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電源模組為電動汽車提供 400V 與 800V 系統的高效轉換
保時捷、現代和通用今天都在以截然不同的方式實現 400—800V 的轉換。進一步瞭解電源模組堆疊至這些分立式設計的方式。
作者:Seishi Tsukimoto,高級應用工程師
目前,純電動汽車(BEV)和插電式混合動力汽車(PHEV)的運行電池電壓為 800V,超過了常規 400V 系列。採用 800V 電池是為了提高效能,减少快速充電的時間,應對不斷增加的功耗並延長續航里程。
電動汽車採用 800V 電池面臨重大挑戰,即大部分快速充電的公共基礎設施還不相容 800V 電池。因此,已採取措施為 800V 車輛配備內寘電源適配器,使 800V 汽車能够在常規 400V 充電樁上充電。雙向電源模組是 800V 電動汽車支持 400V 基礎設施的一種方式,也是 400V 和 800V 之間獨特的電壓轉換方式。現在,OEM 廠商正以具有各種效率的不同方式解决這個問題。
保時捷 Taycan 是首款量產的 800V 電動汽車,是 2019 年發佈的一款純電動汽車。這是一個使用 400V 充電基礎設施充電的 800V 汽車的典型示例。將充電器的 400V 輸入轉換為適合車輛 800V 電池的升壓轉換器安裝在車上,用作 DC 車載充電器。這款升壓轉換器有一個繞過轉換器輸入輸出的電路。使用 800V 充電器充電時,將繞過升壓轉換器,直接為 800V 電池充電。
圖 1:保時捷 Taycan DC 車載充電器連接
據製造商介紹,通過 800V 充電器充電時,使用 270kW 的快充將電池電量充至 80%,用時約 20 分鐘。另一方面,在使用 400V 充電器時,最大容量為 150kW,充至相同的電量大約需要 35 分鐘。
現代 IONIQ 5 也使用了 800V 主電池(2021 年上市)。IONIQ 5 同樣也有一個升壓功能,可使用常規 400V 充電器為車輛的 800V 電池充電。 但與保時捷 Taycan 不同,它沒有 DC 車載充電器,主要使用驅動電機和逆變器實現升壓功能(圖 2)。
圖 2:現代 IONIQ 5 升壓功能配寘
A 和 B 分別是驅動電機和逆變器,快速充電器通過開關 S1 連接至電池高壓端,通過開關 S2 連接至電機中性點。 車輛運行時,會打開 S1 和 S2,A 和 B 將作為正常的電機和逆變器運行。 使用 400V 充電器充電時,會關閉 S2,從而會按升壓轉換器電抗器運行電機 A,並按升壓轉換器開關運行逆變器 B,以便為車輛的 800V 電池充電。 如果充電器支持 800V,關閉 S1 並打開 S2,將繞過 A 和 B,直接為 800V 車載電池充電。 使用這種方法,無需安裝專用升壓轉換器,即可使用 400V 充電器為 800V 車輛充電。
通用悍馬電動汽車是 2021 年開始生產的純電動汽車。與之前的 800V 純電動汽車不同,高壓主電池為 400V。該車雖然採用 400V 系統,但相容 800V 充電器,提高了快速充電效能。
圖 3:通用悍馬電動車電池配寘
它具有獨特的配寘(圖 3),支持 400V 及 800V 快速充電器。車上安裝的 400V 電池分為兩個 400V 電池組。兩個 400V 電池組可通過開關 S1、S2 和 S3 的連接進行並聯或串聯。在正常情况下,包括車輛行駛時,只關閉開關 S1 和 S2,且並聯這兩個電池組,可將其用作 400V 電池。使用 400V 充電器充電時也是如此。支持 800V 充電器時,打開 S1 和 S2 開關,只關閉 S3 開關,將串聯這兩個電池組,將其用作 800V 電池。
據製造商介紹,支持 800V 充電器,不僅可實現 350kW 的快速充電,而且只需充電 10 分鐘,車輛即可行駛 160 公里。
Vicor 的電池虛擬化解決方案
電源模組製造商 Vicor 使用該公司的高密度電源模組提出了一種獨特的“電池虛擬化解決方案”。這是一種使用 400V 充電器為 800V 電池充電的升壓轉換器技術,主要使用該公司支持固定電壓轉換比的專有雙向 DC-DC 轉換器。
雙向固定比率 DC-DC 轉換器是一種沒有調節(穩壓)功能的轉換器,其中 DC-DC 轉換器的輸入輸出電壓比是固定的,電壓可用下列方程式表示:
輸出電壓=輸入電壓 x 變壓比 K
它是雙向的,因此可進行反向轉換(反向運行時,輸出電壓=輸入電壓/K),而且內部串聯阻抗小,所以可用作可轉換直流的變壓器。
圖 4:37.5kW、400V/800V 固定比率雙向轉換器
電池虛擬化解決方案在 800V 電池前部置一個變壓比為 2 的固定電壓轉換比雙向轉換器,使 800V 車輛的電池電壓看起來是400V電壓的一半(圖 5)。隨著充電的進行,800V 電池的電壓會上升,而且從充電器端看到的電壓也會按比例上升(1/2)。
圖 5:Vicor 電池虛擬化
該模組(圖 4)輸出功率為 37.5kW,峰值效率為 99%,尺寸為 92 x 80 x 7.4 毫米。通過並聯,可在狹小的空間內支持大功率、快速充電。
使用雙向電源模組的優勢是,當電池不充電時,800V 電池可為 400V 負載供電。
參考資料
- 保時捷網站
https://media.porsche.com/mediakit/taycan/ja/porsche-taycan/das-laden - JOACHIMWAGNER 博士:“電動汽車快速靈活充電的諧振解決方案”,2018 年 05 月 19 日
https://www.sae.org/news/2021/05/resonant-solution-for-fast-flexible-ev-charging - 美國專利:US-20190023136-A1
https://image-ppubs.uspto.gov/dirsearch-public/print/downloadPdf/20190023136 - 美國專利:US-11358492
https://image-ppubs.uspto.gov/dirsearch-public/print/downloadPdf/11358492 - Vicor 網站
https://www.vicorpower.com/industries-and-innovations/automotive/automotive-products - Vicor 網站
https://www.vicorpower.com/ja-jp/industries-and-innovations/automotive/dc-fast-charging
本文最初發表於 IEEJ“電動交通和能源系統集成技術委員會”的報告中。
Tsukimoto 擁有 20 多年的工業設備、汽車與衛星等領域 DC-DC 轉換研發/設計經驗,同時有 10 多年的電機逆變器研發經驗。自 2018 年以來,身為 Vicor 高級應用工程師的他,主要負責汽車技術支援。
Seishi Tsukimoto,高級應用工程師