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前往电动汽车快速充电站充电吗?请先暂停

现有充电基础设施与汽车主电池(800V 或 400V)之间的不兼容,是目前里程焦虑问题的主要来源。解决这一问题对于消费类电动汽车使用率的持续增长至关重要。幸运的是,我们有解决方案。

400V to 800V with NBM image

作者:Haris Muhedinovic,高级现场应用工程师

DC 快速充电是里程焦虑问题的主要来源

虽然我们正在见证自蒸汽机以来汽车工业的最大变革,但我们都对基础设施感到担忧,因为需要维持并深入大众。电动汽车一直是汽车行业最受宠的一个分支,每天都有很多围绕着这一领域的技术创新涌现。其中很大一部分是基础设施,它将以最一致、最有效的方式支持电动汽车。工程师现在正在重新定义电动汽车的架构,他们正在考虑嵌入 800V 的电气系统,以实现更快速的充电和更轻的重量,并增加两次充电间的行驶里程。

随着 OEM 厂商推出采用 800V 电池供电的全新车型,汽车的电气化革命不断向前推进,这些电池不仅可实现更强大的动力系统及更高性能的汽车,而且还可加速充电。但 DC 快速充电存在不兼容性问题。要为 800V  电动汽车快速充电,车主必须使用兼容的充电站,而不是当前更普遍的 400VDC 充电站。400VDC 充电站不仅与这些新型电动汽车不兼容,而且还在电流容量、电缆热管理和电压范围方面有相当大的限制。

现有充电基础设施与 800V 汽车之间的不兼容,是当前里程焦虑问题的主要来源,而且,如果 OEM 厂商要继续推动汽车电气化,就必须解决这个问题。幸运的是,有解决方案。虽然一种解决方案是扩大或改进现有充电站网络,但消除消费者里程顾虑最可靠的方法是让车载充电器与所有 DC 快速充电站兼容。

对于电动汽车而言,增加流向电池的功率只有两种主要方式:增加电压或电流。电流增加时,就需要增大电缆,因为需要更多的空间让电子通过。增加电压是一个非常不错的解决方案,因为电流通过电缆时,由于导体中的电阻较小,它降低了电流并电缆。

除了石墨烯电池和固态电池外,800V 充电架构是电动汽车充电最振奋人心的发展。

DC 快速充电日益严峻的不兼容问题

不兼容问题主要集中在 DC 充电上,通常用于时间与接入都非常有限的长途驾驶。AC 充电对于日常充电而言不是问题,因为现有电网基础设施 AC 充电相当方便。对于拥有电动汽车的人来说,这种充电方式很容易实现,而且可以在对充电速度要求不高的家里(夜间)或工作单位(白天)充电。AC 充电是日常使用及短途驾驶的理想选择,对于日常 300 公里的行程而言,这是成本最低而且最实用的解决方案。

但在人们长途旅行时,他们需要在公共场所快速充电,比如在高速公路的休息区。在这种情况下,他们可以使用 DC 快速充电站。这些充电站需要超过 50kW 的功率,峰值可达 150kW 或 350kW。虽然 DC 充电的使用频率可能没有 AC 充电那么高,但提供一个这种类型的可靠网络来减少里程焦虑问题非常重要。到 2020 年,DC 充电网络将拥有大约 40 万个可供公众充电的快速充电器,其中很少有支持 800V 汽车的充电器。例如,欧洲总共有 4 万个充电站,其中只有 400 个支持 800V 汽车。

当 OEM 厂商开始推出 800V 新款汽车时,这种 400V 和 800V 充电站之间的不平衡将带来一个重大问题:为其充电的公共基础设施不足。

为什么 800V 更快?

800V 比 400V 更高效,因为功耗相同时,其能耗更低。它可减少电流;电流越低,导体中的电阻(能量)损耗就越低。让 400V 电压提高一倍,可显著提升电动汽车的充电速度。

电动汽车采用 800V 架构,车辆更轻、线缆更细,接线器更小,而且可通过配置电池,更高效地利用电源,因此,800V 可开启更大行驶里程的全新时代。

今天的电动汽车要么采用 400V 架构,要么采用 800V 架构。400V 更常见,因为该技术更为成熟,但越来越多的汽车推出了 800V多,比如起亚 EV6 和保时捷 Taycan 等。

在电动汽车架构中融入 800V 技术,将电压提高一倍,可在不增加热量、无需新线缆和新电子组件的情况下,实现更快速度的充电。800V 充电架构无需更粗的电缆,便可缩短充电时间,这不仅可减轻重量,而且还可缩小范围。例如,保时捷 Taycan 在 5 分钟多一点的时间内便可增加 62 英里的里程,而且从 5% 到 80% 的充电时间仅为 22.5 分钟。

800V 能让我们更快充电的原因是电池从充电器接收到的电力更多。在 400V 的系统中,由于电流很大,因此能量损耗会增加一倍。电流会在导体中产生电阻损耗(能量损耗),因此其效率低下,特别是在快速充电的时候。

DC 快速充电器产生的热量会使 400V 架构的电池和充电电缆过热,这就是为什么充电速度在 80% 后会急剧下降的原因。

800V 通过改变内部电池单元的连接方式解决了这个问题,可使用更小的电流和更高的电压。

毫无疑问,800V 非常出色,是 对400V 的一个巨大升级。然而,它需要全新的工程设计。

探索 DC 快速充电解决方案

一般来说,解决 DC 快速充电问题有两种方法:一种侧重于对充电站进行改造,而另一种则侧重于改造车辆。

扩建充电站 DC 快速充电网络可缓解这个问题,但它可能既不是最快的,也不是最划算的。扩展 DC 快速充电网络有两种途径:

  • 增加 800V 充电站:安装具有宽范围电压(从 250 到 920V)的全新 DC 快速充电站是一个解决方案,但这需要投入大量的时间和资金。当前欧美大约有 1000 个提供 800V 充电的充电站,这大约只占所有已投入使用的 DC 充电站的 2%。为了应对 800V 电动汽车的增长,该网络需要增加成百上千个这类充电站。安装这么多新充电站将耗时数年,而且成本极高。
  • 利用 400V 充电站:另一种方法是利用 400V 充电站,将其升级到也支持 800V 电压的充电站,但这会带来一系列自身的挑战。以超高功率速率(超过 150kW)充电并非总是可用的,也并非总能实现(有温度以及电池退化等问题)。此外,充电速度也会比 800V 的预期要慢。

使用模块化 DC-DC 虚拟电池进行车载充电,可提供高灵活性以及高达 99.5% 的效率。

与扩展充电网络相比,车载转换解决方案是一种实现 400V 或 800V 兼容的更全面方案。这种方案可以更快采用,无需对充电基础设施投入资金。

800V 电池和 400V 充电器之间的不兼容问题可通过“电池虚拟化”解决。通过电池虚拟化,即使 800V 电池与车载充电器一端相连,该充电器也可在其另一端“发现”400V 电池。这种方案从电池电压开始,使其适应充电站可接受的电压范围。(图 1)

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图 1:800V 电池和 400V 充电器之间的不兼容问题可通过车载“电池虚拟化”解决。通过电池虚拟化,即使 800V 电池与车载充电器一端相连,该充电器也可在其另一端发现 400V 电池。这种方方案从电池电压开始,使其适应充电站可接受的电压范围。

Vicor 高密度、高功率模块可用于实现支持电池虚拟化的 DC-DC 转换器车载充电解决方案,不会增加尺寸、重量和设计复杂性。

Vicor NBM™ 双向模块可转换数十千瓦的功率,功率密度可达 550kW/升和 130kW/kg,使用的电源转换器尺寸和重量也都比分立式解决方案至少少 50%。

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图 2:Vicor NBM™ 双向模块可转换数十千瓦的功率,功率密度可达 550kW/升和 130kW/kg,使用的电源转换器尺寸和重量也都比分立式解决方案至少少 50%。将电池连接至 NBM 模块的一侧,将立即虚拟化另一侧的电池,从而可按常量因子成倍增加或递减电压或电流。

使用电源模块的另一个原因

NBM 不仅能实现电池充电虚拟化,而且还能与动力电池集成,为低转速驱动提供更高的效率。例如,市区驾驶需要较低的转速,800V 牵引逆变器的效率会大幅下降 15% 以上。NBM 能够通过这种辅助方式为逆变器提供一半的电池电压,从而可将开关损耗锐减一半,增加行驶里程。这是集成型模块化供电方案如何优化供电网络的另一项优势,可实现部分利用 DC-DC 转换器以保持峰值效率。

使用车载升压转换,可在启动前消除里程焦虑问题

虽然充电站基础设施肯定会扩大以满足电动汽车的增长需求,但仅靠扩建并不能解决 400V/800V 的兼容性问题。减少里程焦虑最有效的解决方案是设计与所有 DC 快速充电器兼容的车载充电器。

本文最初由《eletimes》发表。

Haris Muhedinovic 与 OEM 厂商和 TIER 合作,为要求苛刻的汽车应用设计开发高性能电源解决方案。Haris 非常关注电源电子与电子系统,对工业新技术和新趋势了如指掌,因此他实施的电源解决方案可满足苛刻的规格要求。Haris 毕业于萨拉热窝大学,获理工科硕士学位,在电源电子设计与应用工程方面拥有长达 7 年的丰富经验。

Haris Muhedinovic

Haris Muhedinovic,高级现场应用工程师

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