电动汽车高压平台关键技术应用分析_黄东宇.pdf

电动汽车高压平台关键技术应用分析黄 东 宇(阜阳职业技术学院,安徽 阜阳 2 3 6 0 0 0)摘 要:通过对电动汽车动力电池和高压电驱系统的关键技术进行研究分析,对比各种技术方案的优缺点。对目前的研究现状进行分析,并对未来的发展趋势提出展望。当前动力电池的续航里程正在不断增加,安全性稳步提高;电驱系统逐渐集成化;高压平台和碳化硅模块的应用提高了充电速率;热泵空调对电动汽车能量利用率也有显著提升。关键词:电动汽车;动力电池;电驱系统;高压快充;碳化硅模块中图分类号:U4 6 9.7 文献标志码:A 文章编号:2 0 9 5 9 6 9 9(2 0 2 2)0 6 0 0 6 2 0 4 近年来,为了减少对石油的依赖,推动节能减排以及提升关键领域的自主创新能力,国家大力发展新能源汽车。2 0 2 0年1 1月,国务院印发了 新能源汽车产业发展规划(2 0 2 12 0 3 5年),规划 指出:到2 0 2 5年,我国新能源汽车市场竞争力明显增强,在三大电领域取得关键技术重大突破1。随着国内外新能源汽车市场的深入发展,消费市场对电动汽车提出了更高的需求,这些需求主要体现在安全性、续航里程、充电速度、功耗等方面。在对电动汽车的电池、电机以及电控等高压电器研究过程中,一些新的技术不断涌现。1 动力电池的性能优化近年来,不断有新型电池问世。纯电动汽车动力电池目前主要采用的是磷酸铁锂电池或三元锂电池,前者安全性较高,后者能量密度较大2。1.1 更高的安全性和续航里程比亚迪部分车型选择安全性较高的磷酸铁锂电池,在结构设计、失效管控、热管控等方面进行研究,并开发出“刀片电池”。刀片电池采用叠片工艺,相比卷绕结构,叠片结构有着更均匀一致的电流密度、更小的内部电阻、优良的内部散热性能,更适合大功率放电,因此刀片电池有着更好的循环特性、安全特性和能量密度。另外,此类电池也有着更高的安全性,通过严苛的针刺试验3。为了满足长时续航的要求,一些车型不断提升车辆 的 电 池 容 量,目 前 已 有 车 型 电 池 能 量 可 达1 5 0 kWh,其N E D C(新欧洲标准行驶循环)纯电续航里程可达1 0 0 0公里。在未来的发展方向上,固态锂电池由于其采用固态的电解质,有望显著提高电动汽车动力电池的安全性和能量密度,被认为是最有前途的下一代电池技术之一4。除了锂离子电池外,还有一些新型电池在研究中,不过目前尚不具备取代锂离子电池的优势。如钠离子电池,钠电池与锂电池在基本原理和结构上差别不大,其正极材料依然是三元体系或者磷酸体系,负极则是采用硬炭作为主要材料。由于钠元素储量非常丰富,因而钠电池成本较低,但缺点是能量密度比锂离子电池低5。预计到2 0 3 5年,钠、钾离子电池性能将会大幅提高,能量密度将会达到3 0 0Wh/k g左右,与现有的高能量密度的锂离子电池差距不大6。1.2 动力电池C T C成组技术的研究电动汽车的动力电池成组技术也在快速迭代,第3 7卷 第6期2 0 2 2年1 2月 景德镇学院学报J o u r n a l o f J i n g D e Z h e nU n i v e r s i t y V o l.3 7N o.6D c e.2 0 2 2收稿日期:2 0 2 2 0 6 2 0基金项目:安徽省高等学校质量工程项目(2 0 2 0 s j j d 0 9 0)作者简介:黄东宇(1 9 8 6),男,安徽阜阳人。讲师,硕士,从事新能源汽车、汽车电器研究。从以往的传统 方案演变 成当前 主 流 车 型 使 用 的C T P方案,再到目前正在研究的C T C方案7。C T P,即C e l l t oP a c k,主要是指该动力电池包取消了中间的模组结构,由电芯直接组成电池包。C T C,即C e l l t oC h a s s i s,将电芯与底盘高度集中,直接将单体电池集成在底盘框架内,将地板上下板作为电池壳体。同时,电池本身也可作为受力元件,提高了整车的扭转刚度。另外,采用C T C成组技术方案,极大地提高车辆的空间利用率,使得车辆在垂直方向上的空间得到优化。该方案取消模组和部分结构件,减轻车重也降低成本,更进一步提高动力电池包的能量密度。另外,该方案实现整车设计的模块化和平台化,加快车型研发速度。三种技术方案的比较,见表1:表1 不同动力电池成组技术方案的比较 传统模式C T P技术C T C技术基本概念电池模组电池包车身电池电池包车身电池车身空间利用率低较高高电池电量较低提高约1 5%提高约2 0%集成度低较高高电池是否承载否否是可维修性易于更换只能更换电池包更换后需重新密封工艺要求低较高高2 电驱系统的集成化电动汽车的电气组成和控制逻辑与传统燃油汽车有较大的不同。电动汽车没有发动机、离合器、变速箱等零部件,但新增一些供电、用电或控制的设备,这些设备主要包括动力电池包、电池管理系统(BM S)、高压配电箱、直流变压器(D C D C)、车载充电器(O B C)、三相交流驱动电机、电机控制器和整车控制器等。其中,高压电系统主要包括“大三电”和“小三电”。“大三电”即是动力电池、驱动电机以及电机控制器等电器;“小三电”指的是O B C、D C D C和高压配电箱等电器。另外在机械传动部分,主要保留减速差速器,但与燃油车也有一定的差别。前期的电动汽车主要采用的是分立式结构,即各个电器单独使用,不与其他电器集成。近两年,不断有车企推出集成化的产品,如将电机、电机控制器和减速差速器集成为电驱动系统;将O B C、D C D C和高压配电箱集成为充配电总成;将电池管理器和一些传感器集成到电池包箱体内。目前,研究的方向主要是将电驱系统进一步集成,将除动力电池包以外的电机、电机控制器、高压配电箱、O B C、BM S、整车控制器、D C D C,以及减速差速器等八个部件集成在一起(见图1)。图1 八合一电驱动总成原理框图这种设计取消不必要的管线、箱体结构和紧固件,减少零部件体积和重量,优化空间结构。在部分车型设计上,取消外部的三相线,将电机和电机控制器端子直连,二者集成在一起。将电机、电控的水道直接连接,取消不必要的水管、水槽等。也有一些设计,将电机、减速器的壳体共用8。当前,集成度最高的是八合一电驱系统,它可节省一路直流电机控制电路和变压器、节省大量高压线束、磁模块体积缩小4 0%,能够实现整体体积降低约1 6%,重量降低约1 0%。电动汽车电驱系统的集成化,可带来以下四种优势:2.1 空间优化在整车长度一定的条件下,采用集成化设计可使得车辆长度一定的情况下,汽车的轴距更大,获得超越同级燃油车的驾乘空间。2.2 节能通过减少管线,整个系统变得更加小巧,冷却系统的能耗得到降低。通过电路优化减少不必要的冗余设计,使系统效率更高,降低电耗。2.3 降低成本通过精简线束,减少布线空间,节省制造成本。尤其是高压线束大量采用铜作为导体,因传导功率较高,导线半径则较大,这在电动汽车上也是不低的成本。通过集成化,可大量减少铜耗。2.4 提高开发速度362 0 2 2年第6期 黄东宇:电动汽车高压平台关键技术应用分析 集成化使得系统具有更好的移植性,一套集成系统可应用于不同的车型,提高新车型的开发速度。另外,在高压系统的信号采集及控制方面,电动汽车未来将大规模的减少低压线束,甚至会采用无线通信技术实现对传统线束的替代。由于汽车电器不同于消费类电子产品,要求有更高的安全性,一旦通讯失效,则可能会造成事故。因此,此技术方案需解决的主要问题是无线网络的稳定性和抗干扰能力。未来,各种高压电器也将逐渐统一由动力域控制器来进行控制,除了易于调用和控制,也有利于汽车实现智能网联。3 热泵空调的节能研究高压平台在热管理方面提出了更高的要求,要求达到更好的制冷制热效果的同时,也要有较低的能耗。与传统的燃油汽车不同,电动汽车的空调无法使用发动机的动力作为能量来源,在制热方面也无法使用发动机的余热,而必须使用电能。电动汽车的空调系统不仅要为驾乘人员提供舒适的车内环境,还要参与到电池电机等电器的热管理。例如,天气较冷时可以利用空调为电池加热提高电池的续航能力。然而,当前有相当一部分电动汽车的制热方式仍是采用P T C加热,这种方式能耗较高,使用时降低整车的续航里程,且采暖效果并不是十分理想。冬季打开使用P T C加热器的空调行驶时,行驶里程仅为关闭空调时的一半。目前,研发人员正在将热泵空调应用于电动汽车上,热泵空调将低位热源的热能转移到高位,使用换向阀将空调的蒸发器和冷凝器的功能互相对换,改变热量转移方向,从而达到夏天制冷冬天制热的效果。其主要优势在于,它的制热能量不仅来自消耗掉的电能,而且还将电机余热辅助制热,最终能耗大约为P T C加热方式的5 0%,可显著提高整车的续航里程。但当环境温度低于-1 0时,热泵空调就可能停止工作,目前,研究人员正在研究如何达到冬季恶劣条件下的制热要求9。4 更高的电压等级随着电动汽车市场占有率的提高,用户对电动汽车充电速度的要求越来越高。电动汽车的充电快慢取决于充电功率的大小,充电功率取决于两方面,一是充电电流,另一个是充电电压。目前主要的电动汽车普遍采用的是4 0 0 V左右的电压,若电动汽车的续航超过6 0 0 k m,其电池包需储存约9 0%的电能,即使在 充电时使用直 流快充桩,荷电状态从1 0%充到9 0%也需要约1小时,难以满足电动汽车用户对充电快速性的需求1 0。目前,中高级电动轿车续航里程普遍在5 0 0 8 0 0 Km,且 有 部 分 车 型 开 始 研 发 续 航 里 程 达1 0 0 0 Km的电动汽车,这种情况已达到和燃油车相近甚至超越的水平。里程问题基本解决,更多的是充电时间。充电电流不变的情况下,若电压提升到8 0 0 V,充电时间则减少一半,可有效缓解终端市场消费者的等待充电时的焦虑,主流电动汽车生产商正在开展相关的研发工作,并在部分车型上进行试验。除提高充电速率,在用电设备中,更高的电压也意味着在相同的功率下,电流更小,对导线和电器的铜耗也就更少,减轻整车重量,降低成本的同时也符合汽车轻量化设计要求。另外,较小的电流也可减少电池包的发热。5 电动汽车高压平台的挑战与应对虽然较高的电压等级提升了充电的速度,但对功率器件的要求更高。此前,众多电动汽车的电机控制器普遍采用I G B T(绝缘栅双极型晶体管)来用作电压驱动式功率半导体器件,但其耐压等级和开关损耗难以满足8 0 0 V以上的高压平台要求。另外,较高的充电电压也将会带来电池内部析锂现象加剧,并有可能导致锂枝晶刺穿隔膜,有一定的安全隐患。为了应对这些问题,电动汽车可采用“S i C模块+S i基负极”的技术方案。在电机控制等功率模块方面,将原有的I G B T模块替换为S i C(碳化硅)模块。与I G B T模块相比,碳化硅模块有更宽的电压范围,可通过更高的电流。同时,碳化硅模块还有着更高的功率密度、更高的可靠性、更高的工作结温、更低的寄生电感、更低的热阻等优点1 1。在比亚迪汉E V车型上,已经配备比亚迪自研的碳化硅功率器件。在吉利S E A浩瀚架构上,也将引入8 0 0 V高压平台和碳化硅器件。在高压充电方面,动力电池快充性能的掣肘主要在于负极材料。当前动力电池负极普遍采用石墨,但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46 景德镇学院学报 2 0 2 2年第6期低,高倍率快充下石墨电极极化大,电位容易降到0 V以下而析锂。如果采用硅基负极,适合快充的本征原因是嵌锂电位高,析锂风险小,容忍更大的充电电流。但使用硅基负极的电池目前存在损耗大、寿命低的问题。在工艺上,选择使用硅碳复合材料或硅氧复合材料,在使用寿命、能量密度和稳定性等多种性能之间进行平衡,以实现材料性能的综合改善。如中国科学院宁波材料技术与工程研究所的左秀霞等人,提出可通过二氧化硅前驱体的用量、粒径等相对简单易行的方法,建立结构性能关联性,实现多孔硅碳复合材料的可控制备1 2。未来,这些新型材料会随着相关技术和工