Quando se trata de 800V, as montadoras atuais promovem principalmente a plataforma de carregamento rápido de 800V, e os consumidores pensam subconscientemente que 800V é o sistema de carregamento rápido.
Na verdade, esse entendimento é um tanto mal compreendido.Para ser mais preciso, o carregamento rápido de alta tensão de 800 V é apenas uma das características do sistema de 800 V.
Neste artigo pretendo mostrar sistematicamente aos leitores um sistema de 800V relativamente completo em cinco dimensões, incluindo:
1. Qual é o sistema de 800V no veículo de nova energia?
2. Por que o 800V foi introduzido neste momento?
3. Que benefícios intuitivos o sistema de 800V pode trazer atualmente?
4. Quais são as dificuldades na aplicação atual do sistema 800V?
5. Qual é o possível layout de carregamento no futuro?
01.Qual é o sistema de 800V no novo veículo energético?
O sistema de alta tensão inclui todos os componentes de alta tensão na plataforma de alta tensão. A figura a seguir mostra os componentes de alta tensão de um típicoveículo elétrico puro de nova energiaequipado com uma plataforma de tensão de 400V refrigerada a águabateria.
A plataforma de tensão do sistema de alta tensão é derivada da tensão de saída da bateria do veículo.
A faixa específica da plataforma de tensão dos diferentes modelos elétricos puros está relacionada ao número de células conectadas em série em cada bateria e ao tipo de células (ternárias, fosfato de ferro-lítio, etc.).
Entre eles, o número de baterias ternárias em série com 100 células é de cerca de 400V de alta tensão.
A plataforma de tensão de 400 V que costumamos dizer é um termo amplo. Tomemos como exemplo a plataforma 400V Jikrypton 001. Quando a bateria ternária transportada por ele passa de 100% SOC para 0% SOC, sua largura de mudança de tensão é próxima de100V (cerca de 350V-450V). ).
Desenho 3D de bateria de alta tensão
Na atual plataforma de alta tensão de 400 V, todas as peças e componentes do sistema de alta tensão funcionam sob o nível de tensão de 400 V, e o projeto, desenvolvimento e verificação dos parâmetros são realizados de acordo com o nível de tensão de 400 V.
Para obter um sistema de plataforma de alta tensão completo de 800 V, em primeiro lugar, em termos de tensão da bateria, é necessário usar uma bateria de 800 V, correspondendo a cerca de 200lítio ternáriocélulas de bateria em série.
Seguidos por motores, condicionadores de ar, carregadores, suporte DCDC 800V e chicotes elétricos relacionados, conectores de alta tensão e outras peças em todos os circuitos de alta tensão são projetados, desenvolvidos e verificados de acordo com os requisitos de 800V.
No desenvolvimento da arquitetura da plataforma de 800V, para ser compatível com as pilhas de carregamento rápido de 500V/750V do mercado, os veículos elétricos puros de 800V serão equipados com módulos DCDC boost de 400V a 800Vpor muito tempo.
Sua função édecidir em tempo hábil se deseja ativar o módulo boost para carregar a bateria de 800 V de acordo com a capacidade real de tensão dopilha de carregamento.
De acordo com a combinação do desempenho de custos, existem aproximadamente dois tipos:
Uma é a arquitetura completa da plataforma de 800V.
Todas as partes do veículo nesta arquitetura são projetadas para 800V.
Arquitetura completa do sistema de alta tensão de 800V
A segunda categoria é a parte econômica da arquitetura da plataforma de 800V.
Retenha alguns componentes de 400V: Como o custo dos atuais dispositivos de comutação de energia de 800 V é várias vezes maior que o dos IGBTs de 400 V, a fim de equilibrar o custo de todo o veículo e aumentar a eficiência, os OEMs são motivados a usar componentes de 800 V(como motores)sobreMantenha algumas peças de 400V(por exemplo, ar condicionado elétrico, DCDC).
Multiplexação de dispositivos de potência do motor: Como não há necessidade de dirigir durante o processo de carregamento, os OEMs sensíveis ao custo reutilizarão os dispositivos de energia no controlador do motor do eixo traseiro para aumentar o DCDC de 400V-800.
Arquitetura da plataforma do sistema de energia 800V
02.Por que os novos veículos energéticos introduzem sistemas de 800V neste momento?
Na condução diária dos atuais veículos puramente elétricos, cerca de 80% da eletricidade é consumida no motor de acionamento.
O inversor, ou controlador do motor, controla o motor elétrico e é um dos componentes mais importantes de um carro.
Sistema de acionamento elétrico três em um
Na era Si IGBT, a melhoria da eficiência da plataforma de alta tensão de 800V é pequena e a potência da aplicação é insuficiente.
A perda de eficiência do sistema do motor de acionamento é composta principalmente pela perda do corpo do motor e pela perda do inversor:
A primeira parte da perda – a perda do corpo motor:
- Perda de cobre – perda de calor noenrolamento do estator do motor(fio de cobre);
- Perda de ferro Em sistemas onde o motor utiliza força magnética, a perda de calor(calor Joule)causada por correntes parasitas geradas no ferro(ou alumínio)parte do motor devido a alterações na força magnética;
- As perdas parasitas são atribuídas às perdas causadas pelo fluxo irregular de carga;
- perda de vento.
Um certo tipo de motor de fio plano de 400 V como segue tem uma eficiência máxima de 97%, e diz-se que o corpo do motor 400 V Extreme Krypton 001 Wei Rui tem uma eficiência máxima de 98%.
No estágio de 400V, que atingiu a maior eficiência de 97-98%, o simples uso da plataforma de 800V limitou o espaço para reduzir a perda do próprio motor.
Parte 2 Perdas: Perdas do Inversor do Motor:
- perda de condução;
- perdas de comutação.
O seguinte é oHondaMapa de eficiência do inversor do motor IGBT da plataforma 400V [1].Mais de 95% dosas áreas de alta eficiência estão próximas de 50%.
A partir da comparação do status atual de perda das duas partes:
Na comparação aproximada entre a perda corporal motora (>2%)e a perda do inversor do motor(>4%), a perda do inversor é relativamente grande.
Portanto, a autonomia do carro está mais relacionada à eficiência do inversor principal do motor de acionamento.
Antes da maturidade do SiC MOSFET semicondutor de potência de terceira geração, os componentes de potência dos novos veículos de energia, como o motor de acionamento, usam Si IGBT como dispositivo de comutação do inversor, e o nível de tensão de suporte é principalmente de cerca de 650V. Redes elétricas, locomotivas elétricas e outras ocasiões de não consumo.
Do ponto de vista da viabilidade, um veículo de passageiros de nova energia pode teoricamente usar um IGBT com tensão suportável de 1200V como interruptor de alimentação de um controlador de motor de 800V, e um sistema de 800V será desenvolvido na era IGBT.
Do ponto de vista do desempenho de custos, a plataforma de tensão de 800V limitou a melhoria na eficiência do corpo do motor. O uso contínuo de IGBTs de 1200V não melhora a eficiência do inversor do motor, o que é responsável pela maioria das perdas. Em vez disso, traz uma série de custos de desenvolvimento. A maioria das montadoras não tem aplicação de energia na era IGBT. Plataforma 800V.
Na era dos MOSFETs de SiC, o desempenho dos sistemas de 800V começou a ser melhorado devido ao nascimento de componentes-chave.
Após o advento dos dispositivos de potência de carboneto de silício de material semicondutor de terceira geração, ele recebeu ampla atenção devido às suas excelentes características [2].Ele combina as vantagens dos MOSFETs de Si de alta frequência e dos IGBTs de Si de alta tensão:
- Alta frequência operacional – até nível MHz, maior liberdade de modulação
- Boa resistência à tensão – até 3.000 kV, amplos cenários de aplicação
- Boa resistência à temperatura – pode funcionar de forma estável a uma temperatura elevada de 200 ℃
- Tamanho integrado pequeno – temperatura operacional mais alta reduz o tamanho e o peso do dissipador de calor
- Alta Eficiência Operacional – A adoção de dispositivos de energia SiC aumenta a eficiência dos componentes de energia, como inversores de motor, devido à redução de perdas.Pegue oInteligenteGenie como exemplo abaixo. Sob a mesma plataforma de tensão e basicamente a mesma resistência à estrada(quase nenhuma diferença em peso/formato/largura do pneu),todos eles são motores Virui. Comparado com os inversores IGBT, a eficiência geral dos inversores SiC é melhorada em cerca de 3%.Nota: A melhoria real da eficiência do inversor também está relacionada às capacidades de design de hardware e desenvolvimento de software de cada empresa.
Os primeiros produtos de SiC eram limitados pelo processo de crescimento do wafer de SiC e pelas capacidades de processamento de chips, e a capacidade de transporte de corrente de chip único dos MOSFETs de SiC era muito menor do que a dos IGBTs de Si.
Em 2016, uma equipe de pesquisa no Japão anunciou o desenvolvimento bem-sucedido de um inversor de alta densidade de potência usando dispositivos SiC e posteriormente publicou os resultados em (Transações de Engenharia Elétrica e Eletrônica do Instituto de Engenheiros Elétricos do Japão)IEEJ[3].O inversor tinha uma potência máxima de 35kW na época.
Em 2021, com o progresso da tecnologia ano após ano, a atual capacidade de carga dos MOSFETs de SiC produzidos em massa com uma tensão suportável de 1200 V melhorou e foram vistos produtos que podem se adaptar a potências de mais de 200 kW.
Nesta fase, esta tecnologia começou a ser aplicada em veículos reais.
Por um lado, o desempenho dos dispositivos eletrônicos de potência tende a ser ideal.Os dispositivos de energia SiC têm maior eficiência que os IGBTs e podem corresponder à capacidade de tensão suportável(1200 V) dea plataforma 800V, e desenvolveram uma capacidade de potência de mais de 200 kW nos últimos anos;
Por outro lado, podem ser observados os ganhos da plataforma de alta tensão de 800V.A duplicação da tensão eleva o limite superior da potência de carga de todo o veículo, a perda de cobre do sistema é menor e a densidade de potência do inversor do motor é maior(caracteristicamente, o torque e a potência do motor do mesmo tamanho são maiores);
A terceira é aumentar a involução no novo mercado energético.Na busca por alta autonomia de cruzeiro e reposição mais rápida de energia por parte do consumidor, o lado empresarial está ansioso para fazer a diferença na diferença do trem de força no novo mercado de energia;
Os fatores acima finalmente provocaram a exploração e aplicação em larga escala de novas plataformas de energia de alta tensão de 800 V nos últimos dois anos.Os modelos de plataforma de 800V atualmente listados incluem Xiaopeng G9,PorscheTaycane assim por diante.
Além disso, SAIC, Krypton,Lótus, Perfeito,Automóvel Tianjie outras montadoras também têm modelos de 800V relacionados prontos para serem introduzidos no mercado.
03.Que benefícios intuitivos o sistema de 800V pode trazer atualmente?
O sistema 800V pode, teoricamente, listar muitas vantagens. Acho que os benefícios mais intuitivos para os consumidores atuais são principalmente os dois seguintes.
Primeiro, a duração da bateria é mais longa e sólida, que é o benefício mais intuitivo.
No nível de consumo de energia de 100 quilômetros em condições de operação CLTC, os benefícios trazidos pelo sistema 800V(a imagem abaixo mostra a comparação entre Xiaopeng G9 eBMWiX3, o G9 é mais pesado, o corpo é mais largo e opneussão mais amplos, sendo todos fatores desfavoráveis para o consumo de energia), estimativas conservadoras Há um aumento de 5%.
Em altas velocidades, a melhoria no consumo de energia do sistema de 800V é considerada mais pronunciada.
Durante o lançamento do Xiaopeng G9, os fabricantes orientaram deliberadamente a mídia para realizar testes de duração da bateria em alta velocidade. Muitos meios de comunicação relataram que o Xiaopeng G9 de 800V alcançou uma taxa de vida útil da bateria de alta velocidade (vida útil da bateria de alta velocidade/vida útil da bateria CLTC * 100%).
O efeito real de poupança de energia requer confirmação adicional por parte do mercado subsequente.
A segunda é aproveitar ao máximo as capacidades das pilhas de carregamento existentes.
Modelos de plataforma de 400V, quando confrontados com pilhas de carregamento de 120kW, 180kW, a velocidade de carregamento é quase a mesma. (Os dados do teste vêm de Chedi)O módulo de reforço DC usado pelo modelo de plataforma de 800 V pode carregar diretamente a pilha de carregamento de baixa tensão existente(200kW/750V/250A)que não é limitado pela potência da rede à potência total de 750V/250A.
Nota: A tensão total real do Xpeng G9 está abaixo de 800 V devido a considerações de engenharia.
Tomando a pilha de exemplos como exemplo, a potência de carregamento do Xiaopeng G9 (plataforma de 800V)com a mesma bateria de 100 grausé quase 2 vezeso do JK 001(plataforma 400V) .
04.Quais são as dificuldades na aplicação atual do sistema 800V?
A maior dificuldade da aplicação de 800V ainda é inseparável do custo.
Este custo é dividido em duas partes: custo dos componentes e custo de desenvolvimento.
Vamos começar com o custo das peças.
Dispositivos de energia de alta tensão são caros e usados em grandes quantidades.O design do dispositivo geral de energia de alta tensão de 1200 volts com arquitetura completa de 800 V usa mais de30 e pelo menos 12SiC para modelos de motor duplo.
Em setembro de 2021, o preço de varejo de MOSFETs SiC discretos de 100 A (650 V e 1.200 V) era quase 3 vezeso preço de um Si IGBT equivalente.[4]
Em 11 de outubro de 2022, aprendi que a diferença de preço de varejo entre dois IGBTs Infineon e MOSFETs SiC com especificações de desempenho semelhantes é cerca de 2,5 vezes.(Fonte de dados, site oficial da Infineon, 11 de outubro de 2022)
Com base nas duas fontes de dados acima, pode-se considerar basicamente que o SiC do mercado atual é cerca de 3 vezes a diferença de preço do IGBT.
O segundo é o custo de desenvolvimento.
Como a maioria das peças relacionadas a 800V precisam ser reprojetadas e verificadas, o volume de teste é maior do que o de pequenos produtos iterativos.
Alguns dos equipamentos de teste da era de 400 V não serão adequados para produtos de 800 V e novos equipamentos de teste precisam ser adquiridos.
O primeiro lote de OEMs a usar novos produtos de 800 V geralmente precisa compartilhar mais custos de desenvolvimento experimental com fornecedores de componentes.
Nesta fase, os OEMs escolherão produtos de 800V de fornecedores estabelecidos por uma questão de prudência, e os custos de desenvolvimento dos fornecedores estabelecidos serão relativamente mais elevados.
De acordo com a estimativa de um engenheiro automotivo de um OEM em 2021, o custo de um veículo elétrico puro de nível de 400 kW com uma arquitetura completa de 800 V e um sistema de motor duplo de 400 kW aumentará de 400 V para 800 V, e o custo aumentará em cerca10.000-20.000 yuans.
O terceiro é o desempenho de baixo custo do sistema 800V.
Tomando como exemplo um cliente puramente elétrico usando uma pilha de carregamento doméstico, assumindo um custo de carregamento de 0,5 yuan/kWh e um consumo de energia de 20 kWh/100 km (consumo de energia típico para cruzeiro de alta velocidade de modelos EV médios e grandes), o custo atual crescente do sistema de 800 V pode ser usado pelo cliente por 10 a 200.000 quilômetros.
O custo de energia economizado pela melhoria da eficiência no ciclo de vida do veículo (com base na melhoria da eficiência da plataforma de alta tensão e do SiC, o autor estima aproximadamente o ganho de eficiência de 3-5%)não consegue cobrir o aumento dos preços dos veículos.
Há também uma limitação de mercado para modelos de 800V.
As vantagens da plataforma 800V em termos de economia não são óbvias, por isso é adequada para modelos de classe B+/C de alto desempenho que buscam o desempenho do veículo e são relativamente insensíveis ao custo de um único veículo.
Este tipo de veículo tem uma quota de mercado relativamente pequena.
De acordo com a repartição dos dados da Federação de Passageiros, de janeiro a agosto de 2022, de acordo com a análise da classe de preços dos novos veículos energéticos na China, o volume de vendas de 200.000-300.000 representou 22%, as vendas de 300.000 a 400.000 representaram16%, e as vendas de mais de 400.000 representaram4%.
Tomando como limite o preço de 300.000 veículos, no período em que o custo dos componentes de 800V não é significativamente reduzido, os modelos de 800V podem representar cerca de 20% da participação de mercado.
Quarto, a cadeia de fornecimento de peças de 800 V é imatura.
A aplicação do sistema de 800 V requer o redesenvolvimento das peças originais do circuito de alta tensão.Baterias de plataforma de alta tensão, acionamentos elétricos, carregadores, sistemas de gerenciamento térmico e peças, a maioria dos Tire1 e Tire2 ainda estão em fase de desenvolvimento e não têm experiência em aplicações de produção em massa. Existem poucos fornecedores para OEMs e produtos relativamente maduros tendem a surgir devido a fatores inesperados. questões de produtividade.
Quinto, o mercado de reposição de 800V está subvalidado.
O sistema 800V usa muitos produtos recentemente desenvolvidos (inversor de motor, corpo de motor, bateria, carregador + DCDC, conector de alta tensão, ar condicionado de alta tensão, etc.), e é necessário verificar a folga, distância de fuga, isolamento, EMC, dissipação de calor, etc.
Atualmente, o ciclo de desenvolvimento e verificação de produtos no mercado doméstico de novas energias é curto (normalmente, o ciclo de desenvolvimento de novos projetos em antigas joint ventures é de 5 a 6 anos, e o atual ciclo de desenvolvimento no mercado interno é inferior a 3 anos ).Ao mesmo tempo, o tempo real de inspeção do mercado de veículos de produtos de 800V é insuficiente e a probabilidade de pós-venda subsequente é relativamente alta. .
Em sexto lugar, o valor de aplicação prática do carregamento rápido do sistema de 800V não é alto.
Quando as montadoras promovem 250kW,480kW (800V)carregamento super rápido de alta potência, costumam divulgar o número de cidades onde estão colocadas as pilhas de carregamento, com o objetivo de orientar o consumidor a pensar que pode usufruir desta experiência a qualquer momento após a compra de um carro, mas a realidade não é tão boa.
Existem três restrições principais:
Folheto de carga rápida de alta tensão Xiaopeng G9 800V
(1) Pilhas de carregamento de 800 V serão adicionadas.
Atualmente, as pilhas de carregamento DC mais comuns no mercado suportam uma tensão máxima de 500V/750V e uma corrente limitada de 250A, o que não pode dar pleno desempenho aa capacidade de carregamento rápido de um sistema de 800V(300-400 kW).
(2) Existem restrições quanto à potência máxima de pilhas superalimentadas de 800 V.
Tomando o superalimentador Xiaopeng S4 (resfriamento líquido de alta pressão)por exemplo, a capacidade máxima de carregamento é 480kW/670A.Devido à limitação da capacidade da rede elétrica, a estação de demonstração suporta apenas o carregamento de um único veículo, que pode exercer a maior potência de carregamento dos modelos de 800V. Durante os horários de pico, o carregamento simultâneo de vários veículos causará desvio de energia.
Seguindo o exemplo dos profissionais de fornecimento de energia: escolas com mais de 3.000 alunos na zona costeira oriental solicitam uma capacidade de 600kVA, que pode suportar uma pilha superalimentada de 480kW 800V com base numa estimativa de eficiência de 80%.
(3) O custo de investimento de estacas superalimentadas de 800 V é alto.
Isto envolve transformadores, pilhas, armazenamento de energia, etc. O custo real é estimado em maior que o da estação de troca, e a possibilidade de implantação em larga escala é baixa.
A superalimentação de 800 V é apenas a cereja do bolo, então que tipo de layout de instalação de carregamento pode melhorar a experiência de carregamento?
Campo de carregamento de alta velocidade para férias de 2022
05.Imaginação do layout das instalações de carregamento no futuro
Actualmente, em toda a infra-estrutura doméstica de pilhas de carregamento, a relação veículo-pilha (incluindo pilhas públicas + pilhas privadas)ainda está no nível de cerca de 3:1(com base em dados de 2021).
Com o aumento das vendas de novos veículos energéticos e o alívio das preocupações dos consumidores com a cobrança, é necessário aumentar a relação veículo-pilha. Várias especificações de pilhas de carregamento rápido e pilhas de carregamento lento podem ser razoavelmente organizadas em cenários de destino e cenários de carregamento rápido, a fim de melhorar a experiência de carregamento. Para melhorar, e pode realmente equilibrar a carga da rede.
O primeiro é a cobrança no destino, carregando sem tempo de espera adicional:
(1) Vagas de estacionamento residenciais: Um grande número de pilhas de carregamento lento compartilhadas e ordenadas dentro de 7kW são construídas, e os veículos petrolíferos têm prioridade para estacionar vagas de estacionamento de energia não nova, que podem atender às necessidades dos residentes, e o custo de instalação é relativamente baixo, e o método de controle ordenado também pode evitar exceder a rede elétrica regional. capacidade.
(2) Shopping centers/pontos turísticos/parques industriais/edifícios de escritórios/hotéis e outros estacionamentos: o carregamento rápido de 20kW é complementado e um grande número de carregamentos lentos de 7kW são construídos.Lado do desenvolvimento: baixo custo de carregamento lento e nenhum custo de expansão; lado do consumidor: evite ocupar espaço/mover carros após o carregamento rápido estar totalmente carregado em um curto período de tempo.
A segunda é a reposição rápida de energia, como economizar o tempo total de consumo de energia:
(1) Área de serviço da via expressa: manter o número atual de carregamento rápido, limitar estritamente o limite superior de carregamento (como 90% -85% do pico) e garantir a velocidade de carregamento de veículos de longa distância.
(2) Postos de gasolina próximos à entrada da rodovia nas principais cidades/vilas: configure o carregamento rápido de alta potência e limite estritamente o limite superior de carregamento (como 90% -85% no pico), como um complemento à área de serviço de alta velocidade, próximo à condução de longa distância da demanda dos novos usuários de energia, ao mesmo tempo que irradia a demanda de cobrança terrestre da cidade/vila.Nota: Normalmente, o posto de gasolina terrestre está equipado com capacidade elétrica de 250kVA, que pode suportar aproximadamente duas pilhas de carga rápida de 100kW ao mesmo tempo.
(3) Posto de gasolina urbano/estacionamento ao ar livre: configure o carregamento rápido de alta potência para limitar o limite superior de carregamento.Actualmente, a PetroChina está a implementar instalações de carregamento/troca rápida no novo campo energético, e espera-se que cada vez mais postos de gasolina sejam equipados com pilhas de carregamento rápido no futuro.
Nota: A localização geográfica do próprio posto de gasolina/estacionamento ao ar livre é próxima à beira da estrada e as características do edifício são mais óbvias, o que é conveniente para cobrar dos clientes para encontrar rapidamente a pilha e sair do local rapidamente.
06.Escreva no final
Atualmente, o sistema 800V ainda enfrenta muitas dificuldades em termos de custo, tecnologia e infraestrutura. Estas dificuldades são o único caminho para a inovação e o desenvolvimento de novas tecnologias de veículos energéticos e de iteração industrial. estágio.
As empresas automóveis chinesas, com as suas capacidades de aplicação de engenharia rápidas e eficientes, poderão ser capazes de realizar um grande número de aplicações rápidas de sistemas de 800V e assumir a liderança na liderança da tendência tecnológica no domínio dos veículos de novas energias.
Os consumidores chineses também serão os primeiros a desfrutar da experiência veicular de alta qualidade proporcionada pelo progresso tecnológico.Já não é como na era dos veículos a combustível, quando os consumidores domésticos compram modelos antigos de empresas automobilísticas multinacionais, tecnologia antiga ou produtos castrados de tecnologia.
Referências:
[1] Pesquisa de Tecnologia Honda: Desenvolvimento de Motor e PCU para um Sistema SPORT HYBRID i-MMD
[2] Han Fen, Zhang Yanxiao, Shi Hao. Aplicação de SiC MOSFET no circuito Boost [J]. Dispositivo de Instrumentação e Automação Industrial, 2021(000-006).
[3] Koji Yamaguchi, Kenshiro Katsura, Tatsuro Yamada, Yukihiko Sato. Inversor baseado em SiC de alta densidade de potência com densidade de potência de 70 kW/litro ou 50 kW/kg[J]. Revista IEEJ de Aplicações Industriais
[4] Artigo de consultoria PGC: Fazendo um balanço do SiC, Parte 1: uma revisão da competitividade de custos do SiC e um roteiro para reduzir custos
Horário da postagem: 21 de outubro de 2022