800V架構(gòu)電動(dòng)汽車極速充電設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)

樓佳烽

（上萬(wàn)清源智動(dòng)車有限公司（萬(wàn)向集團(tuán)），浙江 杭州 310016）

電動(dòng)汽車（EV）被視為傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)（ICE）汽車未來(lái)重要的發(fā)展方向，為了使EV具備更好的競(jìng)爭(zhēng)力，OEM廠家不斷進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化以此解決EV用戶對(duì)于續(xù)航里程以及充電焦慮的出行痛點(diǎn)，并推出更高動(dòng)力性能以及更具成本優(yōu)勢(shì)的EV產(chǎn)品。

為了克服純電動(dòng)汽車（BEV）的續(xù)航里程焦慮，增加BEV的市場(chǎng)滲透率，一種有效的可能途徑是通過(guò)提升充電功率來(lái)加快充電時(shí)間，比如將目前普遍120kW最大充電功率增加至400kW實(shí)現(xiàn)極速快充（Extreme fast charging，XFC）［1］。其對(duì)比見表1。

表1 BEV現(xiàn)狀與BEV XFC對(duì)比

然而，充電速率的大幅提高將會(huì)給動(dòng)力電池、電氣架構(gòu)設(shè)計(jì)以及充電基礎(chǔ)設(shè)計(jì)帶來(lái)一些技術(shù)問題。

1 車輛實(shí)現(xiàn)XFC的電氣架構(gòu)

電動(dòng)汽車實(shí)現(xiàn)XFC需要在技術(shù)可行性以及商業(yè)行為之間進(jìn)行權(quán)衡，并實(shí)施創(chuàng)新的電力電子架構(gòu)，以下為幾種主要的方案［2-3］。

1）目前主流的面向輕型乘用車市場(chǎng)的電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)電壓等級(jí)為400V，由于充電基礎(chǔ)設(shè)施和車輛之間的高壓連接組件（如充電插頭、插座、電纜等）受電流的物理限制，提升車輛充電功率的一種有效方式是提高電池電壓（如800V）。如圖1所示，采用現(xiàn)有的BEV架構(gòu)，將動(dòng)力電池以及各高壓組件升級(jí)支持800V系統(tǒng)。

圖1 800V電池&800V動(dòng)力系統(tǒng)

2）考慮電動(dòng)汽車XFC規(guī)模經(jīng)濟(jì)以及成本因素，為了更靈活地利用現(xiàn)有的400V電壓等級(jí)下的零部件平臺(tái)以及充電基礎(chǔ)設(shè)施，在車輛充電接口與動(dòng)力電池之間或動(dòng)力電池與高壓組件之間增加DCDC組件，如圖2、圖3所示。

圖2 800V電池&400V動(dòng)力系統(tǒng)

圖3 400V電池&400V動(dòng)力系統(tǒng)

以上兩種方案需要配置額外的DCDC裝置，對(duì)車輛布置空間、輕量化以及成本約束造成挑戰(zhàn)。另外，對(duì)于圖2方案，增加DCDC裝置將影響車輛系統(tǒng)轉(zhuǎn)換效率，導(dǎo)致續(xù)駛里程的降低。

3）通過(guò)電池的串/并聯(lián)分配，靈活設(shè)計(jì)可配置的動(dòng)力電池系統(tǒng)，串聯(lián)時(shí)提供800V充電電壓，并聯(lián)時(shí)提供400V的電壓驅(qū)動(dòng)，如圖4所示。該方案需要較復(fù)雜的電池管理系統(tǒng)以及額外的控制電路，并且需要解決并聯(lián)電池組之間SOC不平衡現(xiàn)象。

圖4 2x400V電池&800V動(dòng)力系統(tǒng)

2 電壓等級(jí)對(duì)高壓組件的設(shè)計(jì)影響

為了實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車XFC目標(biāo)，隨著車輛電氣架構(gòu)變革，將要求使用800V或甚至更高電壓的電力電子硬件，這將對(duì)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、電力電子組件設(shè)計(jì)帶來(lái)挑戰(zhàn)。

1）電動(dòng)汽車標(biāo)準(zhǔn)

相比較目前400V（乘用車）以及650V（商用車）電壓等級(jí)的電動(dòng)汽車，如果將電壓提升至800V或1000V以上，并實(shí)現(xiàn)大功率充電，則對(duì)操作安全性的要求也將隨之提高，相應(yīng)電動(dòng)汽車相關(guān)法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)需要重新修訂或完善，包括電氣安全、充電規(guī)格等。

2）動(dòng)力電池

對(duì)于電池高C速率充電，電池壽命以及熱管理系統(tǒng)均有影響［4］；另外，更高的系統(tǒng)電壓意味著動(dòng)力電池PACK串聯(lián)更多單體電池，這將增加額外的監(jiān)控通道［5-6］，且為了滿足大電流充電時(shí)的冷卻需求，需要擴(kuò)大車載熱管理系統(tǒng)功率或者與充電基礎(chǔ)設(shè)施關(guān)聯(lián)協(xié)作設(shè)計(jì)冷卻系統(tǒng)。

3）電力電子部件

目前，1000V以上功率電力電子部件供應(yīng)商成熟產(chǎn)品以及應(yīng)用實(shí)踐有限，在很大程度上，開關(guān)器件的耐壓等級(jí)限制了電池的開路電壓，為此汽車制造商將承擔(dān)額外的開發(fā)工作和成本。

另外，更高的電池額定電壓將影響所有電力電子部件的電氣隔離水平，須考慮電氣間隙和爬電距離要求［7］。對(duì)于功率電子組件，較高的電壓會(huì)降低開關(guān)的傳導(dǎo)損耗，但較高的電壓可能會(huì)導(dǎo)致整個(gè)工作區(qū)域內(nèi)更高的開關(guān)損耗，因此功率組件需要選擇合適的開關(guān)類型、開關(guān)頻率。類似地，對(duì)于電機(jī)而言，電壓等級(jí)的增加會(huì)增加電壓梯度d v/d t，而電壓梯度的增加將導(dǎo)致更高的電磁輻射以及影響電機(jī)局部放電電壓［8］，電機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)將需要改變，以適應(yīng)系統(tǒng)高電壓。

4）電纜連接

系統(tǒng)中較高的電壓有利于不同電氣組件之間的連接，800V系與400V系統(tǒng)相比，在相同功率水平下所需的電流減少了一半。系統(tǒng)電流降低減小了電池以及電氣連接的熱損失，導(dǎo)線截面積的減小使銅材成本降低并易于布線。

然而，為了實(shí)現(xiàn)XFC，充電功率超過(guò)200kW通常需要液冷式充電電纜，但目前還沒有關(guān)于如何將液冷電纜納入電氣規(guī)范的既定協(xié)議。另外，液冷式充電電纜連接過(guò)于笨重，將給客戶使用帶來(lái)麻煩。針對(duì)此問題，實(shí)現(xiàn)XFC的充電連接的其他選擇可能是使用機(jī)器人或無(wú)線充電［5］。

5）DC-Link

EV復(fù)雜的高壓系統(tǒng)架構(gòu)顯示出與低壓直流電網(wǎng)相似的架構(gòu)特性［9］。800V車輛的DC充電可能發(fā)生在標(biāo)稱電壓為400V和800V的充電站上，充電功能的多樣性挑戰(zhàn)了車輛高壓系統(tǒng)在不同充電條件下的魯棒性［10］。

6）充電設(shè)施

未來(lái)的充電基礎(chǔ)設(shè)施將需要在電壓和電流方面比現(xiàn)有充電設(shè)備更加靈活，以同時(shí)滿足新舊車輛互操作性的需求。

3 總結(jié)

在車輛開發(fā)過(guò)程中，小型緊湊型汽車電量較少，實(shí)現(xiàn)800V快速充電意義甚微，現(xiàn)有充電功率（50～120kW）已滿足基本適用。對(duì)于需要更高動(dòng)力以及更快充電的車輛類型，則800V系統(tǒng)解決方案具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。對(duì)于電動(dòng)汽車800V系統(tǒng)，則需要克服一些困難，并在技術(shù)方案可行性以及商業(yè)影響之間取得平衡。