800V高压系统会出现在非道路应用中吗?

文摘   科技   2023-12-05 11:47   江苏  


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虽然大多数电动乘用车使用 400 V 动力总成,但少数 OEM 现在已经发布了采用 800 V 架构的车型。这些大功率系统具有一系列优势,但必须考虑一些注意事项,这些问题可能会影响动力总成在其他机器类型中的采用。

例如,生产高功率架构不仅仅是向现有系统注入更多能量;增加到 800 V 带来了一系列新的限制条件,需要重新设计电池组和管理系统、电机/驱动器所有相关组件。

电压和电流

在设计电动汽车动力总成时,电压和电流是两个主要变量,其中(对于相同功率)一个变量越大意味着另一个变量越小。最终目标是建立一个平衡两者的系统,同时开发最小的能量损失。

这种电路可以比作液压回路,其中水流速等于电流,泵压力等于电压,管道直径与电缆尺寸有关。将流体泵入回路,产生的压力相当于电压。在液压回路中,更强大的泵可以增加水压。DC/DC转换器可以实现类似的电压增加,虽然具有更高电压的电池组也能提供额外的优势。

这涵盖了能量输送的基础知识。从充电水平来看,这些很大程度上取决于充电器的最大输出。可以通过提高电流水平来提高充电速度,但这会在充电器和电缆中产生更多的热量(以及相关的能量损失)。因此,目标是提高电压输出和降低电流,以缩短充电时间。800 V 系统可以接受比 400 V 等效电压高得多的电压。

更高的电压还有其他好处。高压架构可以在不增加电流的情况下为驱动电机提供更多功率。较低的电流水平意味着可以在线束中使用更轻的电缆,从而显着减轻重量并节省成本。减少热量积聚还有助于延长电池寿命并延长其他系统组件的使用寿命。

乘用车 800 V

使用 800 V 电气系统的乘用车车型包括保时捷 Taycan/奥迪 e-Tron GT。还有类似的现代 Ionic 5、Ionic 6 和起亚 EV6。这些车型的降温效率如此之高,与配备 400 V 系统的汽车不同,它们可以执行重复的高功率输出,而不会对系统产生不利影响。

但也许最重要的是(至少从用例的角度来看)是更高电压/更低电流的电气系统可以接受更高功率的充电速率,从而大大缩短充电时间。

保时捷 Taycan 800 V 系统采用的电池架构(图片:保时捷)

例如,现代和起亚车型(均使用相同的动力总成)可以以高达 235 kW 的功率充电。保时捷/奥迪将功率提高到 270 kW。这些数字大大缩短了充电时间。保时捷/奥迪可以在 22 分钟内从 5% 充电到 80%;使用更小的电池组,现代/起亚车型可以在短短 18 分钟内从 10% 充电到 80%。

相比之下,2021 款雷克萨斯 UX 300e 只能提供 50 kW 的最大直流充电速率。不出所料,这提供了相对较慢的充电速率。随着越来越多的充电点提供 800 V 系统支持的更高输出,接受更高充电速率的能力有效地使这些车型在未来更有市场。

还应该指出的是,随着购车者对电动汽车越来越熟悉,最大充电率将成为车辆选择的关键决定因素——就像任何其他电动机器一样。那些提供较高充电时间车型的公司可能会遭受挫折。

包括Stellantis、丰田、通用汽车和沃尔沃子品牌Polestar在内的一系列其他原始设备制造商现在正在为其下一代电动汽车开发800 V技术。据报道,特斯拉将在即将推出的Cybertruck上使用其首个800 V系统。虽然这将缩短充电时间,但人们怀疑是因为追求减少材料从而有助于提高车辆的利润率。

Cybertruck是特斯拉首款采用800V系统的乘用车(图片:特斯拉汽车)

特斯拉的V4超级充电的最大输出功率为350kW。虽然很难追踪具体数字,但预计Cybertruck将能够“充分利用”该功率输出。Cybertruck的800 V技术最终是否会移植到特斯拉乘用车上,所有这些乘用车都使用400 V架构,还有待观察。

使用 800 V 系统的商用车

乘用车并不是唯一开始出现800V架构的车辆。比如梅赛德斯-奔驰透露,它将在其新的eActros 600重型卡车中使用大功率系统。

梅赛德斯-奔驰 eActros 600 (图片:戴姆勒卡车)

与 eActros 300 和 400 一样,“600”是指板载电池的总存储容量。磷酸锂铁电池组的总容量为 621 kWh。eActros 600 采用带有两个集成电机的刚性电桥,预计单次充电续航里程约为 500 公里。

充电将以约400 kW的速度完成,尽管有报道称eActros 600可以支持高达1 MW(即1,000 kW)的传输系统。根据原始设备制造商的说法,使用这种超大的充电容量,800 V 系统将允许在“不到 30 分钟”的时间内充电 20% 到 80%。

eActros 600 预计将于 2024 年年中左右在德国沃思的梅赛德斯-奔驰工厂开始组装,用于控制单元和电动车型高压组件的模块将从曼海姆工厂交付,而电动车桥将从卡塞尔工厂交付。

特斯拉 Semi 拥有 1000 V 动力总成和 3个电机(图片:Tesla Motors)

虽然我们已经研究了特斯拉以及该公司如何在其 Cybertruck 上使用 800 V 系统,但应该指出的是,该 OEM 在其电池电动 Semi 商用车方面更进一步,并安装了 1000 V 动力总成。

与 800 V 系统一样,其目的是从其电池组中获得最佳续航里程性能;特斯拉尚未公布具体数字,但怀疑Semi的车载电池容量在850至1000千瓦时之间。客户报告说,满载卡车的功率达到 2.72 kWh/Km。

此外,1000 V 架构可以从卡车的三电机配置中获得最佳动力性/经济性。借鉴了Model S和Model X的Plaid变体,在6x2 Semi上,一个车轴上有两个电机来支持加速模式,另一个车轴上有一个电机用于高速公路/巡航模式。今后可能会增加4电机车型,以进一步提高效率。

非道路用高压系统

随着乘用车和商用车开始意识到 800 V(及更高)系统的优势,这种高压电气系统在非道路领域是否有未来?

在 2019 年 bauma 展上,利勃海尔推出了 R 9200 E 电动矿用挖掘机。这台重达 210 吨的机器需要 6000 V 的电压来为其系统供电。但是,在移动时,对于大多数需要移动频繁的非道路应用来说,需要安装大量拖线电缆是不太可行的。

利勃海尔R9200 E矿用挖掘机(照片:利勃海尔)

在高负载运行期间,大型机器每一个动作都在消耗大量电能,所以对于大型机器更快的充电速度和适度提高的效率可能是有益的,但趋势仍然是高容量电池。

因此,800 V 系统是否有机会在更传统的挖掘机和拖拉机上采用?

凯斯纽荷兰工业集团电气化产品组合管理负责人 Mario de Amicis 表示,800 V 系统为非公路和农业平台提供了独特的优势;这些机器将需要各种电气系统来替代当前由 25 至 500 马力内燃机提供动力的产品。

他指出:“[800 V系统]将通过实现更快的充电时间、更高的工作范围和更长的续航时间,转化为更好的客户体验。

“除了在汽车市场看到的优势外,农业设备还为农机具提供动力。可以在更高的电压范围内带来更高的功率传输、更好的能量管理和更高的效率。

“800 V 系统面临着供应商基础有限、安全要求增加和组件成本增加的挑战。但随着汽车领域的发展,情况可能会变得更加有利——在我看来,800 V将在不久的将来成为农业的标准应用。

技术采用

与氢内燃机一样,在任何应用(道路或非道路)中更广泛地采用 800 V 动力总成将受到相关部件的限制。与仍然罕见的加氢站一样,仍然只有有限数量的充电站提供 800 V充电架构。

但至少在一个案例中,技术应用的速度似乎让一家大型原始设备制造商感到意外。

保时捷和奥迪的母公司大众汽车公司(Volkswagen AG)选择不在自己的电动汽车车型系列中推出曾为Taycan和e-Tron GT开发的800 V架构,原因是零部件供应和成本问题。但凭借 800 V 系统,现代 Ionic 5 的充电性能是大众 ID4 的两倍——而两款车型的零售价大致相同。

也许大众没有意识到其他汽车制造商采用800V技术的速度有多快。但是,大众试图通过限制成本并仅为其高端品牌保留高压充电技术,可能会对大众自己的电动汽车车型的市场表现产生持久的影响。


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