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电动汽车采用更高电池电压的驱动因素
(2024年7月13日更新)

许多国家和地区正在颁布增加电动汽车的立法(EV)目标是逐步淘汰或最终禁止使用汽油和柴油汽车。虽然早期品尝者可能会因为环保效益而购买汽车,但市场上仍有相当多的人关注电动汽车的里程限制和充电时间。

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汽车行业面临着不断提供创新的解决方案来吸引更多的观众,这正在推动提高电池电压的发展趋势。目前,道路上的乘用车大多使用400辆V电池。电动巴士和电动卡车是600V乘用车开始使用800级车辆V电池。

与现有的400相比V系统,800V系统的推出是一个很大的进步,推出速度比很多人预期的要快。V该系统的优点是什么?它们如何帮助解决一些阻碍消费者和减缓电动汽车推广的问题?

800V电池如何影响车辆设计?

无刷直流电机的核心部件是产生直流磁场的转子(通常是永磁体或直流电枢绕组)和含铜绕组的定子(通过交流电流)。运动取决于转子磁场与定子绕组中时间控制的电流产生的旋转磁场的相互作用。随着电机工作电压的增加,在给定的输入功率下输入RMS电流减少,定子绕组铜损耗减少。使用800V电源与400V与电源相比,损减少4倍。这为降低铜绕组线径提供了机会,既降低了总体积,又提高了包装效率,使电机更小。800V该系统具有相同较低的电流要求,不仅可以减少电机铜的损耗,还可以减少整个系统接线器的损耗,从而节省重量、空间和成本。

800V该系统通常来自硅基IGBT转向碳化硅(SiC) MOSFET。SiC由于谐波电流供更高的开关速度,因此开关损耗更低。由于谐波电流的减少,这有助于提高工作频率,进一步减少电机损耗。

在高端跑车市场提高操控性和加速性,在高端跑车市场非常有价值。此外,减少损失可以增加与电池直接相关的范围,从而降低车辆的相关成本。腾出的空间可以用来增加电池组的大小,以增加续航里程或分配给增加的客舱空间。想要更大的后备箱吗?小电机也有帮助。值得注意的是,更大的电池组也会增加充电时间,但800V充电优势可以发挥。

减轻重量、体积和损失为车辆设计师提供了选择,可以根据特定的细分市场平衡成本、性能和范围。降低成本使解决方案更容易被中端消费市场所接受,而不仅仅是高性能车辆。

在考虑转向电动汽车时,里程是关键的决定因素之一。对一些人来说,这是一个方便的问题,希望使长途旅行更容易。对于商用车来说,增加里程意味着更高效的配送路线、更多的道路时间、更少的车辆覆盖同一区域和更低的运营成本。

800V该系统可缩短充电时间

给消费者充电时间AKM代理商用车都是挑战。对于城市司机和通勤者来说,在家过夜充电通常就足够了。然而,当计划长途旅行时,特别是当距离超过车辆范围时,需要计划一条可以在适当的时间提供充电站的路线。虽然充电桩通常放置在附近的便利设施中,但仍可能需要排队,这是不可接受的。对于商用车来说,问题更为复杂,因为返回车站充电或让车辆在现场充电时闲置90分钟会降低生产力,直接影响企业利润。

800V如何帮助系统架构解决问题?正如我们之前提到的,在相同的功率下加倍电压会减半电流。在充电过程中,散热限制了充电电缆、汽车充电机入口和内部布线。从400V升级到800V,充电速率可以在相同损耗的情况下翻倍。有几个好处。第一个好处很简单,就是减少充电时间。若充电功率增加一倍,则充电时间将减少一半,但实际上改善幅度较小。不明显的好处是充电站利用率的提高。如果充电车辆的停留时间减半,使用给定充电机的车辆数量将翻倍。

保时捷和起亚推出了新的全电动汽车,其范围开始接近汽油车的中位数,充电时间更接近在加油站加油时快速停车和提货的时间。最新部署的一系列充电站的最大额定功率为400kW,对于800V架构绰绰有余。

全电动跑车保时捷Taycan续航里程420公里(260英里)。它采用800V电池架构,300A (240kW)在快速充电站上,从5%充电到80%只需22.5分钟。还能用4000V充电站,大约需要90分钟。起亚已宣布推出EV6 800V架构车,18分钟内从10%充电到80%,最大功率为239kW,可行驶480公里(300英里)的增程版。

快速充电时间对商用车非常重要,因为商用车可以通过快速充电延长工作时间,并将返回车站的完全充电时间推迟到晚上。重要的是,这些更快的充电时间也符合许多地区规定的30到40分钟的休息时间。

800V架构的使用速度快于预期

800汽车市场V架构的速度比期的要快。保时捷一路领先,但不仅仅是跑车 - 起亚和几家中国制造商现在提供8000家V汽车。就像汽车市场的典型情况一样,创新始于高端汽车,随着技术变得更加经济,慢慢进入大众市场。V该系统的处包括节约成本,中端消费市场可以比最初想象的更快地利用成本。

随着汽车市场的8000,V在架构上,我们无疑会看到各公司进一步推动更高电压系统的优势。这些优势正在扩大,所以900V更高的电压可以进一步增加这些优势,甚至更多地促进续航里程、重量和充电时间的改善。基础设施将跟上步伐;新的400kW充电站已经朝着这个方向发展。

800V系统中电源解决方案的设计要点

电动汽车中的高压连接子系统通常需要从高压到低压的电源。增加到800V隔离度和电压额定值较高。

电动汽车电池组由许多串联/并联连接的单体电池组成。每个单体电池的工作电压范围为3.1V至4.2V。对于标称800V系统约有198个串联电池,总电池组电压为610V至835V。由于再生制动过程中电压升高的影响,通常会增加20V至30V最大电压为865V。电源内部开关的额定值必须明显高于电压。对于反激变换器,必须加150V至200V电压使开关应力达到1065V。通常的20%降额应用至少可以得到1.33kV的规格。

另一个重要的设计点是需要低压启动,通常是30V至40V。车辆安全系统需要先通电,以确保所有控制电子设备都能在任何东西开始移动或可能出现故障之前运行。工作电压介于30V到>900V电源可能具有挑战性。

Power Integrations创新高压解决方案

Power Integrations (PI)最近发布了两个新的符合AEC-Q额定耐压1700标准V的IC,为其InnoSwitch3-AQ产品系列增加了新成员。这两个新设备解决了800个问题V上述设计挑战为汽车领域带来了一系列有价值的功能,为未来的设计提供了更高的电压。

图1 InnoSwitch3-AQ 1700V装置可实现简单、加强绝缘的汽车电源

这种简单的反激变换器设计集成了碳化硅开关和初级和次级控制器。InnoSwitch3-AQ IC使用FluxLink隔离可以使二次控制器成为主控制器。这种不寻常的结构意味着二次侧决定何时进行初级开关操作,实现同步整流,没有通常的缺点(如开关时间不正确),并能响应所有故障。

图2 额定耐压1700V的InnoSwitch3-AQ没有额外的外部元件

InnoSwitch3-AQ具有30V对于汽车应用中的安全系统来说,启动电压非常重要。分立解决方案需要在初级侧添加额外的元件才能实现30V启动需要相当高的成本。连接到高压母线的每个元件都必须测试各种故障模式,因此PI设备集成度高的优点可节省系统成本,测试用例最多可减少50%。

减少部件数量对电动汽车至关重要。由于部件较少,部件本身导致的故障率降低,焊点较少,可靠性较高。电路板面积的节省更为明显,因为它减轻了重量,提高了功率密度,可以腾出更多的内部空间,这是电动汽车市场的重要优势。

InnoSwitch3-AQ IC独特的结构使其位于安全隔离带上,在这里PCB通常不能使用的空间。实际上,它可以放在变压器下面。这种设计不占用PCB这对设计工程师来说意义重大。

图3 可扩展性允许相同的设计以微小的变化提供不同的功率水平

由于输出控制精度很高,不需要额外的DC-DC产生更多母线的转换器 - 可以提供设备本身。由于采用FluxLink架构且具有±2%的控制精度,从零负载到满载只需要两个开关周期,输出功率从零增加到最大值。这意味着输出电容也要小得多。由于效率超过90%,散热量大大降低,足以节省外部散热器。这些特性可以进一步减少尺寸、空间和组件的数量,以及其他更多的好处。

空载功耗通常不是一个关键参数,但对于总是连接电池的电动汽车来说,电池时间停放后很容易耗尽功耗。InnoSwitch3-AQ装置的空载功耗小于15mW,确保乘客在机场返回汽车时不会被搁浅。

随着新的50W和70W添加输出功率器件,Power Integrations的InnoSwitch3-AQ现在产品系列比较丰富,可以为电动汽车提供400辆V、600V、800V设计更高的母线电压。

图4适用于400V、600V和800V完整的装置系列系统

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