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比亞迪首發(fā)“升流充電”,電氣架構(gòu)迎來大電流挑戰(zhàn)

Hobby觀察 ? 來源:電子發(fā)燒友網(wǎng) ? 作者:梁浩斌 ? 2024-07-22 01:24 ? 次閱讀
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電子發(fā)燒友網(wǎng)報道(文/梁浩斌)在電動汽車,我們經(jīng)??梢月牭健吧龎嚎斐洹钡母拍?,這也是大多數(shù)電動汽車提高充電速度的主要方式。今年5月,比亞迪發(fā)布的e平臺3.0 Evo中,提到了一個比較新鮮的概念——“升流充電”。那么升流充電有什么優(yōu)勢,技術(shù)難度在哪?

升流充電是升壓充電的“逆向操作”

在升壓充電推出時,電動汽車所面臨的市場環(huán)境是,2017年之前國內(nèi)公共直流充電樁中,500V充電樁的比例一度超過90%。這也意味著,如果車輛電池包的電壓高于500V,即電池包電壓大于充電樁能提供的最高電壓,那么將無法充電。

所以,要想讓電動汽車適配更多市面上的充電樁,就需要通過某種方式,將充電樁輸入的電壓提升到電池包相同或更高的水平。傳統(tǒng)的做法是在車內(nèi)增加額外用于升壓的DC-DC模塊,采用boost升壓電路進行升壓,不過額外增加的模塊,一方面增加成本,另一方面也占用車內(nèi)寶貴的空間。

有沒有更低成本的方法?在boost升壓電路中,一般是由功率開關(guān)管,比如IGBT、SiC MOSFET等,以及整流二極管、電感電容元器件構(gòu)成。恰好電機控制模塊中,其實也是由類似的元件構(gòu)成。在平時充電的時候車輛都會處于靜止狀態(tài),那么閑置的電機控制電路就可以復(fù)用作為充電時升壓使用。

比亞迪在2021年發(fā)布的e平臺3.0上,推出了復(fù)用電驅(qū)系統(tǒng)的升壓充電方案,通過控制信號的改變,除了可以實現(xiàn)boost電路的升壓之外,還能實現(xiàn)buck電路降壓,將電池包高壓降為220V,外放輸出給電器設(shè)備使用,即V2L功能。

當然,比亞迪積極推進這種技術(shù)的原因,主要是因為比亞迪是較早在電動車上使用高壓電池包的車企,早在2015年比亞迪就在唐DM上使用了712V的電池包,而當時其他電動車或混合動力車型電池電壓還停留在400V以下的水平。

后來現(xiàn)代E-GMP平臺也采用了復(fù)用電驅(qū)的升壓方案,充電時用后驅(qū)動電機系統(tǒng)進行升壓。

電驅(qū)復(fù)用升壓充電也有一些局限性,充電功率的上限,取決于電機逆變器的功率設(shè)計。比如后電機的最大功率是160kW,那么升壓充電的最大功率也會被限制在160kW。

升流充電顧名思義,提升充電功率的方式從提高電壓,改為增大電流。傳統(tǒng)的充電方法通常受限于較低的電流,這是因為大部分充電基礎(chǔ)設(shè)施,尤其是公共充電樁,設(shè)計時考慮的是普遍適用性和安全性,因而電流上限不高。

實際上,經(jīng)過最近幾年電動汽車市場的快速發(fā)展,充電樁已經(jīng)得到了多輪升級,目前根據(jù)騰勢統(tǒng)計的數(shù)據(jù),750V以上的高壓充電樁,已經(jīng)占到目前市場上公共直流樁的80%以上。另外800V平臺車型,絕大部分的電池包電壓都在700V附近,所以目前對于電動汽車來說,升壓對于提升充電功率的作用已經(jīng)沒有過去那么明顯。

對于公共充電樁而言,過去的充電樁國標中,充電槍最高輸出電流被限制在250A。當然有一些新勢力車企的自建樁可以達到更高的電流,以達到更高的充電功率,但總體來說,在公共充電樁中占比較小。

比亞迪統(tǒng)計的數(shù)據(jù)顯示,市場上的公共直流充電樁中,最大電流250A及以下的充電樁占比98%。

然而以750V的充電樁為例,在最大電流250A的情況下,最大充電功率是750V*250A,即187.5kW。如果電池包電壓小于750V,比如600V,那么對應(yīng)的最大充電功率就受限于電流,為600V*250A,即150kW,顯然沒有完全利用充電樁的功率輸出。

所以在e平臺3.0EVO上,比亞迪給出的方案是臨時搭建750V電壓平臺與充電樁對接,跑滿功率,而在輸入電池包的階段將電壓降至電池包電壓。在降壓的過程,如果電池包電壓是600V,那么電流就會變成187.5kW/600V,即312.5A。

所以通過這種方式,相比普通的充電方案,從150kW充電功率提高至充電樁峰值187.5kW,如果電池包電壓更低,那么提升的幅度將會更大。

可以看到,升流充電的方式,最大的好處是更好地適配市面上的存量充電樁,即在任何750V充電樁上都可以跑滿功率。

大電流帶來的新挑戰(zhàn)

市面上,提高充電功率的思路,大部分是從兩個方面入手,一是從充電樁上,采用自建充電樁,液冷充電線纜等提高電壓和電流;二是提高電池的充放電能力,比如理想的5C電池包。

確實這種是徹底提升充電功率,實現(xiàn)充電和加油時間差不多的方式。不過面對市場上存量的充電樁,盡可能提高充電功率也是一種思路。

相比之下,降壓升流充電相比以往的升壓充電,更大的電流也帶來了很多新的挑戰(zhàn)。

首先是在電池上,電池本身具有內(nèi)阻,增大充電電流會增加電池內(nèi)部的熱量生成,這對電池包冷卻系統(tǒng)帶來了更大的壓力。同時,升流充電要求更復(fù)雜和精確的電池管理策略,BMS需要能夠?qū)崟r監(jiān)測電池狀態(tài)并調(diào)整充電參數(shù),以防止過充或過放,同時確保電池溫度和電壓在安全范圍內(nèi)。

同時大電流對于導(dǎo)線和連接器的要求也更高。首先導(dǎo)電線纜需要足夠的截面積,以減少電阻和電壓降;連接器需要能夠承載高電流,具有足夠的截面積和適當?shù)男螤?,以降低電阻并提?a target="_blank">機械強度。

比如Amphenol的1000V 14mm雙孔金屬180°大電流高壓連接器系列中,在屏蔽線95mm2尺寸下最大可負載電流為400A,在120mm2尺寸下最大可負載電流為450A。

對于降壓部分,從比亞迪的方案來看,同樣是復(fù)用電驅(qū)系統(tǒng)的電路。在Buck降壓轉(zhuǎn)換電路中,電流通過電感,將能量以磁的形式存儲在電感中,通過控制開關(guān)管的導(dǎo)通和斷開,基于電感的自感應(yīng)特性,就可以將電磁能轉(zhuǎn)化為電能。同時電容起到平滑輸出電壓的作用,加上通過PWM控制,來降低輸出的電壓。

而在這個過程中,電感的散熱也是一個難點之一,在降壓的過程中,電感起到類似于燃油車變速箱的作用。所以可能需要支持大電流,散熱更強的電感。比如科達嘉的VPAB系列一體成型大電流電感,電感值0.82μH~3.30μH,飽和電流176A~335A,通過AEC-Q200標準最高級別Grade 0測試,產(chǎn)品工作溫度-55℃~+165℃。

小結(jié):

升流快充要解決的問題,主要是對存量充電樁進行適配,實現(xiàn)大多數(shù)場景下都能達到盡可能高的充電功率。不過隨著電動車市場的發(fā)展,充電樁也將會繼續(xù)往更大功率發(fā)展,包括國標也有chaoji充電接口的備選方案,預(yù)留了1000A以上的超大功率充電空間,而此前250A限制的2015版充電國標,也早已有了升級版。 所以升流快充未必會在未來有很大發(fā)展空間,但在現(xiàn)階段確實是一個較為實用,有效提高充電體驗的方案。
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