电子发烧友网报道(文/梁浩斌)在电动汽车,我们经常可以听到“升压快充”的概念,这也是大多数电动汽车提高充电速度的主要方式。今年5月,比亚迪发布的e平台3.0 Evo中,提到了一个比较新鲜的概念——“升流充电”。那么升流充电有什么优势,技术难度在哪?
升流充电是升压充电的“逆向操作”
在升压充电推出时,电动汽车所面临的市场环境是,2017年之前国内公共直流充电桩中,500V充电桩的比例一度超过90%。这也意味着,如果车辆电池包的电压高于500V,即电池包电压大于充电桩能提供的最高电压,那么将无法充电。
所以,要想让电动汽车适配更多市面上的充电桩,就需要通过某种方式,将充电桩输入的电压提升到电池包相同或更高的水平。传统的做法是在车内增加额外用于升压的DC-DC模块,采用boost升压电路进行升压,不过额外增加的模块,一方面增加成本,另一方面也占用车内宝贵的空间。
有没有更低成本的方法?在boost升压电路中,一般是由功率开关管,比如IGBT、SiC MOSFET等,以及整流二极管、电感电容等元器件构成。恰好电机控制模块中,其实也是由类似的元件构成。在平时充电的时候车辆都会处于静止状态,那么闲置的电机控制电路就可以复用作为充电时升压使用。
比亚迪在2021年发布的e平台3.0上,推出了复用电驱系统的升压充电方案,通过控制信号的改变,除了可以实现boost电路的升压之外,还能实现buck电路降压,将电池包高压降为220V,外放输出给电器设备使用,即V2L功能。
当然,比亚迪积极推进这种技术的原因,主要是因为比亚迪是较早在电动车上使用高压电池包的车企,早在2015年比亚迪就在唐DM上使用了712V的电池包,而当时其他电动车或混合动力车型电池电压还停留在400V以下的水平。
后来现代E-GMP平台也采用了复用电驱的升压方案,充电时用后驱动电机系统进行升压。
电驱复用升压充电也有一些局限性,充电功率的上限,取决于电机逆变器的功率设计。比如后电机的最大功率是160kW,那么升压充电的最大功率也会被限制在160kW。
升流充电顾名思义,提升充电功率的方式从提高电压,改为增大电流。传统的充电方法通常受限于较低的电流,这是因为大部分充电基础设施,尤其是公共充电桩,设计时考虑的是普遍适用性和安全性,因而电流上限不高。
实际上,经过最近几年电动汽车市场的快速发展,充电桩已经得到了多轮升级,目前根据腾势统计的数据,750V以上的高压充电桩,已经占到目前市场上公共直流桩的80%以上。另外800V平台车型,绝大部分的电池包电压都在700V附近,所以目前对于电动汽车来说,升压对于提升充电功率的作用已经没有过去那么明显。
对于公共充电桩而言,过去的充电桩国标中,充电枪最高输出电流被限制在250A。当然有一些新势力车企的自建桩可以达到更高的电流,以达到更高的充电功率,但总体来说,在公共充电桩中占比较小。
比亚迪统计的数据显示,市场上的公共直流充电桩中,最大电流250A及以下的充电桩占比98%。
然而以750V的充电桩为例,在最大电流250A的情况下,最大充电功率是750V*250A,即187.5kW。如果电池包电压小于750V,比如600V,那么对应的最大充电功率就受限于电流,为600V*250A,即150kW,显然没有完全利用充电桩的功率输出。
所以在e平台3.0EVO上,比亚迪给出的方案是临时搭建750V电压平台与充电桩对接,跑满功率,而在输入电池包的阶段将电压降至电池包电压。在降压的过程,如果电池包电压是600V,那么电流就会变成187.5kW/600V,即312.5A。
所以通过这种方式,相比普通的充电方案,从150kW充电功率提高至充电桩峰值187.5kW,如果电池包电压更低,那么提升的幅度将会更大。
可以看到,升流充电的方式,最大的好处是更好地适配市面上的存量充电桩,即在任何750V充电桩上都可以跑满功率。
大电流带来的新挑战
市面上,提高充电功率的思路,大部分是从两个方面入手,一是从充电桩上,采用自建充电桩,液冷充电线缆等提高电压和电流;二是提高电池的充放电能力,比如理想的5C电池包。
确实这种是彻底提升充电功率,实现充电和加油时间差不多的方式。不过面对市场上存量的充电桩,尽可能提高充电功率也是一种思路。
相比之下,降压升流充电相比以往的升压充电,更大的电流也带来了很多新的挑战。
首先是在电池上,电池本身具有内阻,增大充电电流会增加电池内部的热量生成,这对电池包冷却系统带来了更大的压力。同时,升流充电要求更复杂和精确的电池管理策略,BMS需要能够实时监测电池状态并调整充电参数,以防止过充或过放,同时确保电池温度和电压在安全范围内。
同时大电流对于导线和连接器的要求也更高。首先导电线缆需要足够的截面积,以减少电阻和电压降;连接器需要能够承载高电流,具有足够的截面积和适当的形状,以降低电阻并提高机械强度。
比如Amphenol的1000V 14mm双孔金属180°大电流高压连接器系列中,在屏蔽线95mm²尺寸下最大可负载电流为400A,在120mm²尺寸下最大可负载电流为450A。
对于降压部分,从比亚迪的方案来看,同样是复用电驱系统的电路。在Buck降压转换电路中,电流通过电感,将能量以磁的形式存储在电感中,通过控制开关管的导通和断开,基于电感的自感应特性,就可以将电磁能转化为电能。同时电容起到平滑输出电压的作用,加上通过PWM控制,来降低输出的电压。
而在这个过程中,电感的散热也是一个难点之一,在降压的过程中,电感起到类似于燃油车变速箱的作用。所以可能需要支持大电流,散热更强的电感。比如科达嘉的VPAB系列一体成型大电流电感,电感值0.82μH~3.30μH,饱和电流176A~335A,通过AEC-Q200标准最高级别Grade 0测试,产品工作温度-55℃~+165℃。
小结:
升流快充要解决的问题,主要是对存量充电桩进行适配,实现大多数场景下都能达到尽可能高的充电功率。不过随着电动车市场的发展,充电桩也将会继续往更大功率发展,包括国标也有chaoji充电接口的备选方案,预留了1000A以上的超大功率充电空间,而此前250A限制的2015版充电国标,也早已有了升级版。 所以升流快充未必会在未来有很大发展空间,但在现阶段确实是一个较为实用,有效提高充电体验的方案。
升流充电是升压充电的“逆向操作”
在升压充电推出时,电动汽车所面临的市场环境是,2017年之前国内公共直流充电桩中,500V充电桩的比例一度超过90%。这也意味着,如果车辆电池包的电压高于500V,即电池包电压大于充电桩能提供的最高电压,那么将无法充电。
所以,要想让电动汽车适配更多市面上的充电桩,就需要通过某种方式,将充电桩输入的电压提升到电池包相同或更高的水平。传统的做法是在车内增加额外用于升压的DC-DC模块,采用boost升压电路进行升压,不过额外增加的模块,一方面增加成本,另一方面也占用车内宝贵的空间。
有没有更低成本的方法?在boost升压电路中,一般是由功率开关管,比如IGBT、SiC MOSFET等,以及整流二极管、电感电容等元器件构成。恰好电机控制模块中,其实也是由类似的元件构成。在平时充电的时候车辆都会处于静止状态,那么闲置的电机控制电路就可以复用作为充电时升压使用。
比亚迪在2021年发布的e平台3.0上,推出了复用电驱系统的升压充电方案,通过控制信号的改变,除了可以实现boost电路的升压之外,还能实现buck电路降压,将电池包高压降为220V,外放输出给电器设备使用,即V2L功能。
当然,比亚迪积极推进这种技术的原因,主要是因为比亚迪是较早在电动车上使用高压电池包的车企,早在2015年比亚迪就在唐DM上使用了712V的电池包,而当时其他电动车或混合动力车型电池电压还停留在400V以下的水平。
后来现代E-GMP平台也采用了复用电驱的升压方案,充电时用后驱动电机系统进行升压。
电驱复用升压充电也有一些局限性,充电功率的上限,取决于电机逆变器的功率设计。比如后电机的最大功率是160kW,那么升压充电的最大功率也会被限制在160kW。
升流充电顾名思义,提升充电功率的方式从提高电压,改为增大电流。传统的充电方法通常受限于较低的电流,这是因为大部分充电基础设施,尤其是公共充电桩,设计时考虑的是普遍适用性和安全性,因而电流上限不高。
实际上,经过最近几年电动汽车市场的快速发展,充电桩已经得到了多轮升级,目前根据腾势统计的数据,750V以上的高压充电桩,已经占到目前市场上公共直流桩的80%以上。另外800V平台车型,绝大部分的电池包电压都在700V附近,所以目前对于电动汽车来说,升压对于提升充电功率的作用已经没有过去那么明显。
对于公共充电桩而言,过去的充电桩国标中,充电枪最高输出电流被限制在250A。当然有一些新势力车企的自建桩可以达到更高的电流,以达到更高的充电功率,但总体来说,在公共充电桩中占比较小。
比亚迪统计的数据显示,市场上的公共直流充电桩中,最大电流250A及以下的充电桩占比98%。
然而以750V的充电桩为例,在最大电流250A的情况下,最大充电功率是750V*250A,即187.5kW。如果电池包电压小于750V,比如600V,那么对应的最大充电功率就受限于电流,为600V*250A,即150kW,显然没有完全利用充电桩的功率输出。
所以在e平台3.0EVO上,比亚迪给出的方案是临时搭建750V电压平台与充电桩对接,跑满功率,而在输入电池包的阶段将电压降至电池包电压。在降压的过程,如果电池包电压是600V,那么电流就会变成187.5kW/600V,即312.5A。
所以通过这种方式,相比普通的充电方案,从150kW充电功率提高至充电桩峰值187.5kW,如果电池包电压更低,那么提升的幅度将会更大。
可以看到,升流充电的方式,最大的好处是更好地适配市面上的存量充电桩,即在任何750V充电桩上都可以跑满功率。
大电流带来的新挑战
市面上,提高充电功率的思路,大部分是从两个方面入手,一是从充电桩上,采用自建充电桩,液冷充电线缆等提高电压和电流;二是提高电池的充放电能力,比如理想的5C电池包。
确实这种是彻底提升充电功率,实现充电和加油时间差不多的方式。不过面对市场上存量的充电桩,尽可能提高充电功率也是一种思路。
相比之下,降压升流充电相比以往的升压充电,更大的电流也带来了很多新的挑战。
首先是在电池上,电池本身具有内阻,增大充电电流会增加电池内部的热量生成,这对电池包冷却系统带来了更大的压力。同时,升流充电要求更复杂和精确的电池管理策略,BMS需要能够实时监测电池状态并调整充电参数,以防止过充或过放,同时确保电池温度和电压在安全范围内。
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比如Amphenol的1000V 14mm双孔金属180°大电流高压连接器系列中,在屏蔽线95mm²尺寸下最大可负载电流为400A,在120mm²尺寸下最大可负载电流为450A。
对于降压部分,从比亚迪的方案来看,同样是复用电驱系统的电路。在Buck降压转换电路中,电流通过电感,将能量以磁的形式存储在电感中,通过控制开关管的导通和断开,基于电感的自感应特性,就可以将电磁能转化为电能。同时电容起到平滑输出电压的作用,加上通过PWM控制,来降低输出的电压。
而在这个过程中,电感的散热也是一个难点之一,在降压的过程中,电感起到类似于燃油车变速箱的作用。所以可能需要支持大电流,散热更强的电感。比如科达嘉的VPAB系列一体成型大电流电感,电感值0.82μH~3.30μH,饱和电流176A~335A,通过AEC-Q200标准最高级别Grade 0测试,产品工作温度-55℃~+165℃。
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