电动汽车800V架构与线束设计

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2019年,保时捷Taycan搭载了全球首款800V高压电气系统,目前,上汽、广汽、吉利、长安、蔚来、小鹏、理想、小米等主流车企均推出了800V高压车型,本文线束工程师之家详细介绍下800V系统的架构,并聊聊我们线束工程师如何去匹配。

1、各大车企都在吹的800V,到底是什么?

当前汽车厂商大力宣传的800V,其实就是指电动车的高压电气系统的电压达到了800V。
在电动车的电气系统设计中,通常按照电压高低将电气系统分为高压和低压两部分。其中高压电气系统主要包括电池、电机、电控、高压线束等部件。目前,大部分电动车的高压电气系统的额定电压都在300-500V之间,比如特斯拉Model Y电压是355.2V、大众ID.4 为352V、秦PLUS EV为422.4V。
在电气系统中,系统工作电压一般是额定电压的1.1-1.2倍,也就是说系统电压可以在一定范围内变动。
实际上,目前行业内并没有在800V标准上完全达成共识。比如,小鹏G6的额定电压只有551V,但是官方宣传却是800V平台,其实从严格意义上来说,800V并不是一个确切的数值,更像是一个范围。
目前行业内将电压范围在550-930V之间的车型统称为800V。不过,也有机构认为电压在600-900V之间的才是800V。

2、800V架构是如何提出的?

随着对电动汽车的普及,充电焦虑变成当前电动车用户最关心的话题之一。那么怎么解决充电的焦虑呢?
解决方案,简单的来讲就是,充电像加油一样便利!
这里便利有两重含义,一是,像加油一样快;一是,像加油一样方便。
第二个比较好理解,就是到处都有桩,那第一个像加油一样快要怎么实现?
我们以800V行业先驱者保时捷Taycan为例来说明。2019年,保时捷推出了全球首款采用800V高压电气系统的纯电车型--Taycan
保时捷Taycan,电池容量93.4度,NEDC续航里程为465公里,要想在一杯咖啡的时间内充电(10分钟以内)能跑上百公里(按照100公里算),100km/465km*93.2kWh=20kWh,也就是需要在10分钟内充满20kWh(度)的电量,这样就需要充电功率是20kWh/10min=120kW。
但保时捷显然不满足于100公里,至少也要做到155公里!所以保时捷把平均充电功率定在了186kW这个级别。186kW,而且还是平均值,最大值大概有270kW级别(最新2023版Taycan已经把这个数字提升到了350kW)。
270kW,按照400V的电池,P=U*I,I=P/U=270kW/400V=657A,平均的电流也有186kW/400V=465A。这个电流很大啊,一般的线根本承受不了,发热很严重,怎么办呢?
既然P=UI,我保持P不变时,增加U,不就可以减少I了吗?太聪明了!基于这样一个“一杯咖啡的时间,充的电可以让车行驶上百公里”的朴素愿望,加上一个P=UI中学物理公式,Taycan推出了划时代的全新技术,800V高压架构。
Taycan首发车型搭载了一套总重630kg三元锂电池包,总电量为93.4kWh,额定电压为722.7V,包含396个3.65V/66Ah三元软包电芯,采用两并方案,396*3.65/2=722.7V,66Ah*2=132Ah,722.7V*132Ah=95.4kWh(有些电放不出来,所以与上面的93.4kWh略有偏差)。
话说,这个朴素愿望的声音,TESLA也听见了,不过TESLA的想法是,不就是线太粗吗?粗的原因不就是热量太多吗?好,我解决热量冷却的问题,给电线做液冷!所以TESLA走的是液冷超充的路线,而保时捷走的是800V高压架构的路线。你说国内现在在做啥,国内走的800V高压架构的液冷超充。

3、800V平台架构的具体说明

400V与800V 电压下整车系统架构基本一致,或增电源部件。高压电气系统下400V与800V拓扑结构基本一致,没有太大变化。若800V电压平台的电车能够使用之前400V的直流快充桩,则需要在车端增加额外的DC/DC转换器进行升压,达到800V及以上才能够对动力电池进行充电。
400V电子电器架构
800V电子电器架构
若从技术路线来看,800V平台架构主要有三种:
第一种是全域800V高压平台,即包括动力电池、电驱、电源、压缩机等所有部件都支持800V运行。
第二种是半800V高压架构,即将动力系统等一些关键部件升级为800V,但保留其他如电空调、DC-DC等的400V零件。
第三种就是单800V高压快充系统,即整车搭载一个800V电池组,在电池组和其他高压部件之间增加一个额外的DC-DC将800V电压降至400V,车上其他高压部件仍采用400V电压平台。该800V电池组也可能是两个400V电池组通过智能串并联实现充电800V,但放电是400V。这一方案不仅成本低,还可解决快速补能问题。

4、800V架构下的优缺点

800V架构的优点

相比400V系统有如下优势:
第一,充电功率能做到更高,消除充电时间焦虑。在400V电压平台下,当前 E/E 电气架构下较难突破500A ,即200kW 以上的快充。但升级到800V电压之后200kW快充电流可减少一半至250A , 800V电压平台有望使快充功率突破至350kW 。
业界一般认为500A是车规级线束接插件的极限,更高电流的话电气系统设计复杂度将大幅增加,这意味着400V系统下200kW左右的充电功率会成为很多车辆设计的极限;而800V高压系统可以将极限突破到400kW,这种情况下如果按照长续航车辆电池100kWh@20%-80%充电,仅需9分钟,基本等于传统燃油车加油的时间,完全消除充电时间焦虑。
第二,快充系统成本低。市面上也出现基于400V系统的快充,但800V高压系统可以在高功率充电应用下做到更低的系统成本。
第三,快充充电损耗低。相比400V系统,800V高压系统充电电流小,电池损耗,线束损耗以及充电桩损耗都可以降低,实现充电节能。从能耗角度来看,电池包和高压线束的发热也会使系统的电损增加。相比之下,利用更高的电压来增加充电功率,既实现了更快的充电速度,又避免了电池包乃至充电桩过热的问题。
第四,车辆行驶环节能耗低,同等电池容量情况下实现更长的续航里程或者同等续航里程情况下可以实现电池容量削减以及总成成本降低。

800V架构的缺点

800V带来的不只是更快的充电效率和更长的续航里程,还有和400V系统相比,更严峻的绝缘和安全挑战。作为一个系统性的解决方案,800V的普及之路并不好走。800V,真干起来比换电还难?
第一,800V高压平台,无法适配500V低压桩,基础设施的建设并未完全就绪。比如,在发达地区有800V的充电桩,浙江覆盖率达到70%,但是在不发达地区只有30-40%,只有400V的充电桩是无法完成快充任务的。”
第二,升压带来的技术挑战。在400V电压平台下,电气系统的各个电子元器件采用的IGBT绝缘栅双级型晶体管,随着800V高压的应用,IGBT电子器件已经无法承受800V乃至更高的电压接入,于是业界便将目光转向绝缘性和耐热性的碳化硅。
第三,成本问题依旧是重要的阻碍。如今碳化硅的成本偏高,符合高压快充的电芯成本也比较高,“当碳化硅成本降到与IGBT成本差不多,高压电芯和普通电芯成本相当,便是800V大干快上的好时候。”
图:半导体级别下SiC和Si的比较

5、800V架构展望

随着新能源汽车的快速发展,800V高压成为当下新能源车企都在追求的技术架构,这也是碳中和大趋势下汽车动力系统发展的必然结果。
之所以这样说,一方面是因为800V高压平台可以解决定电动汽车充电慢的问题从而加速其普及,另一方面则是因为800V高压平台较400V平台可以降低能量损耗实现节能。
从2019年保时捷发布首款800V车型Taycan以来,现代、起亚等国际巨头纷纷跟进,但自主车企的量产速度更胜一筹,截至目前,上汽、广汽、吉利、长安、蔚来、小鹏、理想、小米等主流车企均推出了800V高压车型。800V车型目前基本集中在中高端车型上。不过可喜的是,主机厂正在不断追求性价比,800V高压快充的车型逐渐往低价趋势走。据电厂不完全统计,市面上已经发布的800V高压车型已经超过50款。
如果800V高压技术能够成功普及,那么新能源汽车将真正超越燃油汽车,引发新一轮的汽车技术革命。

6、800V下的线束设计

800V与400V电压下整车系统架构基本一致,高压电气系统的拓扑结构基本一致,没有太大变化。线束设计基本和主流的高低压线束设计一致。
除去可能新增 DC/DC升压部件之外,在原本的整车高压电气架构中直接与高压系统直接连接的子系统部件如:动力电池系统、动力系统(电机、电机控制器)、电源系统( DC/DC 、 OBC 、 PDU )以及车内的空调压缩机、加热系统等需要提升部件耐压等级。
在这些子系统部件提升耐压等级从400V平台升至800V平台后,其所采用的元器件及材料如:线缆、连接器、继电器、保险丝、电容、电阻、电感及功率半导体等耐压等级需提升至800V及以上。为了保证产品的质量,在应用初期设计时将有可能需要更高的耐压等级的部件来满足绝缘安全冗余度的要求。
依照LV216或者ISO19642的规定,车载高压电缆是指工作电压为600AC/900DC或1000AC/1500DC的屏蔽或者非屏蔽单芯及多芯电缆,导体的截面一般为0.5mm²-120mm²,导体可采用绞合铜导体或者绞合铝导体。
高压线束分主要在车内分为:动力电池高压电缆(连接动力电池和高压盒)、电机控制器电缆(连接高压盒和电机控制器)、快充线束(连接快充口和高压盒)、高压附件线束(连接高压盒到DC/DC、空调等)。
继电器
升级800V平台要求继电器耐压性提升,现有部分继电器能够兼容高电压。
连接器
平台架构从400V升级至800V要求连接器重新选型,连接器数量可能增加(增加大功率快充接口)
导线
在同等功率条件下,电压提高,电流减小,线缆耐压性提高、线径减小。
理论上电流越大就需要更粗的导线。但根据功率=电压x电流(P=UI)的公式可知,功率相同的情况下,电压升高电流就会变小。以400V和800V为例,在同等功率下,800V的电流仅为400V的一半。因此采用800V高压系统后,不仅减少了电池和线束的发热量,降低了电池热管理的成本,而且还可以使用更细的导线。

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