现阶段,纯电动整车和电池技术发展快了以后,充换电更加成为了产业发展的短板。
自今年初开始,广汽埃安、小鹏汽车相继宣布可以实现充电5分钟,续航200公里,以此打破当下消费者对于电动汽车充电、续航的焦虑。而所涉及的技术,无一例外都与800V平台相关。
01
高电压架构诞生800V
要知道的是,想要增加功率,无外乎增加电流或电压这两种方法。可电流的增大会带来充电枪、排线以及动力电池核心部件的热损耗,显然这并不是一个好的解决办法,高电压成为了首选。
而在相同功率下,800V电压平台较400V电压的电流减半,反应到实车上所带来的改变就是电池包充电热量降低,且低成本、轻量化、EMC干扰的降低,以及效率和续航的提升,让充电补能体验无限接近燃油车的加油。
整车电气系统中的400V、800V称呼并非指代一个确切数值。当前主流新能源整车高压电气系统电压范围一般为230V-480V,取中间值400V笼统称之为400V系统;800V也同理,伴随着快充技术的规模化应用,整车电气系统的电压将逐渐提高至550V-930V,因此取中间值800V称作800V系统。
国内外市场800V车型量产时间预计在2023年-2025年,会优先搭载在中高端车型,然后逐渐扩大应用范围。
系统电压提升、碳化硅等器件的应用,除了缩短充电时间,还能大幅改进整车动力性能与综合效能。
高压除了能加快充电速度,也伴随着效率、加速性能的提升。2021年发布的搭载华为高压动力系统的某B级四驱车,能轻松实现3.5秒的百公里加速、NEDC效率提升了3.5%、整车续航提升了5%。
车端800V平台开发要做高压部件选型和匹配,包括电池系统、电驱系统、充电系统、功率器件等。
比亚迪、华为、孚能、英飞凌等企业围绕着电机电控、电池、空调压缩机、碳化硅等高压零部件产业链积极布局;
一汽、广汽、长城等车企同步开发800V车型与480kW+大功率充电桩。
另一方面,在未来相当长时间内,IGBT与碳化硅器件会在不同额定功率和开关频率的应用场景中动态共存。四驱电驱动系统基于性价比考虑,目前前驱配置IGBT模块仍然是主流,后驱会考虑搭载碳化硅模块。
2020年前建设的充电网络正陆续开展存量改造、技术升级,新建充电网络会兼容高电压平台需求。受国标制约和市场需求影响,目前国内普遍充电功率在120kW左右。
我国投建的充电桩电压等级,从2016年之前以500V为主;到2017-2019年为750V;再到2020年以后上升到1000V。
公共快充站电压等级的提升,既要考虑当前主流车型充电需求、充电场站利用率,还要考虑未来车型发展方向和功率发展趋势。
目前800V车型保有量少,单独建大功率充电站点利用率会比较低。行业内普遍按照大功率充电+普通快充的高低搭配组合,来满足全车型的充电需求。
将存量充电场站的常规充电桩逐步改造升级为大功率充电桩,结合功率智能柔性分配技术,能兼顾现在需求和未来发展,并提升场站功率池利用率与运营经济性。
广汽埃安6C超级快充车型 图片来源:广汽埃安
02
升压不是简单数字更替
当前,高压电驱的高速发展也为车企带来了降成本、提效率、安全可靠性等方面的新需求。
毋庸置疑,800V高压平台能为电动车的补能效率带来质变级的提升,但800V落地推广也面临着高成本的阻碍。因此对于车企而言,最大的挑战显然是降成本。
事实上,新能源汽车的架构升级是一项“牵一发而动全身”的大工程。一旦换至800V高压平台,其中相应的元器件标准也需要提高,比如逆变器从传统的IGBT模块升级成SiC材料MOSFET器件。相比传统硅材料,SiC在耐高温、耐高压、大功率、开关速度快等方面具有更优异的性能,应用于逆变器中,在减小产品体积的同时也能显著提高产品的能量转换效率。因此,SiC与电动汽车的800V高压平台系统是“绝配”。
随着800V时代的到来,除了电机控制器,还会涌现出更多汽车器件对于SiC的需求。未来高压电驱应用SiC将成为主流方向,但当前SiC成本仍较高,将导致整套电驱系统成本上升。随着高压平台车型的规模化量产,以及产业链的完善,预期SiC成本将有所下降。
400V升800V高压平台并非简单的数字更替。有关专家指出,当整车电压平台朝更高电压发展时,电驱动系统的耐压器件电压也要随之上升;另外,随着电机高速化,电控的开关频率同样需要增加。在两者共同要求下,耐压等级高、开关频率范围宽的第三代功率半导体碳化硅的应用将成为关键。
以采埃孚即将于今年底在杭州工厂生产的800V三合一电驱动系统为例,相比于第一代400伏硅基电驱动,其重量减轻了25%,性能和效率分别提升了33%和11%。
采埃孚800V 三合一电驱动总成
图片来源:采埃孚
技术虽好,可想要实现落地普及,尚有诸多挑战,首当其冲便是成本。现阶段,碳化硅成本高于硅基IGBT 3-5倍,这也是缘何仅有高端车型采用800V高压系统的重要原因。
“随着SiC Mosfet的应用,其本身导通功耗由Si基IGBT的22W下降至10W;开关损耗则较Si基IGBT下降74%,体现到整车上将可带来10%-15%的续航提升。”专家认为,续航里程得以延长或可在保持续航里程相当的情况下通过降低电池用量来降低成本。同时,得益于SiC耐高温,冷却系统也可进一步优化,从而弥补当前SiC增加的成本差价。此外,伴随未来SiC应用规模的扩大,其成本也将快速降低,以进入更为庞大的中低端汽车市场。
但要知道的是,成本亦不过是电驱动升压过程中众多问题之一。
为进一步提高电机功率密度,提高电机转速已成为行业发展趋势,目前18000转已逐渐量产,未来将进一步朝20000转甚至更高转速发展,但电机的高速化将对散热、轴承强度、高效、密封以及NVH提出更高要求。
其中针对散热问题,传统机壳水冷已逐渐难以满足需求,由此越来越多企业加码油冷电机的研发,如华为目前在应用的油冷电驱动产品,内部定子、转子和减速器采用油冷方案,外壳体采用水冷散热,通过热交换器将冷却油和冷却水热量交换,从而更好的实现冷却性能。
03
明后年将是800V的电驱动大年
未来汽车电驱动化发展,已是必然趋势,也正是基于电驱动这一技术的重要性以及对这一市场前景的看好,近年来,越来越多企业将目光投向该领域。
聚焦800V高电压驱动系统,其首批产品量产时间基本与800V架构新车落地同频。
在800V高电压平台的技术浪潮中,比亚迪、极氪、东风岚图、广汽埃安、北汽极狐、长安、长城以及小鹏汽车、理想汽车等多家车企相继发布800V平台架构或规划。这其中,作为国内首款采用800V碳化硅平台的小鹏G9将于年内上市,由此正式开启我国800V架构落地元年。
除前文提及的采埃孚外,诸如博世、舍弗勒、博格华纳、纬湃科技等国际零部件巨头,以及华为、汇川技术、臻驱科技、方正电机国内头部企业均启动或已完成针对800V电驱动相关产品开发。这其中,采埃孚、汇川、方正、臻驱等企业相关产品将于2022年内展开量产,其余都将在2023年相继落地。
这意味着,明后年将是中国汽车市场的800V电驱动大年。
行业数据预测,未来2年是主机厂品牌向上的最佳时间窗口期,高端车型密集推出,军备赛开启。按照各车企规划,国内市场中800V高压平台车型于今年内逐步上市,2023年密集投放,到2030年左右,800V平台架构将成为主导技术。可以预见的是,市场空间足够大,高电压电驱动相关企业亦在加速布局,定点、量产、合作、整合等消息或将在今年内高频出现。
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