När det kommer till 800V, marknadsför de nuvarande bilföretagen främst 800V snabbladdningsplattformen, och konsumenter tror omedvetet att 800V är snabbladdningssystemet.
I själva verket är denna förståelse något missförstådd.För att vara exakt är 800V högspänningssnabbladdning bara en av funktionerna i 800V-systemet.
I den här artikeln tänker jag systematiskt visa läsarna ett relativt komplett 800V-system från fem dimensioner, inklusive:
1. Vad är 800V-systemet på det nya energifordonet?
2. Varför introduceras 800V för tillfället?
3. Vilka intuitiva fördelar kan 800V-systemet ge för närvarande?
4. Vilka är svårigheterna med den nuvarande 800V-systemapplikationen?
5. Vad är den möjliga laddningslayouten i framtiden?
01.Vad är 800V-systemet på det nya energifordonet?
Högspänningssystemet inkluderar alla högspänningskomponenter på högspänningsplattformen. Följande bild visar högspänningskomponenterna för en typisknytt energi rent elfordonutrustad med en vattenkyld 400V spänningsplattformbatteripaket.
Spänningsplattformen för högspänningssystemet härleds från utspänningen från fordonets batteripaket.
Det specifika utbudet av spänningsplattformar för olika rena elektriska modeller är relaterat till antalet seriekopplade celler i varje batteripaket och typen av celler (ternär, litiumjärnfosfat, etc.).
Bland dem är antalet ternära batteripaket i serie med 100 celler cirka 400V högspänning.
400V-spänningsplattformen säger vi ofta är ett brett begrepp. Ta 400V-plattformen Jikrypton 001 som ett exempel. När det ternära batteripaketet som bärs av det går från 100 % SOC till 0 % SOC, dess spänningsändringsbredd är nära100V (ca 350V-450V). ).
3D-ritning av högspänningsbatteripaket
Under den nuvarande 400V-högspänningsplattformen arbetar alla delar och komponenter i högspänningssystemet under 400V-spänningsnivån, och parameterdesign, utveckling och verifiering utförs enligt 400V-spänningsnivån.
För att uppnå ett fullt 800V högspänningsplattformssystem behöver först och främst, vad gäller batteripaketspänning, ett 800V batteripaket användas, motsvarande ca 200ternärt litiumbattericeller i serie.
Följt av motorer, luftkonditioneringsapparater, laddare, DCDC-stöd 800V och relaterade ledningsnät, högspänningskontakter och andra delar på alla högspänningskretsar är designade, utvecklade och verifierade i enlighet med 800V-kraven.
I utvecklingen av 800V-plattformsarkitekturen, för att vara kompatibel med 500V/750V snabbladdningshögarna på marknaden, kommer 800V rena elfordon att utrustas med 400V till 800V boost DCDC-modulerpå länge.
Dess funktion är attbestämma i tid om du vill aktivera boostmodulen för att ladda 800V-batteripaketet enligt den faktiska spänningskapaciteten hosladdningshög .
Beroende på kombinationen av kostnadsprestanda finns det ungefär två typer:
Den ena är den fullständiga 800V-plattformsarkitekturen.
Alla delar av fordonet i denna arkitektur är designade för 800V.
Full 800V högspänningssystemarkitektur
Den andra kategorin är den kostnadseffektiva delen av 800V-plattformsarkitekturen.
Behåll några 400V-komponenter: Eftersom kostnaden för nuvarande 800V strömbrytare är flera gånger högre än 400V IGBT, för att balansera kostnaden för hela fordonet och driveffektiviteten, är OEM-tillverkare motiverade att använda 800V komponenter(som motorer)påBehåll några 400V delar(t.ex. elektrisk luftkonditionering, DCDC).
Multiplexering av motorkraftsenheter: Eftersom det inte finns något behov av att köra under laddningsprocessen kommer kostnadskänsliga OEM-tillverkare att återanvända kraftenheterna i bakaxelns motorstyrenhet för 400V-800 boost DCDC.
Power System 800V Plattformsarkitektur
02.Varför introducerar nya energifordon 800V-system för tillfället?
Vid daglig körning av nuvarande rena elfordon förbrukas cirka 80 % av elen i drivmotorn.
Växelriktaren, eller motorstyrningen, styr elmotorn och är en av de viktigaste komponenterna i en bil.
Tre-i-ett elektriskt drivsystem
I Si IGBT-eran är effektivitetsförbättringen av 800V högspänningsplattformen liten, och applikationskraften är otillräcklig.
Effektivitetsförlusten för drivmotorsystemet består huvudsakligen av motorkroppsförlusten och inverterförlusten:
Den första delen av förlusten - förlusten av motorkroppen:
- Kopparförlust – värmeförlust påmotorstatorlindning(koppartråd);
- Järnförlust I system där motorn använder magnetisk kraft, värmeförlusten(Joule värme)orsakas av virvelströmmar som genereras i järnet(eller aluminium)del av motorn på grund av förändringar i den magnetiska kraften;
- Herrelösa förluster hänförs till förluster orsakade av det oregelbundna laddningsflödet;
- vindförlust.
En viss typ av 400V platttrådsmotor enligt följande har en maximal verkningsgrad på 97 %, och 400V Extreme Krypton 001 Wei Rui motorkropp sägs ha en maximal verkningsgrad på 98 %.
I 400V-steget, som har nått den högsta verkningsgraden på 97-98%, har bara användning av 800V-plattformen begränsat utrymme för att minska förlusten av själva motorn.
Del 2 Förluster: Motorväxelriktarförluster:
- ledningsförlust;
- växlingsförluster.
Följande ärHonda400V plattform IGBT motorväxelriktare effektivitet Karta[1].Mer än 95 % avde högeffektiva områdena är nära 50 %.
Från jämförelsen av den aktuella förluststatusen för de två delarna:
I den grova jämförelsen mellan motorkroppsförlusten (>2%)och motorväxelriktarens förlust(>4%), är växelriktarförlusten relativt stor.
Därför är bilens räckvidd mer relaterad till effektiviteten hos drivmotorns huvudväxelriktare.
Innan den tredje generationens krafthalvledare SiC MOSFET förfaller, använder kraftkomponenterna i nya energifordon, såsom drivmotorn, Si IGBT som växelriktarens omkopplingsenhet, och stödspänningsnivån är huvudsakligen cirka 650V. Elnät, ellok och andra icke förbrukningstillfällen.
Ur en genomförbarhetssynpunkt kan ett nytt energipassagerarfordon teoretiskt använda en IGBT med en motståndsspänning på 1200V som strömbrytare för en 800V motorstyrenhet, och ett 800V-system kommer att utvecklas under IGBT-eran.
Ur kostnadsperspektivet har 800V-spänningsplattformen begränsad förbättring av motorkroppens effektivitet. Den kontinuerliga användningen av 1200V IGBT förbättrar inte effektiviteten hos motoromriktaren, som står för majoriteten av förlusterna. Istället medför det en rad utvecklingskostnader. De flesta bilföretag har ingen kraftapplikation under IGBT-eran. 800V plattform.
Under SiC MOSFETs era började prestandan hos 800V-system att förbättras på grund av födelsen av nyckelkomponenter.
Efter tillkomsten av tredje generationens halvledarmaterial kiselkarbidkraftenheter har den fått stor uppmärksamhet på grund av dess utmärkta egenskaper [2].Den kombinerar fördelarna med högfrekventa Si MOSFET:er och högspännings Si IGBT:er:
- Hög driftfrekvens – upp till MHz-nivå, högre moduleringsfrihet
- Bra spänningsresistans – upp till 3000 kV, breda tillämpningsscenarier
- Bra temperaturbeständighet – kan köras stabilt vid en hög temperatur på 200 ℃
- Liten integrerad storlek – högre driftstemperatur minskar kylflänsens storlek och vikt
- Hög driftseffektivitet – Användning av SiC-kraftenheter ökar effektiviteten hos kraftkomponenter som motorväxelriktare på grund av minskade förluster.Ta denSmartGenie som ett exempel nedan. Under samma spänningsplattform och i princip samma vägmotstånd(nästan ingen skillnad i vikt/form/däckbredd),alla är Virui-motorer. Jämfört med IGBT-växelriktare är den totala effektiviteten för SiC-växelriktare förbättrad med cirka 3 %.Obs: Den faktiska förbättringen av växelriktarens effektivitet är också relaterad till maskinvarudesignkapaciteten och mjukvaruutvecklingen hos varje företag.
Tidiga SiC-produkter begränsades av SiC-wafertillväxtprocessen och chipbearbetningsförmågan, och den strömförande kapaciteten med en chip hos SiC MOSFET: er var mycket lägre än Si IGBT:er.
År 2016 tillkännagav ett forskarlag i Japan den framgångsrika utvecklingen av en växelriktare med hög effekttäthet som använder SiC-enheter och publicerade senare resultaten i (Electrical and Electronic Engineering Transactions of the Institute of Electrical Engineers of Japan)IEEJ[3].Växelriktaren hade en maximal effekt på 35kW vid den tiden.
År 2021, med teknikens framsteg år för år, har den nuvarande bärförmågan för masstillverkade SiC MOSFETs med en motståndsspänning på 1200V förbättrats, och produkter som kan anpassa sig till effekter på mer än 200kW har setts.
I detta skede har denna teknik börjat tillämpas i riktiga fordon.
Å ena sidan tenderar prestanda hos kraftelektroniska kraftenheter att vara idealiska.SiC-kraftenheter har högre effektivitet än IGBT:er och kan matcha spänningsmotståndsförmågan(1200V) av800V-plattformen, och har utvecklats till en effektkapacitet på mer än 200kW under de senaste åren;
Å andra sidan kan 800V högspänningsplattformens vinster ses.Fördubblingen av spänningen ger den övre gränsen för laddningseffekten för hela fordonet högre, kopparförlusten i systemet är lägre och motorväxelriktarens effekttäthet är högre(karakteristiskt är att vridmomentet och effekten för samma storlek motor är högre);
Det tredje är att öka involutionen på den nya energimarknaden.Strävan efter hög räckvidd och snabbare energipåfyllning på konsumentsidan är företagssidan angelägna om att göra skillnaden i drivlinans skillnad på den nya energimarknaden;
Ovanstående faktorer har äntligen lett till storskalig utforskning och tillämpning av nya energi 800V högspänningsplattformar under de senaste två åren.För närvarande listade 800V-plattformsmodeller inkluderar Xiaopeng G9,PorscheTaycanoch så vidare.
Dessutom SAIC, Krypton,Lotus, Idealisk,Tianji biloch andra bilföretag har också relaterade 800V-modeller redo att introduceras på marknaden.
03.Vilka intuitiva fördelar kan 800V-systemet ge för närvarande?
800V-systemet kan teoretiskt lista många fördelar. Jag tror att de mest intuitiva fördelarna för nuvarande konsumenter främst är följande två.
För det första är batteritiden längre och mer stabil, vilket är den mest intuitiva fördelen.
Vid en strömförbrukningsnivå på 100 kilometer under CLTC-driftförhållanden, fördelarna med 800V-systemet(bilden nedan visar jämförelsen mellan Xiaopeng G9 ochBMWiX3, G9 är tyngre, kroppen är bredare ochdäckär bredare, vilket alla är ogynnsamma faktorer för strömförbrukning), konservativa uppskattningar Det finns en ökning på 5 %.
Vid höga hastigheter sägs energiförbrukningsförbättringen för 800V-systemet vara mer uttalad.
Under lanseringen av Xiaopeng G9 vägledde tillverkarna medvetet media att utföra höghastighetstester för batterilivslängden. Många medier rapporterade att 800V Xiaopeng G9 uppnådde en hög höghastighetsbatterilivslängd (höghastighetsbatterilivslängd/CLTC-batterilivslängd*100%).
Den faktiska energibesparande effekten kräver ytterligare bekräftelse från uppföljningsmarknaden.
Det andra är att ge fullt spel åt kapaciteten hos befintliga laddningshögar.
400V plattformsmodeller, när de står inför 120kW, 180kW laddningshögar, är laddningshastigheten nästan densamma. (Testdatan kommer från Chedi)DC-boostmodulen som används av 800V-plattformsmodellen kan direkt ladda den befintliga lågspänningsladdningshögen(200kW/750V/250A)som inte begränsas av näteffekten till full effekt på 750V/250A.
Obs: Den faktiska fullspänningen för Xpeng G9 är under 800V på grund av tekniska överväganden.
Med exempelhögen som exempel, laddningskraften för Xiaopeng G9 (800V-plattform)med samma 100-graders batteripaketär nästan 2 gångerden för JK 001(400V plattform).
04.Vilka är svårigheterna i den nuvarande 800V-systemapplikationen?
Den största svårigheten med 800V-applikation är fortfarande oskiljaktig från kostnaden.
Denna kostnad är uppdelad i två delar: komponentkostnad och utvecklingskostnad.
Låt oss börja med kostnaden för delar.
Högspänningsenheter är dyra och används i stora mängder.Utformningen av den övergripande 1200-spännings högspänningsenheten med full 800V-arkitektur använder mer än30 och minst 12SiC för modeller med dubbla motorer.
Från och med september 2021 är försäljningspriset för 100-A diskreta SiC MOSFETs (650 V och 1 200 V) nästan 3 gångerpriset på en likvärdig Si IGBT.[4]
Den 11 oktober 2022 fick jag veta att prisskillnaden mellan två Infineon IGBT och SiC MOSFET med liknande prestandaspecifikationer är cirka 2,5 gånger.(Datakälla Infineons officiella webbplats 11 oktober 2022)
Baserat på ovanstående två datakällor kan det i grunden anses att den nuvarande marknadens SiC är cirka 3 gånger prisskillnaden för IGBT.
Den andra är utvecklingskostnaden.
Eftersom de flesta av de 800V-relaterade delarna behöver designas om och verifieras, är testvolymen större än för små iterativa produkter.
En del av testutrustningen under 400V-eran kommer inte att vara lämplig för 800V-produkter, och ny testutrustning måste köpas in.
Den första delen av OEM-tillverkare som använder 800V nya produkter behöver vanligtvis dela mer experimentella utvecklingskostnader med komponentleverantörer.
I detta skede kommer OEM-tillverkare att välja 800V-produkter från etablerade leverantörer för försiktighetens skull, och utvecklingskostnaderna för etablerade leverantörer blir relativt sett högre.
Enligt uppskattningen av en bilingenjör av en OEM 2021 kommer kostnaden för ett rent elfordon på 400kW-nivå med en full 800V-arkitektur och ett dubbelmotorigt 400kW-system att öka från 400V till 800V, och kostnaden kommer att öka med ca10 000-20 000 yuan.
Den tredje är 800V-systemets lågkostnadsprestanda.
Ta en ren elkund som använder en laddningshög för hemmet som exempel, med en laddningskostnad på 0,5 yuan/kWh och en strömförbrukning på 20 kWh/100 km (typisk strömförbrukning för höghastighetskryssning av medelstora och stora EV-modeller), kan den nuvarande stigande kostnaden för 800V-systemet användas av kunden i 10-200 000 kilometer.
Energikostnaden som sparas av effektivitetsförbättringen i fordonets livscykel (baserat på effektivitetsförbättringen av högspänningsplattformen och SiC, uppskattar författaren grovt sett effektivitetsvinsten på 3-5%)kan inte täcka ökningen av fordonspriserna.
Det finns också en marknadsbegränsning för 800V-modeller.
Fördelarna med 800V-plattformen när det gäller ekonomi är inte uppenbara, så den är lämplig för högpresterande B+/C-klassmodeller som har den ultimata jakten på fordonsprestanda och är relativt okänsliga för kostnaden för ett enskilt fordon.
Denna typ av fordon har en relativt liten marknadsandel.
Enligt uppdelningen av uppgifterna från Passenger Federation, från januari till augusti 2022, enligt prisklassanalysen av nya energifordon i Kina, stod försäljningsvolymen på 200 000-300 000 för 22%, stod försäljningen av 300 000 till 400 000 för16 %, och försäljningen av mer än 400 000 stod för4 %.
Med priset på 300 000 fordon som gräns kan 800V-modeller stå för cirka 20% av marknadsandelen under den period då kostnaden för 800V-komponenter inte sänks avsevärt..
För det fjärde är leveranskedjan för 800V delar omogen.
800V-systemapplikationen kräver omutveckling av de ursprungliga högspänningskretsdelarna.Högspänningsplattformsbatterier, elektriska enheter, laddare, termiska ledningssystem och delar, de flesta av Tire1 och Tire2 är fortfarande i utvecklingsstadiet och har ingen erfarenhet av massproduktionstillämpningar. Det finns få leverantörer för OEM, och relativt mogna produkter är benägna att dyka upp på grund av oväntade faktorer. produktivitetsfrågor.
För det femte är 800V eftermarknaden undervaliderad.
800V-systemet använder många nyutvecklade produkter (motorväxelriktare, motorkropp, batteri, laddare + DCDC, högspänningskontakt, högspänningsluftkonditionering, etc.), och det är nödvändigt att verifiera spelet, krypavståndet, isoleringen, EMC, värmeavledning, etc.
För närvarande är produktutvecklings- och verifieringscykeln på den inhemska nya energimarknaden kort (vanligtvis är utvecklingscykeln för nya projekt i gamla samriskföretag 5-6 år, och den nuvarande utvecklingscykeln på den inhemska marknaden är mindre än 3 år ).Samtidigt är den faktiska fordonsmarknadsinspektionstiden för 800V-produkter otillräcklig, och sannolikheten för efterföljande efterförsäljning är relativt hög. .
För det sjätte är det praktiska tillämpningsvärdet för 800V-systemets snabbladdning inte högt.
När bilföretag marknadsför 250kW,480kW (800V)högeffekts supersnabb laddning, de brukar publicera antalet städer där laddningshögarna läggs i syfte att vägleda konsumenterna att tro att de kan njuta av denna upplevelse när som helst efter att ha köpt en bil, men verkligheten är inte så bra.
Det finns tre huvudsakliga begränsningar:
Xiaopeng G9 800V högspänningsbroschyr för snabbladdning
(1) 800V laddningshögar kommer att läggas till.
För närvarande stödjer de vanligare DC-laddningshögarna på marknaden en maximal spänning på 500V/750V och en begränsad ström på 250A, vilket inte kan ge fullt spel tillsnabbladdningsförmågan hos ett 800V-system(300-400kW).
(2) Det finns begränsningar för den maximala effekten för 800V överladdade pålar.
Tar Xiaopeng S4 kompressor (vätskekylning med högt tryck)som ett exempel är den maximala laddningskapaciteten 480kW/670A.På grund av begränsningen av elnätets kapacitet, stöder demonstrationsstationen endast laddning av ett fordon, som kan utöva den högsta laddningseffekten av 800V-modeller. Under rusningstid kommer samtidig laddning av flera fordon att orsaka strömavledning.
Enligt exemplet med strömförsörjningspersonal: skolor med mer än 3 000 elever i det östra kustområdet ansöker om en kapacitet på 600 kVA, vilket kan stödja en 480 kW 800 V överladdad hög baserat på en uppskattning av 80 % effektivitet.
(3) Investeringskostnaden för 800V överladdade pålar är hög.
Det handlar om transformatorer, pålar, energilagring etc. Den faktiska kostnaden bedöms vara större än växelstationens och möjligheten till storskalig utbyggnad är låg.
800V överladdning är bara grädden på moset, så vilken typ av laddningsanläggning kan förbättra laddningsupplevelsen?
2022 Höghastighetsladdningsfält för semester
05.Fantasi om utformningen av laddanläggningar i framtiden
För närvarande, i hela den inhemska infrastrukturen för laddpålar, förhållandet mellan fordon och hög (inklusive offentliga pålar + privata pålar)ligger fortfarande på nivån ca 3:1(baserat på 2021 års data).
Med den ökade försäljningen av nya energifordon och avlastningen av konsumenternas oro över avgifter är det nödvändigt att öka förhållandet mellan fordon och hög. Olika specifikationer av snabbladdningshögar och långsamladdningshögar kan rimligen ordnas i destinationsscenarier och snabbladdningsscenarier, för att förbättra laddningsupplevelsen. För att förbättra, och kan verkligen balansera nätet lasten.
Den första är destinationsladdning, laddar utan extra väntetid:
(1) Parkeringsplatser för bostäder: Ett stort antal delade och ordnade långsamma laddningshögar inom 7 kW byggs, och oljefordon prioriteras att parkera icke-nya energiparkeringsplatser, som kan möta invånarnas behov, och utläggningskostnaden är relativt låg, och den ordnade styrmetoden kan också undvika att överskrida det regionala elnätet. kapacitet.
(2) Köpcentrum/natursköna platser/industriparker/kontorsbyggnader/hotell och andra parkeringsplatser: 20kW snabbladdning kompletteras och ett stort antal 7kW långsamladdning byggs.Utvecklingssidan: låg kostnad för långsam laddning och ingen expansionskostnad; konsumentsidan: undvik att ta plats/flytta bilar efter att snabbladdningen är fulladdad på kort tid.
Det andra är snabb energipåfyllning, hur man sparar den totala energiförbrukningstiden:
(1) Expressway-serviceområde: bibehåll det nuvarande antalet snabbladdningar, begränsa laddningens övre gräns strikt (som 90%-85% av toppen) och säkerställ laddningshastigheten för långväga fordon.
(2) Bensinstationer nära motorvägsinfarten i större städer/städer: konfigurera snabbladdning med hög effekt och strikt begränsa den övre laddningsgränsen (som 90%-85% vid topp), som ett komplement till området för höghastighetstjänster, nära den långväga körningen av nya energianvändares efterfrågan, samtidigt som den utstrålar stads/stads markavgiftsbehov.Obs: Vanligtvis är markbensinstationen utrustad med en 250kVA elektrisk kapacitet, som ungefär kan stödja två 100kW snabbladdningshögar samtidigt.
(3) Stadsbensinstation/friluftsparkering: konfigurera snabbladdning med hög effekt för att begränsa den övre laddningsgränsen.För närvarande använder PetroChina snabbladdnings-/utbytesanläggningar i det nya energiområdet, och det förväntas att fler och fler bensinstationer kommer att utrustas med snabbladdningshögar i framtiden.
Obs: Det geografiska läget för själva bensinstationen/friluftsparkeringen ligger nära vägkanten och byggnadsfunktionerna är mer uppenbara, vilket är bekvämt för att ta betalt av kunder för att snabbt hitta högen och snabbt lämna platsen.
06.Skriv i slutet
För närvarande står 800V-systemet fortfarande inför många svårigheter vad gäller kostnader, teknik och infrastruktur. Dessa svårigheter är det enda sättet för innovation och utveckling av ny energifordonsteknik och industriell iteration. etapp.
Kinesiska bilföretag, med sina snabba och effektiva tekniska tillämpningsmöjligheter, kan kanske realisera ett stort antal snabba tillämpningar av 800V-system och ta ledningen i att leda trenden av teknik inom området för nya energifordon.
Kinesiska konsumenter kommer också att vara de första att njuta av den högkvalitativa fordonsupplevelsen som tekniska framsteg åstadkommer.Det är inte längre som i bränslefordonens tidevarv, när inhemska konsumenter köper gamla modeller från multinationella bilföretag, gammal teknik eller teknikkastrerade produkter.
Referenser:
[1] Honda Technology Research: Utveckling av motor och PCU för ett SPORT HYBRID i-MMD-system
[2] Han Fen, Zhang Yanxiao, Shi Hao. Tillämpning av SiC MOSFET i Boost-krets [J]. Industrial Instrumentation and Automation Device, 2021(000-006).
[3] Koji Yamaguchi, Kenshiro Katsura, Tatsuro Yamada, Yukihiko Sato. SiC-baserad växelriktare med hög effektdensitet med en effekttäthet på 70 kW/liter eller 50 kW/kg[J]. IEEJ Journal of Industry Applications
[4] PGC Consultancy Artikel: Inventering av SiC, del 1: en översyn av SiC kostnadskonkurrenskraft och en färdplan för att sänka kostnaderna
Posttid: 2022-okt-21