Die Aufrüstung auf eine 800-V-Hochspannungsplattform erfordert Anpassungen des dreielektrischen Systems, um die Zuverlässigkeitsanforderungen an Spannungsfestigkeit und Isolierung zu erfüllen, die durch den Anstieg der elektrischen Spannung entstehen.
Die BMS-Kosten eines 800-V-Akkus sind etwa ein Drittel höher als bei einem 400-V-Akku. Auf der Kostenseite erfordert ein 800-V-Akkupack doppelt so viele in Reihe geschaltete Zellen und somit doppelt so viele Spannungserfassungskanäle des Batteriemanagementsystems (BMS). Nach Berechnungen von Iman Aghabali et al. belaufen sich die gesamten BMS-Kosten eines 400-V-Akkus auf etwa 602 US-Dollar und die eines 800-V-Akkus auf 818 US-Dollar, was bedeutet, dass die Kosten für einen 800-V-Akku etwa ein Drittel höher sind die eines 400-V-Akkupacks. Durch die Spannungserhöhung werden höhere Anforderungen an die Zuverlässigkeit des Akkupacks gestellt. Die Analyse der Akkupacks ergab, dass ein Pack mit einer 4p5s-Konfiguration zuverlässig etwa 1000 Zyklen bei 25 °C durchführen konnte, während ein Pack mit einer 2p10s-Konfiguration (doppelte Spannung als 4p5s) nur 800 Zyklen erreichen konnte. Die Spannungserhöhung verringert die Zuverlässigkeit des Akkus, hauptsächlich weil die Lebensdauer einer einzelnen Zelle verkürzt wird (nachdem die Ladeleistung erhöht wurde, wird die Laderate der Akkuzelle von 1 °C auf ≥ 3 °C erhöht und die Laderate hoch). führt zum Verlust aktiver Materialien und beeinträchtigt die Batteriekapazität und -lebensdauer. Bei Batteriepacks mit niedrigerer Spannung sind für eine höhere Zuverlässigkeit mehr Zellen parallel geschaltet.
Die 800-V-Hochspannungsplattform verfügt über einen kleineren Kabelbaumdurchmesser, wodurch Kosten und Gewicht reduziert werden. Die Querschnittsfläche der Gleichstromkabel, die Strom zwischen dem 800-V-Batteriepaket und dem Traktionswechselrichter, Schnellladeanschlüssen und anderen Hochspannungssystemen übertragen, kann reduziert werden, wodurch Kosten und Gewicht gesenkt werden. Beispielsweise verwendet das Tesla Model 3 3/0 AWG Kupferdraht zwischen dem Akku und dem Schnellladeanschluss. Bei einem 800-V-System würde die Halbierung der Kabelfläche auf ein 1-AWG-Kabel 0,76 kg weniger Kupfer pro Meter Kabel erfordern, was Kosteneinsparungen in zweistelliger Höhe zur Folge hätte. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass 400-V-Systeme niedrigere BMS-Kosten, eine etwas höhere Energiedichte und Zuverlässigkeit aufgrund geringerer Kriechstrecken und geringerer elektrischer Abstände rund um den Bus und die Leiterplatte aufweisen. Das 800-V-System hingegen verfügt über kleinere Stromkabel und höhere Schnellladeraten. Darüber hinaus kann die Umstellung auf 800-V-Batteriepakete auch die Effizienz des Antriebsstrangs, insbesondere des Traktionswechselrichters, verbessern. Durch diese Effizienzsteigerung kann die Größe des Akkupacks kleiner werden. Die Kosteneinsparungen in diesem Bereich und bei den Kabeln können die 800-V-Batterie wettmachen. Paket mit zusätzlichen BMS-Kosten. Mit der Massenproduktion von Komponenten und einem ausgereiften Kosten-Nutzen-Verhältnis werden in Zukunft immer mehr Elektrofahrzeuge die 800-V-Busarchitektur übernehmen.
2.2.2 Power-Akku: Superschnelles Laden wird zum Trend
Als zentrale Energiequelle von New-Energy-Fahrzeugen liefert das Power Battery PACK die Antriebsleistung für das Fahrzeug. Es besteht hauptsächlich aus fünf Teilen: Leistungsbatteriemodul, Struktursystem, elektrisches System, Wärmemanagementsystem und BMS:
1) Das Power-Batteriemodul ist sozusagen das „Herz“ des Batteriepacks, um Energie zu speichern und abzugeben;
2) Das Mechanismussystem kann als „Skelett“ des Akkupacks betrachtet werden, das hauptsächlich aus der oberen Abdeckung, dem Fach und verschiedenen Halterungen des Akkupacks besteht, die die Rolle des Halts, der mechanischen Stoßfestigkeit sowie der Wasser- und Staubdichtigkeit spielen.
3) Das elektrische System besteht hauptsächlich aus einem Hochspannungskabelbaum, einem Niederspannungskabelbaum und Relais, wobei der Hochspannungskabelbaum Strom an verschiedene Komponenten überträgt und der Niederspannungskabelbaum Erkennungssignale und Steuersignale überträgt ;
4) Das Wärmemanagementsystem kann in vier Typen unterteilt werden: luftgekühlte, wassergekühlte, flüssigkeitsgekühlte und phasenwechselnde Materialien. Der Akku erzeugt beim Laden und Entladen viel Wärme und die Wärme wird über das Wärmemanagementsystem abgeführt, sodass der Akku auf einer angemessenen Betriebstemperatur gehalten werden kann. Batteriesicherheit und längere Lebensdauer;
5) Das BMS besteht im Wesentlichen aus zwei Teilen, der CMU und der BMU. Die CMU (Cell Monitor Unit) ist eine einzelne Überwachungseinheit, die Parameter wie Spannung, Strom und Temperatur der Batterie misst und die Daten an die BMU (Battery Management Unit, Batteriemanagementeinheit) übermittelt, sofern die BMU Auswertungsdaten erhält Wenn ein Fehler auftritt, wird eine Meldung über niedrigen Batteriestand ausgegeben oder der Lade- und Entladepfad unterbrochen, um den Akku zu schützen. Auto-Controller.
Nach Angaben des Qianzhan Industry Research Institute entfallen aus Sicht der Kostenaufteilung 50 % der Stromkosten von Fahrzeugen mit neuer Energie auf die Batteriezellen, auf Leistungselektronik und PACK entfallen jeweils etwa 20 % sowie BMS- und Wärmemanagementsysteme 10 % ausmachen. Im Jahr 2020 beträgt die installierte Kapazität globaler Power-Battery-PACKs 136,3 GWh, ein Anstieg von 18,3 % im Vergleich zu 2019. Die Marktgröße der globalen Power-Battery-PACK-Industrie ist schnell von etwa 3,98 Milliarden US-Dollar im Jahr 2011 auf 38,6 Milliarden US-Dollar im Jahr 2017 gewachsen Die Marktgröße von PACK wird 186,3 Milliarden US-Dollar erreichen, und die CAGR von 2011 bis 2023 wird etwa 37,8 % betragen, was auf einen riesigen Marktraum hinweist. Im Jahr 2019 betrug die Größe des chinesischen Marktes für Power-Batterie-PACKs 52,248 Milliarden Yuan, und die installierte Kapazität stieg von 78.500 Sätzen im Jahr 2012 auf 1.241.900 Sätze im Jahr 2019, mit einer durchschnittlichen jährlichen Wachstumsrate von 73,7 %. Im Jahr 2020 wird die gesamte installierte Kapazität von Strombatterien in China 64 GWh betragen, was einem Anstieg von 2,9 % gegenüber dem Vorjahr entspricht. Die technischen Hürden für das Schnellladen von Hochleistungsbatterien sind hoch und die Einschränkungen komplex. Laut Lithium-Ion Battery Fast Charging: A Review kommen die Faktoren, die das Schnellladen von Lithium-Ionen-Batterien beeinflussen, auf verschiedenen Ebenen wie Atomen, Nanometern, Zellen, Batteriepaketen und Systemen, und jede Ebene enthält viele potenzielle Einschränkungen. Laut der Gaogong-Lithiumbatterie sind die schnelle Lithiumeinfügung und das Wärmemanagement der negativen Elektrode die beiden Schlüssel zur Schnellladefähigkeit. 1) Durch die Hochgeschwindigkeits-Lithium-Interkalationsfähigkeit der negativen Elektrode können Lithiumausfällungen und Lithiumdendriten vermieden werden, wodurch ein irreversibler Rückgang der Batteriekapazität und eine Verkürzung der Lebensdauer vermieden werden. 2) Die Batterie erzeugt bei schneller Erwärmung viel Wärme und kann leicht kurzschließen und Feuer fangen. Gleichzeitig benötigt der Elektrolyt auch eine hohe Leitfähigkeit, reagiert nicht mit den positiven und negativen Elektroden und kann hohen Temperaturen standhalten, flammhemmend sein und eine Überladung verhindern.
Offensichtliche Vorteile von Hochdruck
Elektrischer Antrieb und elektronisches Steuerungssystem: Neue Energiefahrzeuge fördern das goldene Jahrzehnt von Siliziumkarbid. Zu den Systemen mit SiC-Anwendungen in der Systemarchitektur neuer Energiefahrzeuge gehören hauptsächlich Motorantriebe, On-Board-Ladegeräte (OBC)/Off-Board-Ladesäulen und Stromumwandlungssysteme (On-Board-DC/DC). SiC-Geräte bieten größere Vorteile bei Fahrzeuganwendungen mit neuer Energie. Der IGBT ist ein bipolares Gerät und beim Ausschalten entsteht ein Schweifstrom, sodass der Ausschaltverlust groß ist. MOSFET ist ein unipolares Gerät, es gibt keinen Schweifstrom, der Einschaltwiderstand und der Schaltverlust des SiC-MOSFET sind stark reduziert und das gesamte Leistungsgerät weist hohe Temperaturen, einen hohen Wirkungsgrad und Hochfrequenzeigenschaften auf, was die Energieumwandlungseffizienz verbessern kann.
Motorantrieb: Der Vorteil der Verwendung von SiC-Geräten im Motorantrieb besteht darin, die Effizienz des Controllers zu verbessern, die Leistungsdichte und Schaltfrequenz zu erhöhen, Schaltverluste zu reduzieren und das Kühlsystem des Kreislaufs zu vereinfachen, wodurch Kosten und Größe reduziert und die Leistungsdichte verbessert werden. Der SiC-Controller von Toyota reduziert die Größe des Elektroantriebscontrollers um 80 %.
Stromumwandlung: Die Rolle des integrierten DC/DC-Wandlers besteht darin, den von der Leistungsbatterie ausgegebenen Hochspannungs-Gleichstrom in Niederspannungs-Gleichstrom umzuwandeln und so unterschiedliche Spannungen für verschiedene Systeme wie Antrieb, HVAC und Fenster bereitzustellen Aufzüge, Innen- und Außenbeleuchtung, Infotainment und einige Sensoren. Der Einsatz von SiC-Geräten reduziert Leistungsumwandlungsverluste und ermöglicht die Miniaturisierung von Wärmeableitungskomponenten, was zu kleineren Transformatoren führt. Lademodul: Bordladegeräte und Ladesäulen verwenden SiC-Geräte, die ihre hohe Frequenz, hohe Temperatur und hohe Spannung nutzen können. Durch den Einsatz von SiC-MOSFETs kann die Leistungsdichte von On-Board-/Off-Board-Ladegeräten deutlich erhöht, Schaltverluste reduziert und das Wärmemanagement verbessert werden. Laut Wolfspeed wird der Einsatz von SiC-MOSFETs in Autobatterieladegeräten die Stücklistenkosten auf Systemebene um 15 % senken; Bei der gleichen Ladegeschwindigkeit eines 400-V-Systems kann SiC die Ladekapazität von Siliziummaterialien verdoppeln.
Tesla führt den Branchentrend an und ist der erste, der SiC in Wechselrichtern einsetzt. Der Hauptwechselrichter für den elektrischen Antrieb des Tesla Model 3 verwendet das vollständig aus SiC bestehende Leistungsmodul von STMicroelectronics, einschließlich 650-V-SiC-MOSFETs, und sein Substrat wird von Cree bereitgestellt. Derzeit verwendet Tesla SiC-Materialien nur in Wechselrichtern, und SiC kann künftig in On-Board-Ladegeräten (OBC), Ladesäulen usw. verwendet werden.
Englisch
