的优势将推动SiC 逐步占领Si 器件的市场空间。

在与全球半导体供应商英飞凌的交流中得知,他们将不再有下一代的高电压IGBT,新能源汽车的IGBT,在高电压系统中,将会被SiC 代替。

3 充电系统评估

3.1 直流充电功率发展趋势

3.1.1 纯电动车型直流充电能力

国内主流微型车和紧凑车型大部分厂家宣传30%-80%直流充电时间30min 左右,充电功率约在60kW-80kW。车型以低电压为主。如表5 所示。

而欧美中高端车型直流充电能力偏强,车型充电功率已达100-120kW,但是保时捷率先宣传了其充电电压为800V,且兼容了低电压平台的充电能力。详见表6。

以上车型,除特斯拉使用其专用充电设备外,其他车型均采用欧标接口。

3.1.2 充电桩布局

目前国内市场已经布局了大量的直流充电桩,充电桩以500V 为主。其中城市充电桩部分用于公交车使用。而针对私家车的高速充电桩,500V 所占比例大了93.3%。国网在各城市的直流充电桩大部分为500V,所占为88%。

国内销量领先的充电桩企业特来电,在北京,上海,广州,深圳,武汉,太原,杭州,南京,长沙这9大城市布局的充电桩中,450V充电桩主要在北京市场,500V以下充电机占比超67%,其中500V占比52%,450V占比15%。

特别需要注意的是,国网目前招标的充电桩,均已切换为750V 等级,也就是说,在未来,高电压平台,主要是750V 充电桩,所占比例会越来越高,慢慢会取代500V 以下的低电压平台充电桩。在与充电设施企业技术交流得到的信息亦是如此,目前的直流充电模块,已经可以兼容200V-750V 了,未来将主要开发750V 的充电模块,并提前研发950V 充电模块,不再开发500V 以下的直流充电模块。

3.1.3 未来大功率充电需求和趋势

根据奥迪大功率充电分享的报告显示,87%的受访者更青睐于30min 内充满80%电量,而44%的受访者更是希望能够缩短至15min 以内。而欧洲和中国都在布局大功率350kW 的充电接口标准,并且已开始布局充电站。350kW 超级充电定义了1000V/350A 的充电标准和交互协议。其中Lonity 公司是德国汽车联盟(VDA)、大众集团、福特汽车集团、宝马汽车集团、梅赛德斯股份联合成立的公司。欧洲以lonity 公司研发的350kW 充电桩为主,建立起第一个大功率充电网络,计划2020 年安装超过400 台,如图6 所示。

保时捷官网则宣传未来新车型保时捷mission E的充电能力是充电4min 可行驶100km,充电15min可行驶400km。保时捷的宣传并非不可能,若按12kWh 能耗计算,实现15min 充电行驶里程400km,则需充电功率204kW,若采用800V 充电,充电电流为255A,按电池充放电效率94%计算。

国内也有北汽,比亚迪,宁德新时代在做相关项目的研究。根据规划,中国350A 大功率充电标准预计2020 年发布,预测大功率充电设备将在2023~2025 年大规模投入使用。北汽新能源官网宣传:2019年1 月11 日,北汽新能源首台搭载超级快充的电动车在北京昌平未来科学城大功率充电站通过测试,可在700V 高压下,实现最大300A 直流充电,常温下10min 即可充满300km 里程。

由此可见,目前已经亟需提高电压来实现充电功率的提升。

中国《节能与新能源汽车技术路线图》规划了充电基础设施的技术路线如图7 所示。

《路线图》规划了2020 实现每充电15min 可行驶里程≥100km,未来到2030 年的目标是每充电10min 电动汽车可行驶≥100km。

上文提到,GB/T 18487.1—2015《电动汽车传导充电系统第1 部分通用要求》4.4 中建议的最大电流为250A。未来3~5 年内将通过提高充电电流来缩短充电时间。

3.2 直流充电系统发展路线

综上所述,目前直流充电上的矛盾是客户对充电时间的期望和电动汽车不能快速充电的矛盾。

从直流快充层面考虑:由于低电压平台充电桩基础设施比高电压有绝对的数量优势,未来3-5 年的纯电动乘用车还是以低电压平台为绝对主流,随着750V 充电桩和大功率充电设施的普及,及客户对快速充电的需求,高电压平台电动汽车将首先出现在高端车型中。

设计方面,由于充电设施仍然以低电压为主,未来的5 年以内,采用高电压平台的车型,都需要兼容低电压充电。这个时候就需要一个升压/降压模块实现充电桩和动力电池的匹配。比亚迪e5 是首次尝试升压DC 充电的量产纯电动车型。理所当然的,升压模块成本较高,而且多一个失效模式,在中低端车型目前还不是一个最优的方案。

4 电压平台发展路线和技术难点

电压平台发展的技术路线图如图8 所示。

 

2020 年,纯电动乘用车仍然以低电压平台占绝对比例,只有个别的车型采用高电压平台。

随着750V 直流充电设施的慢慢普及,和第三代半导体技术的发展,SiC 功率器件的成本下降。高电压平台的应用阻碍变小,越来越多的车企会采用高电压平台来满足客户对大功率充电和动力性能的追求。预计2025 年,大部分车企的高端车型,采用高电压平台,最高充电电压不超过750V。

到2030 年,宽禁带半导体应用愈发成熟,老一代的低电压直流充电设施迭代成高电压平台充电设施,高电压平台成为主流。充电能实现充电5min,行驶200km 的目标。

5 结束语

随着用户对车辆性能要求的提高,在性能车当中,纯电动汽车高电压是必然的趋势。但是由于技术的升级需要时间,如SiC 和直流充电设施,会需要一定的时间逐步普及。由于成本的压力,未来的5-10年内,低电压平台仍然是低端车型的选择之一。高电压平台和低电压平台共同发展,多向技术路线并行,为电动汽车提供更多的选择。

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