電動(dòng)汽車快充技術(shù)發(fā)展研究

王琨　吳家豪

摘 要：隨著電動(dòng)汽車保有量的飛速增加，電動(dòng)汽車充電慢、充電難的行業(yè)痛點(diǎn)將越加明顯，對(duì)于電動(dòng)汽車充電速度慢的問題，目前行業(yè)內(nèi)正在加速超快充電技術(shù)的布局。本文對(duì)電動(dòng)汽車快充技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀和技術(shù)趨勢(shì)做了分析和總結(jié)，可供從事電動(dòng)汽車充電技術(shù)相關(guān)行業(yè)的研究人員作為參考。

關(guān)鍵詞：電動(dòng)汽車 快充 高壓平臺(tái)

1 前言

2022年，盡管受到芯片結(jié)構(gòu)性短缺、動(dòng)力電池原材料價(jià)格高位運(yùn)行等眾多不利因素的影響，但在政策和市場(chǎng)的雙重作用下，中國(guó)的電動(dòng)汽車行業(yè)迎來(lái)了爆發(fā)式增長(zhǎng)，純電動(dòng)汽車銷量536.5萬(wàn)輛，同比增長(zhǎng)81.6%，市場(chǎng)滲透率達(dá)到20%。隨著電動(dòng)汽車保有量的飛速增加，電動(dòng)汽車充電慢、充電難的行業(yè)痛點(diǎn)將越加明顯。目前市場(chǎng)上支持快充的主流車型平均理論充電倍率約為1C，SOC從30%沖到80%需要約30分鐘，續(xù)航約219km（NEDC 標(biāo)準(zhǔn)）。而在實(shí)踐中，大部分純電動(dòng)車實(shí)現(xiàn)SOC30%-80%需要充電40分鐘以上，可行駛約150-200km。[1]對(duì)于電動(dòng)汽車充電速度慢的問題，目前行業(yè)內(nèi)正在加速超快充電技術(shù)的布局。

2 大電流快充技術(shù)

快充：功率=電壓×電流，因此提高充電功率可以通過增大電流或提高電壓的方式。大電流快充技術(shù)通過增大充電電流實(shí)現(xiàn)快充，改造相對(duì)容易，僅需要改變電池載體即可。在電動(dòng)車原有的400V電壓平臺(tái)下，通過將充電電流提升至500A+可實(shí)現(xiàn)200kW級(jí)快充，充電10min，續(xù)航200-300km。目前采用400V架構(gòu)+大電流的車型有特斯拉Model 3、極氪001等，特斯拉是大電流直流快充方案的代表企業(yè)，早先由于高壓供應(yīng)鏈尚不成熟，特斯拉選擇整車電壓平臺(tái)不變，用大電流直流技術(shù)實(shí)現(xiàn)快充，其V3超充樁最大輸出電流接近520A，充電功率250kW。從第一代超級(jí)快充進(jìn)化到第三代超級(jí)快充，特斯拉超充樁的電流從250A提升至640A，超充功率也從100kW提升至250kW，充電效率行業(yè)領(lǐng)先。但大電流僅可在10～30%SOC條件下實(shí)現(xiàn)最大功率充電，而且大電流技術(shù)不能滿足4C充電需求，如果要實(shí)現(xiàn)4C充電，仍需采用高壓架構(gòu)，且充電發(fā)熱量過大，對(duì)散熱要求高，成本相應(yīng)增加。大電流快充技術(shù)已經(jīng)進(jìn)入發(fā)展瓶頸期，單一提高充電電流已不能滿足今后的超級(jí)快充要求。[2]

3 高電壓快充技術(shù)

純電動(dòng)汽車高壓架構(gòu)如圖1所示，通過提高充電功率實(shí)現(xiàn)充電速度的提升。由于單一提高充電電流會(huì)產(chǎn)生大量的熱量，對(duì)整車線束和動(dòng)力電池系統(tǒng)的熱管理技術(shù)要求更高。未來(lái)，行業(yè)內(nèi)將普遍采用高電壓架構(gòu)，高電壓平臺(tái)的推出就是為了提高整車端充電效率，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車快速補(bǔ)能。隨著高壓供應(yīng)鏈的逐漸成熟，目前，國(guó)內(nèi)小鵬、比亞迪、嵐圖、理想等車企紛紛進(jìn)軍800V車載高壓平臺(tái)。

高電壓充電技術(shù)通過將動(dòng)力電池系統(tǒng)電壓平臺(tái)從400V提升至800V，加快充電速度的同時(shí)可以提升整車的動(dòng)力性能及續(xù)航里程，大幅降低大電流帶來(lái)車內(nèi)線束過粗，有利于車內(nèi)空間布局的優(yōu)化，減輕整車重量。[3]但高電壓平臺(tái)需要串聯(lián)更多數(shù)量的電池，對(duì)電動(dòng)汽車的動(dòng)力系統(tǒng)進(jìn)行升級(jí)匹配，價(jià)格昂貴。同時(shí)高電壓快充樁對(duì)城市的配電要求較高。目前采用800V高電壓的車型有保時(shí)捷Taycan、現(xiàn)代Ioniq5等，保時(shí)捷Taycan出于對(duì)充電速度和動(dòng)力性能的追求，率先量產(chǎn)了800V電壓平臺(tái)。保時(shí)捷Taycan采取了完整的800V電池架構(gòu)，電池系統(tǒng)采用800V高壓，電動(dòng)力總成，包括電驅(qū)動(dòng)、電力電子、充電系統(tǒng)等也都采用了800V的系統(tǒng)，把整車所有的高壓系統(tǒng)都升級(jí)了。

800V級(jí)高電壓方案的實(shí)現(xiàn)，將會(huì)使充電功率突破400kW，充電5min，續(xù)航200-300km，將大幅緩解充電焦慮。

4 高電壓平臺(tái)應(yīng)用影響分析

4.1 高電壓系統(tǒng)架構(gòu)實(shí)現(xiàn)方案

高壓架構(gòu)下，動(dòng)力電池系統(tǒng)、電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、PTC、空調(diào)、車載充電機(jī)等零部件都需重新適配。電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)包括電動(dòng)機(jī)、電動(dòng)機(jī)控制器及傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。[4]PTC（Positive Temperature Coefficient）是一種陶瓷加熱器，是電動(dòng)車制熱系統(tǒng)重要組成部分。OBC（On board charger）是車載充電器，一般是低功率充電機(jī)，為了方便用車載電源隨時(shí)隨地為數(shù)碼產(chǎn)品充電的配件，常規(guī)用于汽車電瓶（轎車12V，卡車24V）供電的車載充電器。DCDC（DC-DCconverter）：即直流變換器，就是一個(gè)直流電壓變換成另外一個(gè)直流電壓的電能的裝置，如800V變?yōu)?00V。

目前能實(shí)現(xiàn)大功率快充的高壓系統(tǒng)架構(gòu)主要有以下五種方案，在技術(shù)、成本等方面各有優(yōu)缺點(diǎn)。

（1）車載部件全系800V，電驅(qū)升壓兼容400V直流樁方案。其典型特征是：直流快充、交流慢充、電驅(qū)動(dòng)力電池、高壓部件均為800V；通過電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)升壓，兼容400V 直流充電樁。

（2）車載部件全系800V，新增DCDC兼容400V直流樁方案。其典型特征是：直流快充、交流慢充、電驅(qū)動(dòng)、動(dòng)力電池、高壓部件均為800V；通過新增400V-800V DCDC升壓，兼容400V 直流充電樁。

（3）車載部件全系800V，動(dòng)力電池靈活輸出400V和800V，兼容400V直流樁方案。其典型特征是：直流快充、交流慢充、電驅(qū)動(dòng)、動(dòng)力電池、高壓部件均為800V；2個(gè)400V動(dòng)力電池串并聯(lián)，通過繼電器切換靈活輸出400V和800V，兼容400V直流充電樁。

（4）僅直流快充相關(guān)部件為800V，其余部件維持400V，新增DCDC部件進(jìn)行電壓轉(zhuǎn)換器方案。其典型特征是：僅直流快充和動(dòng)力電池為800V；交流慢充、電驅(qū)動(dòng)、高壓部件均為400V；新增400V-800V DCDC，實(shí)現(xiàn)400V部件與800V動(dòng)力電池之間的電壓轉(zhuǎn)換，兼容400V 直流充電樁。

（5）僅直流快充相關(guān)部件為800V，其余部件維持400V，動(dòng)力電池靈活輸出400V和800V方案。其典型特征是：僅直流快充為800V；交流慢充、電驅(qū)動(dòng)、負(fù)載均為400V；2個(gè)400V動(dòng)力電池串并聯(lián)，通過繼電器切換靈活輸出400V800V，兼容400V和800V 直流充電樁。

4.2 高電壓系統(tǒng)架構(gòu)對(duì)整車電氣系統(tǒng)要求分析

（1）對(duì)動(dòng)力電池材料體系和動(dòng)力電池管理系統(tǒng)（BMS）提出了更高的要求。目前常見的鋰離子電池電極體系受充放電電壓和電流的影響較大。過高的充電電壓會(huì)降低電極材料和電解液的穩(wěn)定性，如果發(fā)生過充的情況，會(huì)引起電池發(fā)生副反應(yīng)，導(dǎo)致鋰電池內(nèi)阻增大、容量衰減甚至引發(fā)熱失控、爆炸等安全隱患。同時(shí)，更大的充電功率會(huì)對(duì)電池系統(tǒng)的熱管理帶來(lái)很高的要求，保障電池工作在理想的溫度區(qū)間內(nèi)。因此，開發(fā)能夠滿足高電壓快充要求的電極材料體系及更精確更可靠的動(dòng)力電池管理系統(tǒng)對(duì)高電壓系統(tǒng)架構(gòu)的實(shí)現(xiàn)極為關(guān)鍵。

（2）對(duì)于電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，傳統(tǒng)的Si基功率器件無(wú)法滿足高電壓平臺(tái)的耐高壓、效率高的要求。在電壓平臺(tái)從400V提升至800V時(shí)，直流母線上的浮動(dòng)電壓偏差百分比不變，因此功率器件的耐壓要求迅速增大，800V平臺(tái)需要功率器件有1200V的耐壓值；電壓越高，對(duì)應(yīng)輸出功率越大，要求功率器件的損耗越低。SiC功率器件具備高頻率、低損耗、小型化、耐高溫、耐高壓的性能優(yōu)勢(shì)，可以完全滿足800V電壓平臺(tái)的需求，甚至可上拓至1200V。要發(fā)展高電壓平臺(tái)，離不開SiC技術(shù)的支持，目前電機(jī)控制器驅(qū)動(dòng)功率芯片多為Si基的IGBT，目前市面上已量產(chǎn)的、通過汽車級(jí)認(rèn)證的IGBT模塊屈指可數(shù)，是未來(lái)功率器件發(fā)展的主要方向。

5 結(jié)語(yǔ)

高電壓平臺(tái)能大幅提升整車平臺(tái)運(yùn)行效率，高電壓快充不僅提高充電速度，在電機(jī)輸出功率不變的情況下，顯著降低熱損耗，并帶來(lái)車內(nèi)線束線徑的減小，減輕重量，是解決純電動(dòng)汽車充電慢痛點(diǎn)的有效手段。未來(lái)，隨著高電壓平臺(tái)的普及，我們將真正迎來(lái)電動(dòng)汽車時(shí)代。

基金項(xiàng)目：江蘇高校哲學(xué)社會(huì)科學(xué)研究項(xiàng)目（2021SJA1936）：碳中和背景下鹽城市新能源儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)發(fā)展研究。

參考文獻(xiàn)：

[1]羅玉玲. 基于電動(dòng)車主行為的充電功率預(yù)測(cè)方法研究[D].西安工業(yè)大學(xué)，2022.DOI：10.27391/

[2]謝澄江. X新能源汽車充電運(yùn)營(yíng)商的商業(yè)模式優(yōu)化策略研究[D].電子科技大學(xué)，2022.DOI：10.27005/

[3]張文佳，尹蓮芳，謝樂瓊，張曉峰，王莉，何向明.鋰離子電池快充技術(shù)進(jìn)入新的發(fā)展期[J].新材料產(chǎn)業(yè)，2021（04）：15-18.DOI：10.19599/

[4]嚴(yán)佳麗.純電動(dòng)汽車高電壓快充平臺(tái)技術(shù)趨勢(shì)[J].汽車制造業(yè)，2022（02）：8-10+12.