800v架构是全级别车型实现快充的主流选择。对于电池端,快充实质上是提升各电芯所在支路的充电电流,而随着单车带电量超100kwh以上的车型持续推出,电芯数量增加,若仍继续维持400v母线电压规格,电芯并联数量增加,导致母线电流增加,对铜线规格、热管理带来巨大挑战。
因此需要改变电池包内电芯串并联结构,减少并联而增加串联,方能在提升支路电流的同时维持母线电流在合理水平。由于串联数量增加,母线端电压将提升。而100kwh电池包实现4c快 充所要求的母线电压即为800v左右。为了兼容全级别车型快充功能,800v电气架构成为实现快充的主流选择。
整车: 会战高端化,800v车桩并举。2019年豪车品牌保时捷推出全球首款800v车型taycan 。2020年比亚迪汉采用了 800v架构,2021年上海车展发布的e平台3.0亦搭载800v架构。随后华为、吉利、广汽、小鹏、岚图等tier1和整车厂/品 牌推出了车桩两端的解决方案,以保障快充使用体验。
未来两年高端化是整车厂主战场,军备竞赛开启。补能时间是电动车面临的核心短板之一,升级800v结构有利于实现快充,在短期内形成对中低端车型的差异化竞争力。长期看快充对于中低端车型亦是刚需,800v架构升级具备长期趋势。
零部件与元器件:sic和负极受益最大,其他部件平滑升级。从目前400v升级至800v ,变化最大的零部件和元器件主要 是功率半导体和电池负极。其中sic基功率半导体由于耐压高、损耗低、开关频率高等优异性能,预计将全面替代si基功 率半导体。
由于快充瓶颈在于负极,如要将目前的1c倍充电率提升至2c ,再提升至4c ,主流技术包括石墨包覆/掺杂硬 碳、硅碳负极。其余部件则需要重新选型,提升耐压等级,但整体来看成本变化平滑。短期来看高压方案比目前方案整 车成本增加2%左右,长期看有望低于目前成本,为整车厂推广建立了良好基础。
动因:为什么是800v
汽车电压平台演变
燃油车时代,6v-12v-48v:
1912年汽车开始装蓄电池,电压为6v。随着汽车电器如车灯、照明、isg等用电器件增加,用电功率需求增加,1950年升级为12v,并延续至今。
期间还出现过42v,主要由美国发起,因零部件升级电压规格成本高而未能实现。2010年信息娱乐、混动等需求出现,由欧洲发起48v升级,与12v并存。
电动车时代,出现>400v高压:
纯电动汽车中由于成百上千个电池串并联,整个电池包电压超百伏,与燃油车上共有的12/48v用电器形成高、低压两套电气系统。
纯电动汽车高压系统主要由动力电池、配电盒、obc、dcdc、电驱、ptc、空调、充电口等构成。
目前纯电动乘用车由于带电量不同,电压等级在250-450v范畴,公交车/物流车由于带电量高,电芯串联之后电池包电压范围在450-700v。
未来乘用车有望升级至800v。
痛点:补能速度,两种方案——换电和快充。
电动车在动力性能、智能化方面超越燃油车,续航里程也随着电池能量密度提升、电耗降低而提升到400km以上水平。但整体仍面临着补能焦虑的问题,燃油车加一次油时间为5分钟,而目前快充至少要60分钟。在高峰期充电排队等候的时间亦进一步拉长。
解决补能速度的两条路线包括换电和快充,换电目前还面临盈利模式、标准统一等挑战。
目前车企更多选择快充路线,一方面快充与ctc趋势一致,另一方面技术升级路径清晰。
快充:两种技术方向:根据p=ui,提升快充功率有2种方案。
提升u,代表是保时捷的800v方案,350a电流,实现300kw充电功率。
提升i,特斯拉超级快充方案,对热管理有巨大挑战,600a电流,实现250kw充电功率。
快充:为什么至少是800v?
为了向上兼容电池容量大的高端车。电池充电速度以电流倍率(c)衡量。实际应用中的限制条件是:
充电枪有最大充电电流限制;
不同ev有不同的电池容量,均要实现相当的快充时间。
做一个简单的算术:假设忽略电池包内部电芯连接方式,容量75/100kwh的电池包,要求同样要实现7.5min充满(800v哪些零部件和元器件需要升级?
电控
800v下sic性能优异,替代si基功率半导体趋势明确:
sic基功率半导体相比si基具备更高耐压等级和开关损耗,以si-igbt为例,450v下其耐压为650v,若汽车电气架构升级至800v,考虑开关电压开关过载等因素,对应功率半导体耐压等级需达1200v,而高电压下si-igbt的开关/导通损耗急剧升高,面临成本上升而能效下降的问题。
800v下sic的耐压、开关频率、损耗表现优异,是800v趋势下最大受益元器件。
薄膜电容提升耐压等级,短期内单车价值提升:
薄膜电容的作用是作为直流支撑电容器,从dc-link端吸收高脉冲电流,保护功率半导体。一般一个功率半导体配一个薄膜电容,新能源车上主要用于电机控制器、obc上,若多电机车型,薄膜电容用量亦会随之增加。另外,在直流快充桩上亦需要一个薄膜电容。
目前薄膜电容asp为200元,800v趋势下,薄膜电容的asp需提升约20%。另外短期看,800v会在高端车率先应用,高端车一般采用多电驱配置,提升薄膜电容用量。
电池
负极快充性能要求提升。动力电池快充性能的掣肘在于负极:
一方面石墨材料的层状结构,导致锂离子只能从端面进入,导致离子传输路径长;
另一方面石墨电极电位低,高倍率快充下石墨电极极化大,电位容易降到0v以下而析锂。
解决方法主要有两类:
石墨改性:表面包覆、混合无定型碳,无定型碳内部为高度无序的碳层结构,可以实现li+的快速嵌入。
硅负极:理论容量高(4200mah/g,远大于碳材料的372mah/g),适合快充的本征原因是嵌锂电位高——析锂风险小——可以容忍更大的充电电流。
电机
轴承防腐蚀、绝缘要求增加。轴电压的产生:
电机控制器供电为变频电源,含有高次谐波分量,逆变器、定子绕组、机壳形成回路,产生感应电压,称为共模电压,在此回路上产生高频电流。由于电磁感应原理,电机轴两端形成感应电压,成为轴电压,一般来说无法避免。
转子、电机轴、轴承形成闭合回路,轴承滚珠与滚道内表面为点接触,若轴电压过高,容易击穿油膜后形成回路,轴电流出现导致轴承腐蚀;
800v的逆变器应用sic,导致电压变化频率高,轴电流增大,轴承防腐蚀要求增加;
同时,由于电压/开关频率增加,800v电机内部的绝缘/emc防护等级要求提升。
高压直流继电器:高性能要求驱动附加值,
单车价值量提升
需求具有高确定性,800v下产品性能要求提高,附加值提升:
高压直流继电器作为自动控制开关元件,起到高压电路控制和安全保护作用,新能源车对高压直流继电器具有刚性需求;
800v平台电压电流更高、电弧更严重,对高压直流继电器耐压等级、载流能力、灭弧、使用寿命等性能要求提高,产品需要在触点材料、灭弧技术等多方面改进,附加值提高。
预计单车价值量将提高40%,乘用车配置数量以4-5个为主,充电桩多为2个:
目前a级车高压继电器单车价值量为800元左右,预计800v电压平台单车价值量将提升40%。数量配置取决于车型类别和电路设计,乘用车多采用主回路2只、快充回路1-2只、预充回路1只方案;
商用车功率更高,配置约4-8只;直流充电桩常规配2只。
熔断器:激励熔断器渗透率提高,
单车价值量提升
具备需求刚性,电路保护要求提高驱动激励熔断器、智能熔断器等产品创新,价值提升:
熔断器是电路过电流保护器件,800v要求熔断器在绝缘、耐压等级等方面进行改进调整;
新型激励熔断器通过接收控制信号激发保护动作,当前已逐步应用于新能源汽车,平均售价是传统电力熔断器3.6x;
智能熔断器自动检测回路信号触发保护动作,尚处于开发应用前期。
预计单车价值量将提升约20%,激励熔断器渗透率提高:当前熔断器单车价值量约200-250元,800v平台下保守方案采用热熔丝和激励熔丝,激进方案只采用激励熔丝,随着激励熔断器市场渗透率的不断提升,预计单车价值量将达到250-300元。
高压连接器:电流减小降规格,
迎国产替代机遇
性能升级,优势厂商优势明显:作为新能源车高压电流回路的桥梁,升压对连接器的可靠性、体积和电气性能的要求增加,其在机械性能、电气性能、环境性能三方面均将持续提升。
作为中高端产品,电动汽车高压连接器有较高的技术与工艺壁垒。传统燃油车的低压连接器被海外供应商垄断。电动车快速增长打开高压连接器新增量,技术变化要求快速响应,整车平台高压化将进一步提高行业壁垒,国产供应商迎来国产替代机遇。
数量增加,单车价值量有望提升:目前单辆电动车配置15-20个高压连接器,单价在100-250元之间,双电机或大功率驱动电机车型需求量更多。从400v增至800v后,高压连接器将重新选型,增加大功率快充接口及400v到800v的转化接口,带动高压连接器单车价值量上升。
obc/dcdc:主动元件升级,
短期内受益升压增量
高电压对功率器件提出更高要求,将驱动obc/dcdc成本短期内攀升:
为满足800v高电压平台在体积、轻量、耐压、耐高温等方面带来的更为严苛的要求,obc/dcdc等功率器件集成化趋势明显;
同时,预计sic碳化硅将借助耐高压、耐高温、开关损耗低等优势在功率器件领域进行广泛应用,驱动单车obc/dcdc价值量提高约10%-20%。
800v高压平台有望为obc/dcdc带来新增量:
高压平台使车载充电机升级需求增加,为高压obc提供增量;
同时,为能够适配使用原有400v直流快充桩,搭载800v电压平台新车须配有额外dcdc转换器进行升压,进一步增加对dcdc的需求。
软磁合金粉芯:升压模块
提升用量需求
电感元件主要材料是由金属磁粉芯:
800v体系升级,中短期为了适配现存的400v充电桩,需加装dcdc升压模块,独立升压模块需要额外的电感。单车用量从原来0.5kg提升至约2.7kg;
插混车由于电池容量较小,电压无法通过串联做到400v,对升压dcdc需求更大。一般而言,纯电动/插混单车用量0.5/4kg。
充电桩:高压快充比低压大电流快充
节省约5%成本
相同功率下,由于电流减小,电压由400v到800v仍不需要液冷,未来500a则需要增配液冷系统。
400v-800v车端成本变动平滑,
利好整车厂推广
车端成本来看,高压架构比低压架构成本+2%。
电池端由于负极快充性能提升、bms复杂程度提升等因素,成本+5%;
从整车部件来看,高压架构在热管理、线缆辅料等部件成本变化小,优于低压高电流架构。
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