天天百事通!新能源大功率發展趨勢及電連接高電壓、大電流應對方案
時間:2023-06-23 00:02:44
眾多主機廠和全球知名的汽車零部件供應商,主機廠包括小鵬、理想、深藍、廣汽埃安等,零部件供應商包括博格華納、采埃孚、華為、匯川等,紛紛推出了自主研發的高壓電驅系統,以及相關技術如 SiC 碳化硅功率模塊和油冷電機。高壓電驅系統的提前布局,將為 800V 高壓快充產業放量做好充足的準備。
也看到了特斯拉使用鋁棒,在一定程度提升了載流能力,但也不影響其安裝空間,并提升了安裝便利性
(資料圖片僅供參考)
隨著電池容量的不斷增大,充電電流不斷增大,目前充電座提升充電電流有兩種方案:被動冷卻、主動冷卻;
被動冷卻:增大導體截面積,增大散熱面積,降低通流產生的熱量;如果采用電纜的結構,線徑增大,但是散熱面積增大有限,另外大線徑(超過95以上),壓接和超聲波焊接難度增大,或者工藝無法實現,給載流能力提升帶來很大困難,使用busbar更利于獲取更大的接觸面積及散熱面積,較電纜的載流能力有很大優勢,另外采用busba可以螺栓連接,連接更簡單、可靠,即使匹配了液冷槍,能夠帶走充電座的熱量也是有限的,想要達到槍同等級別的能力,還是需要增大導體面積,此時只能采用busba。
主動冷卻:1)大功率液冷充電槍是通過一個電子泵來驅動冷卻液流動,冷卻液在經過液冷線纜時(液冷線纜在工作時由于承載大電流會發熱),帶走線纜及充電連接器的熱量,回到油箱(儲存冷卻液),然后通過電子泵驅動經過散熱器散發熱量,如此循環工作,可以達到小截面積線纜通載大電流、低溫升的要求,這種方案槍線能夠得到很好的冷卻,線徑更細,更方便充電,婦女小孩都可以操作,但是對于插座來講線束沒有冷卻,不利于獲得更高的電流。
2)在充電插座上增加液冷版,利用整車的電池系統冷源對充電插座連接部位進行冷卻,目前新能源車基本標配液冷,且冷卻液溫度較目前充電樁的冷卻液低,易獲得更大的充電電流,但此種方案可能更適用于大電量的商用車,就比如特斯拉semi兆瓦級充電,槍、座同時冷卻,乘用車電量較商用車低很多,采用被動冷卻方式即可。
特斯拉semi兆瓦級充電
從特斯拉公布的對比圖看,V4樁的性能提升可謂是非常之大。導體的電流密度由V3的13A/mm2提升至了35A/mm2,提高了近3倍(見下方柱狀圖)。
充電電纜電流密度的提升得意于特斯拉V4充電樁采用了浸入式冷卻技術,V3充電樁采用的是冷卻管路冷卻導體。
大功率液冷充電槍是通過一個電子泵來驅動冷卻液流動,冷卻液在經過液冷線纜時(液冷線纜在工作時由于承載大電流會發熱),帶走線纜及充電連接器的熱量,回到油箱(儲存冷卻液),然后通過電子泵驅動經過散熱器散發熱量,如此循環工作,可以達到小截面積線纜通載大電流、低溫升的要求。
正負極電纜分別與正、負冷卻管路構成整個冷卻回路。
正因為如此V4整體要比V3看上去更大一些。
Elon 說,新的 Supercharger V4 系統將支持 1000V 充電,其充電電纜與當前的 V3 電纜像蛇形一樣優雅,而不是像象鼻一樣,考慮到 1MW以上的充電功率,特斯拉采用了創新的液體冷卻技術。
特斯拉V3的最大充電功率為250KW,V4的電纜電流密度是V3的2.5倍,相同電纜截面積的電纜,V4的充電功率可提升至625KW,另外Supercharger V4 系統將支持 1000V 充電,電壓提升了2倍以上,所以在與V3同樣充電電纜截面的條件下,Supercharger V4 的充電功率最低可以達到1.25兆瓦。
正式因為Supercharger V4提供了兆瓦級的充電,特斯拉semi才實現了30min充電70%的電量,從特斯拉semi、30min充電70%,我們再來反推一下他的30分鐘的充電功率。
我在維基百科查到,特斯拉semi動力電池的電輛是900KW,70%的電量為630KW,30min充電630KW,那充電功率就在1.26兆瓦,跟前邊的推論基本一致。
按照推論充電功率在1.26兆瓦,電壓平臺為1000V,如果按照恒流充電的策略,特斯拉semi前30min的充電電流將達到1260A。
結合Supercharger V3,V3充電soc在10%~25%區間充電功率達到250KW,25%~60%區間充電功率降至150KW,受到電池發熱后的限制,不得不把充電功率下調,以此來看特斯拉semi的充電功率應該會是同樣的策略。
前期我們看到的特斯拉semi的充電口是這個樣子的,由4對功率端子組成達到兆瓦級的充電功率,提升充電速度。
充電時槍是這樣子,怎么看都是個臨時方案。
現在新的充電槍結構是多觸電,扁平結構,個人分析扁平結構的端子整體可以獲得更大的載流能力,不用再分散成為幾個功率端子,這樣更加的有利于液冷方案的實施。另外從充電座端講,充電座采用扁平端子,可以使用銅牌或鋁牌并聯的方式進行連接,使充電座更加的簡單安裝,且比電纜更能獲得更高的載流能力,就如下方結構的充電插座一樣。
從特斯拉來看,歐美在充、換電這兩種路線上,不管是乘用車、重型商用車篤定了大電流充電的路線,估計不會有發展換電可能,CharIN 在前面幾個月正式推出了用于重型車輛的兆瓦充電系統(MCS)直流快速充電連接器。
從歐美的觀點來看:◎重型車輛根據不同的梯度來配置不同的里程;◎圍繞配電和儲能網絡構建快充系統;◎重卡和乘用車采用相似的可支持的結構發展。
CharIN給出的MCS連接器的具體要求:◎單導電插頭;◎最大電壓1.250V;◎最大電流3000A;◎PLC + ISO/IEC 15118;◎觸摸安全(UL2251);◎充電連接器手柄上的軟件解釋覆蓋開關;◎遵守OSHA和ADA(及當地同等標準)標準;◎FCC A類EMI(和當地等效);◎位于車輛左側,大致與臀部高度;◎能夠實現自動化(支持充電機器人);◎UL(NRTL)認證;◎網絡安全;◎V2X(雙向)
MCS的設計最大電流為3,000A(3kA),最高可達1,250V(1.25 kV),整體的設計規格最高的定義為3,750kW(3.75MW)峰值功率。這和CCS Combo(Type1和Type2)連接器的 350-500kW 高出接近10倍。
目前MCS連接器的工作原型已=在Alpitronic充電系統和Scania電動卡車上進行了演示,能夠接收超過1MW的功率(在充電樁和電動汽車內部雙向液冷的加持下,可以達到3MW+)。根據CharIN的網站:
Semi電池模塊化,根據不同配置(續航能力)新增與減少電池數量;模塊化整體高壓回路設計,取消慣用串聯電池包正負極設計或單獨電池包對控制單元回路設計。
還有一個亮點就是我們發現了用在tesla modelY充電上的鋁棒通用使用在了Semi的電池線束上邊。
最后給大家附幾張Semi的透視圖
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