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实现800V的低成本化汽车电子解决方案

电子设计 来源:与非网 作者:朱玉龙 2021-05-06 08:29 次阅读
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800V 三电平台,在保时捷的 Taycan 采用以后,总得来说还是处在一个很早期的阶段。目前看下来只有 PPE 的平台会继续扩大对 800V 平台的采用,而后续通用的 800V 纯电皮卡,奔驰、宝马都在这个方向上面会可能投入。而现代起亚预计在 2021 年推出的纯电轿车,从品牌和定价角度,价格不可能和前面几家做成一样,如果这个事情真做成了,确实是 800V 往平价方向去渗透的重要标志。

01起亚如何实现 800V 的低成本化

目前 800V 主要的技术优势是在充电环节,Taycan 的充电功率最高为 270 千瓦,22 分钟内充电可将从 5%增至 80%。起亚的设计目标是同时具备高续航和快充能力,续航的设计目标是 300 英里(美国 EPA 的考虑)充电按照到 80% SOC 20 分钟实现设计。从整体逻辑上来看,这也是现代起亚加入欧洲企业为主的 Ionity 350kW 快充网络的投资建设,这也代表之前现代起亚的纯电动 BEV 的专用平台是 400V/800V 兼容设计来考虑的。现代企业在这个领域要做的事情,其实国内在预研阶段,核心的关键是把 800V 系统移植到价格更低的车型上,能否控制成本最重要的工作。兼容性的平台中价格较低的电动汽车会保留 400V 的架构,而高端且价格较高的车型则会提供具备快速充电能力的 800V 系统。

实际上来说,现在充电设施标准的提升是这一轮车辆快充的直接推进器。不管是 CCS2.0、Chademo 3.0 和中国的超级,都是把电压拉上去,电流也拉上去,你怎么选择电压平台怎么去配快充是一个战略选择。电流(Tesla)和电压(Porsche),总是要上一个,否则后续高端车是完全站不住脚的。

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图 2 充电标准之间的竞争也是存在的,Chademo 3.0 和 CCS2.0 都往下一步再走

02 这个工作该如何展开?

Magna 的工程师写的一篇文章《Vehicle Design Considerations Enabling High-Performance Charging》有对于 800V 系统如何做的阐述,我们可以从快充和驱动角度来理解不同的架构。类似保时捷这样一步到位所有高压电气的部件全部切换到 800V 的平台,还有一个 DCDC 升压的部件来帮助车辆在 400V 充电,对于大部分其他车企来说,要 800V 的特性怎么设计架构就有很大的弹性。 可能并不现实,即使是 Porsche Taycan,其基于 800V 的 350kW 快充也需要在 2021 年才能提供。在此期间,可能有些 800V 的演变架构得以过渡使用,以在性能和成本之间取得一个平衡。我们具体来看看这些可能的电气架构:

1) 纯 800V 电压架构

这种架构以 Taycan 为代表,架构上只有两种电压级别的器件,800V 高压和 12V 低压。直流快充系统,是直接从充电接口进入电池系统的电气系统,直接进行充电(这个最高就是 1000V&350A 所能组合出来的效果),OBC 也是直接把交流 220V&380V 拉高到 800V 电压平台对电池包进行交流慢充。这种问题的缺点,是在小三电,包括电动压缩机、DC-DC 和 PTC 等配套高压电器,全部需要改换为 SiC 的 MOSFET 来做的部件,由于量少所以短期内这种架构的成本要高得多。从原理上来说,随着电压提高一倍,电流的大小降为一半,在同样的阻抗上,损耗是原来的 1/4,这样整体的高压传导方面可以选择更细,更轻的材料。

备注:PPE 后续可能会有 48V 的部分器件加上去,以辅助 12V 配电系统,12V 和 48V 系统在纯电动汽车上面会争夺辅助电压的平台,这个是后续变种中值得关注的事情。

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图 3 纯 800V 的系统

如下图所示,Taycan 也是这么操作的,兼容 400V 充电的升压器是这里一个临时的解决办法。

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图 4 混合架构

这种方式,按照麦格纳的工程师的说法,可以独立出来一个 400V 的接口,整个架构设计和 Taycan 是一样的。从目前的充电标准,大部分直流充电模块都可以在 400V 和 800V 两个档次根据车的需求输出,这种架构必然是内化的,不需要 2 个充电接口。

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图 5 这个架构两个输入接口不是调戏消费者

2) 两个电池 400V 进行组合使用 采用两个 400V 的电池组,通过配电盒的设计可以形成组合使用,充电时两个电池组串联形成 800V 平台;在 400V 充电或者使用时,使两者并联,切换成 400V 平台。

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图 6 这个很考验切换装置

当然这里也可以考虑,就设计一个 400V 平台的电池包,通过降压把 800V 降低到 400V,但是这种设计没有实际的可行性,将电压在高功率充电下,损耗都集中在这个降压装置上。 备注:这个有点像是 Prius 的 HEV 的 Boost 的反逻辑,设计一个高功率的功率电子器件放在车上完全不划算

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图 7 两个不太可行的方案

我觉得起亚可能做的方案,是下面这个设计考虑,800V 的电池包,充电也是 800V,电机也是 800V 级别,但 DCDC,PTC 和压缩机是 400V 平台,通过一个 800V 转 400VDC-DC 进行中转,由于功率总体在 10kW 左右,还是存在可行性的。

备注:特别是 Tesla 这样取消两个 PTC,只有一个压缩机的玩法,其实也大差不差了

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图 8 800V 和 400V 混合的方案

小结:800V 的问题,我觉得主要是在零部件拉动能力上,不管什么样的架构,最终还是零部件企业本身有尝试,才能在车企组合时候采用,目前都处在转型期,大家都没多余的资金去尝试不可行的方案,情况就是这样的情况。

编辑:hfy

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