王琨　吳家豪

摘 要：隨著電動汽車保有量的飛速增加，電動汽車充電慢、充電難的行業(yè)痛點(diǎn)將越加明顯，對于電動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。本文對電動汽車快充技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀和技術(shù)趨勢做了分析和總結(jié)，可供從事電動汽車充電技術(shù)相關(guān)行業(yè)的研究人員作為參考。

關(guān)鍵詞：電動汽車 快充 高壓平臺

1 前言

2022年，盡管受到芯片結(jié)構(gòu)性短缺、動力電池原材料價格高位運(yùn)行等眾多不利因素的影響，但在政策和市場的雙重作用下，中國的電動汽車行業(yè)迎來了爆發(fā)式增長，純電動汽車銷量536.5萬輛，同比增長81.6%，市場滲透率達(dá)到20%。隨著電動汽車保有量的飛速增加，電動汽車充電慢、充電難的行業(yè)痛點(diǎn)將越加明顯。目前市場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，大部分純電動車實(shí)現(xiàn)SOC30%-80%需要充電40分鐘以上，可行駛約150-200km。[1]對于電動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，改造相對容易，僅需要改變電池載體即可。在電動車原有的400V電壓平臺下，通過將充電電流提升至500A+可實(shí)現(xiàn)200kW級快充，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。從第一代超級快充進(jìn)化到第三代超級快充，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快充要求。[2]

3 高電壓快充技術(shù)

純電動汽車高壓架構(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產(chǎn)生大量的熱量，對整車線束和動力電池系統(tǒng)的熱管理技術(shù)要求更高。未來，行業(yè)內(nèi)將普遍采用高電壓架構(gòu)，高電壓平臺的推出就是為了提高整車端充電效率，實(shí)現(xiàn)電動汽車快速補(bǔ)能。隨著高壓供應(yīng)鏈的逐漸成熟，目前，國內(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。

高電壓充電技術(shù)通過將動力電池系統(tǒng)電壓平臺從400V提升至800V，加快充電速度的同時可以提升整車的動力性能及續(xù)航里程，大幅降低大電流帶來車內(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]但高電壓平臺需要串聯(lián)更多數(shù)量的電池，對電動汽車的動力系統(tǒng)進(jìn)行升級匹配，價格昂貴。同時高電壓快充樁對城市的配電要求較高。目前采用800V高電壓的車型有保時捷Taycan、現(xiàn)代Ioniq5等，保時捷Taycan出于對充電速度和動力性能的追求，率先量產(chǎn)了800V電壓平臺。保時捷Taycan采取了完整的800V電池架構(gòu)，電池系統(tǒng)采用800V高壓，電動力總成，包括電驅(qū)動、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)都升級了。

800V級高電壓方案的實(shí)現(xiàn)，將會使充電功率突破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，動力電池系統(tǒng)、電驅(qū)動系統(tǒng)、PTC、空調(diào)、車載充電機(jī)等零部件都需重新適配。電驅(qū)動系統(tǒng)包括電動機(jī)、電動機(jī)控制器及傳動機(jī)構(gòu)。[4]PTC（Positive Temperature Coefficient）是一種陶瓷加熱器，是電動車制熱系統(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，就是一個直流電壓變換成另外一個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)動力電池、高壓部件均為800V；通過電驅(qū)動系統(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、動力電池、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、動力電池、高壓部件均為800V；2個400V動力電池串并聯(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：僅直流快充和動力電池為800V；交流慢充、電驅(qū)動、高壓部件均為400V；新增400V-800V DCDC，實(shí)現(xiàn)400V部件與800V動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、負(fù)載均為400V；2個400V動力電池串并聯(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)對整車電氣系統(tǒng)要求分析

（1）對動力電池材料體系和動力電池管理系統(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，更大的充電功率會對電池系統(tǒng)的熱管理帶來很高的要求，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力電池管理系統(tǒng)對高電壓系統(tǒng)架構(gòu)的實(shí)現(xiàn)極為關(guān)鍵。

（2）對于電驅(qū)動系統(tǒng)，傳統(tǒng)的Si基功率器件無法滿足高電壓平臺的耐高壓、效率高的要求。在電壓平臺從400V提升至800V時，直流母線上的浮動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平臺需要功率器件有1200V的耐壓值；電壓越高，對應(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，可以完全滿足800V電壓平臺的需求，甚至可上拓至1200V。要發(fā)展高電壓平臺，離不開SiC技術(shù)的支持，目前電機(jī)控制器驅(qū)動功率芯片多為Si基的IGBT，目前市面上已量產(chǎn)的、通過汽車級認(rèn)證的IGBT模塊屈指可數(shù)，是未來功率器件發(fā)展的主要方向。

5 結(jié)語

高電壓平臺能大幅提升整車平臺運(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，并帶來車內(nèi)線束線徑的減小，減輕重量，是解決純電動汽車充電慢痛點(diǎn)的有效手段。未來，隨著高電壓平臺的普及，我們將真正迎來電動汽車時代。

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

參考文獻(xiàn)：

[1]羅玉玲. 基于電動車主行為的充電功率預(yù)測方法研究[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.純電動汽車高電壓快充平臺技術(shù)趨勢[J].汽車制造業(yè)，2022（02）：8-10+12.