Модернизация до высоковольтной платформы 800 В требует корректировки трехэлектрической системы для удовлетворения требований надежности по выдерживаемому напряжению и изоляции, вызванных увеличением электрического напряжения.
Стоимость аккумуляторной батареи BMS на 800 В примерно на 1/3 выше, чем на 400 В. С точки зрения стоимости, аккумуляторная батарея на 800 В требует в два раза больше ячеек последовательно, что требует вдвое больше каналов измерения напряжения системы управления батареями (BMS). По расчетам Имана Агабали и др., общая стоимость BMS аккумуляторной батареи на 400 В составляет около 602 долларов США, а аккумуляторной батареи на 800 В — 818 долларов США, что означает, что стоимость аккумуляторной батареи на 800 В примерно на 1/3 выше, чем у аккумуляторной батареи на 800 В. это аккумуляторная батарея на 400 В. Увеличение напряжения предъявляет повышенные требования к надежности аккумуляторной батареи. Анализ аккумуляторных блоков показал, что блок с конфигурацией 4p5s может надежно выполнять около 1000 циклов при 25°C, тогда как блок с конфигурацией 2p10s (напряжение в два раза выше, чем у 4p5s) может обеспечить только 800 циклов. Увеличение напряжения снизит надежность аккумуляторной батареи главным образом потому, что сокращается срок службы одной ячейки (после увеличения мощности зарядки скорость зарядки аккумуляторной ячейки будет увеличена с 1C до ≥3C, а высокая скорость зарядки приведет к потере активных материалов, влияя на емкость и срок службы батареи). В аккумуляторных блоках более низкого напряжения больше ячеек соединены параллельно для большей надежности.
Платформа высокого напряжения 800 В имеет меньший диаметр жгута проводов, что снижает стоимость и вес. Площадь поперечного сечения кабелей постоянного тока, передающих мощность между аккумуляторной батареей 800 В и тяговым инвертором, портами быстрой зарядки и другими высоковольтными системами, может быть уменьшена, что снижает стоимость и вес. Например, в Tesla Model 3 между аккумулятором и портом быстрой зарядки используется медный провод 3/0 AWG. Для системы с напряжением 800 В уменьшение площади кабеля вдвое до сечения кабеля 1 AWG потребует на 0,76 кг меньше меди на метр кабеля, что сэкономит десятки долларов затрат. Таким образом, системы на 400 В имеют более низкую стоимость BMS, немного более высокую плотность энергии и надежность благодаря меньшим путям утечки и меньшим требованиям к электрическому зазору вокруг шины и печатной платы. С другой стороны, система на 800 В имеет меньшие силовые кабели и более высокую скорость быстрой зарядки. Кроме того, переход на аккумуляторные батареи на 800 В также может повысить эффективность трансмиссии, особенно тягового инвертора. Такое повышение эффективности может уменьшить размер аккумуляторной батареи. Экономия средств в этой области и на кабелях может компенсировать покупку батареи на 800 В. Пакет дополнительных расходов BMS. В будущем, благодаря крупномасштабному производству компонентов и сбалансированному балансу затрат и выгод, все больше и больше электромобилей будут использовать шинную архитектуру 800 В.
2.2.2 Мощный аккумулятор: сверхбыстрая зарядка станет тенденцией
Являясь основным источником энергии в транспортных средствах на новой энергии, аккумуляторная батарея PACK обеспечивает мощность движения автомобиля. Он в основном состоит из пяти частей: модуль силовой батареи, структурная система, электрическая система, система управления температурным режимом и BMS:
1) Модуль силовой аккумуляторной батареи является «сердцем» аккумуляторной батареи и предназначен для хранения и высвобождения энергии;
2) Систему механизма можно рассматривать как «скелет» аккумуляторной батареи, который в основном состоит из верхней крышки аккумуляторной батареи, лотка и различных кронштейнов, которые играют роль опоры, устойчивы к механическим ударам, водонепроницаемы и пыленепроницаемы;
3) Электрическая система в основном состоит из жгута проводов высокого напряжения, жгута проводов низкого напряжения и реле, среди которых жгут проводов высокого напряжения передает мощность на различные компоненты, а жгут проводов низкого напряжения передает сигналы обнаружения и сигналы управления. ;
4) Систему управления температурным режимом можно разделить на четыре типа: с воздушным охлаждением, с водяным охлаждением, с жидкостным охлаждением и с фазовыми переходами. Аккумулятор выделяет много тепла во время зарядки и разрядки, и это тепло рассеивается через систему управления температурным режимом, поэтому аккумулятор можно поддерживать в пределах разумной рабочей температуры. Безопасность батареи и увеличенный срок службы;
5) BMS в основном состоит из двух частей: CMU и BMU. CMU (Cell Monitor Unit) — это единый блок мониторинга, который измеряет такие параметры, как напряжение, ток и температура батареи, и передает данные в BMU (Battery Management Unit, блок управления батареями), если данные оценки BMU является ненормальным, он выдаст запрос о низком заряде батареи или прервет пути зарядки и разрядки, чтобы защитить батарею. автомобильный контроллер.
По данным Промышленного научно-исследовательского института Цяньчжань, с точки зрения разделения затрат, 50% стоимости электроэнергии транспортных средств на новой энергии приходится на аккумуляторные элементы, на силовую электронику и блок управления приходится около 20%, а на BMS и системы управления температурным режимом. составляют 10%. В 2020 году установленная мощность глобальных аккумуляторов PACK составит 136,3 ГВтч, что на 18,3% больше, чем в 2019 году. Объем мирового рынка аккумуляторов PACK быстро вырос с примерно 3,98 млрд долларов США в 2011 году до 38,6 млрд долларов США в 2017 году. Размер рынка PACK достигнет 186,3 млрд долларов США, а среднегодовой темп роста с 2011 по 2023 год составит около 37,8%, что указывает на огромное рыночное пространство. В 2019 году объем рынка аккумуляторных батарей в Китае составил 52,248 млрд юаней, а установленная мощность увеличилась с 78 500 комплектов в 2012 году до 1 241 900 комплектов в 2019 году, при этом среднегодовой темп роста составил 73,7%. В 2020 году общая установленная мощность аккумуляторных батарей в Китае составит 64 ГВтч, что на 2,9% больше, чем в прошлом году. Технические барьеры на пути быстрой зарядки аккумуляторов высоки, а ограничения сложны. Согласно исследованию «Быстрая зарядка литий-ионных батарей: обзор», факторы, влияющие на быструю зарядку литий-ионных батарей, исходят из разных уровней, таких как атомы, нанометры, элементы, аккумуляторные блоки и системы, и каждый уровень содержит множество потенциальных ограничений. Согласно литиевой батарее Gaogong, высокоскоростная установка лития и управление температурой отрицательного электрода являются двумя ключами к возможности быстрой зарядки. 1) Способность высокоскоростной интеркаляции лития отрицательного электрода позволяет избежать осаждения лития и образования литиевых дендритов, тем самым избегая необратимого снижения емкости аккумулятора и сокращения срока службы. 2) Аккумулятор будет выделять много тепла, если он быстро нагревается, и его легко закоротить и загореться. В то же время электролиту также необходима высокая проводимость, он не вступает в реакцию с положительными и отрицательными электродами, может противостоять высоким температурам, огнестойкости и предотвращать перезарядку.
Очевидные преимущества высокого давления
Электропривод и электронная система управления: автомобили на новой энергии способствуют золотому десятилетию карбида кремния. Системы, использующие SiC-приложения в новой архитектуре систем энергетических транспортных средств, в основном включают в себя электроприводы, бортовые зарядные устройства (OBC)/внешние зарядные батареи и системы преобразования энергии (бортовые системы постоянного/постоянного тока). Устройства SiC имеют большие преимущества в применениях в транспортных средствах на новых источниках энергии. IGBT является биполярным устройством, и при его выключении возникает хвостовой ток, поэтому потери на выключение велики. MOSFET является униполярным устройством, в нем нет хвостового тока, сопротивление включения и потери переключения SiC MOSFET значительно уменьшены, а все силовое устройство имеет высокую температуру, высокую эффективность и высокочастотные характеристики, что может повысить эффективность преобразования энергии.
Привод двигателя. Преимущество использования устройств SiC в приводе двигателя заключается в повышении эффективности контроллера, увеличении удельной мощности и частоты переключения, уменьшении потерь при переключении и упрощении системы охлаждения контура, тем самым снижая стоимость, размер и улучшая удельную мощность. Контроллер SiC от Toyota уменьшает размер контроллера электропривода на 80%.
Преобразование энергии: роль встроенного преобразователя постоянного тока в постоянный заключается в преобразовании постоянного тока высокого напряжения, выдаваемого силовой батареей, в постоянный ток низкого напряжения, тем самым обеспечивая различное напряжение для различных систем, таких как силовая установка, система отопления, вентиляции и кондиционирования, оконные системы. лифты, внутреннее и наружное освещение, информационно-развлекательная система и некоторые датчики. Использование устройств SiC снижает потери при преобразовании мощности и позволяет миниатюризировать компоненты рассеивания тепла, что приводит к уменьшению размеров трансформаторов. Зарядный модуль: В бортовых зарядных устройствах и зарядных блоках используются устройства SiC, которые могут использовать преимущества своей высокой частоты, высокой температуры и высокого напряжения. Использование SiC MOSFET может значительно увеличить плотность мощности встроенных и внешних зарядных устройств, снизить потери на переключение и улучшить управление температурным режимом. По данным Wolfspeed, использование SiC MOSFET в зарядных устройствах автомобильных аккумуляторов снизит стоимость спецификации на системном уровне на 15%; при той же скорости зарядки, что и в системе 400 В, SiC может удвоить зарядную емкость кремниевых материалов.
Tesla возглавляет отраслевую тенденцию и первой использует SiC в инверторах. В главном инверторе электропривода Tesla Model 3 используется полностью SiC-силовой модуль STMicroelectronics, включая SiC MOSFET на 650 В, а его подложка предоставлена Cree. В настоящее время Tesla использует только материалы SiC в инверторах, а SiC может использоваться в бортовых зарядных устройствах (OBC), зарядных устройствах и т. д. в будущем.
Английский
