Nadogradnja na visokonaponsku platformu od 800 V zahtijeva prilagodbe troelektričnog sustava kako bi se ispunili zahtjevi pouzdanosti za podnosivi napon i izolaciju uzrokovane povećanjem električnog napona.
BMS cijena paketa baterija od 800 V je oko 1/3 veća od 400 V. Što se tiče troškova, baterija od 800 V zahtijeva dvostruko više ćelija u seriji, stoga zahtijeva dvostruko više kanala za senzore napona sustava upravljanja baterijom (BMS). Prema izračunima Imana Aghabalija i dr., ukupna BMS cijena paketa baterija od 400 V je oko 602 USD, a cijena paketa baterija od 800 V iznosi 818 USD, što znači da je cijena paketa baterija od 800 V oko 1/3 veća od baterija od 400 V. Povećanje napona postavlja veće zahtjeve za pouzdanost baterije. Analiza paketa baterija pokazala je da bi paket s konfiguracijom 4p5s mogao pouzdano izvesti oko 1000 ciklusa na 25C, dok bi paket s konfiguracijom 2p10s (dvostruki napon od 4p5s) mogao postići samo 800 ciklusa. Povećanje napona smanjit će pouzdanost baterije uglavnom zato što se smanjuje vijek trajanja jedne ćelije (nakon što se poveća snaga punjenja, brzina punjenja baterije će se povećati s 1C na ≥3C, a visoka stopa punjenja uzrokovat će gubitak aktivnih materijala, utjecati na kapacitet i vijek trajanja baterije). U baterijskim paketima nižeg napona, više ćelija je spojeno paralelno radi veće pouzdanosti.
Visokonaponska platforma od 800 V ima manji promjer kabelskog svežnja, čime se smanjuju troškovi i težina. Područje poprečnog presjeka DC kabela koji prenose snagu između baterije od 800 V i pogonskog pretvarača, priključaka za brzo punjenje i drugih visokonaponskih sustava može se smanjiti, smanjujući cijenu i težinu. Na primjer, Tesla Model 3 koristi bakrenu žicu 3/0 AWG između baterije i priključka za brzo punjenje. Za sustav od 800 V, prepolovljavanje površine kabela na 1 AWG kabel zahtijevalo bi 0,76 kg manje bakra po metru kabela, čime bi se uštedjelo nekoliko desetaka dolara. Ukratko, sustavi od 400 V imaju nižu cijenu BMS-a, nešto veću gustoću energije i pouzdanost zbog manje puzne staze i manje zahtjeva za električnim razmakom oko sabirnice i PCB-a. Sustav od 800 V, s druge strane, ima manje kabele za napajanje i veće brzine brzog punjenja. Osim toga, prelazak na baterije od 800 V također može poboljšati učinkovitost pogonskog sklopa, posebno pogonskog pretvarača. Ovo povećanje učinkovitosti može smanjiti veličinu baterije. Ušteda u ovom području iu pogledu kabela može nadoknaditi bateriju od 800 V. Paket dodatnih BMS troškova. U budućnosti, uz veliku proizvodnju komponenti i zrelu ravnotežu troškova i koristi, sve će više električnih vozila usvojiti arhitekturu sabirnice od 800 V.
2.2.2 Baterija: super brzo punjenje postat će trend
Kao osnovni izvor energije novih energetskih vozila, baterija PACK osigurava pogonsku snagu za vozilo. Uglavnom se sastoji od pet dijelova: modula energetske baterije, strukturnog sustava, električnog sustava, sustava upravljanja toplinom i BMS-a:
1) Modul baterije za napajanje je poput "srca" baterije za pohranjivanje i otpuštanje energije;
2) Sustav mehanizma može se smatrati "kosturom" baterije, koji se uglavnom sastoji od gornjeg poklopca baterije, ladice i raznih nosača, koji igraju ulogu potpore, otpornosti na mehaničke udarce, otpornosti na vodu i prašinu;
3) Električni sustav uglavnom se sastoji od visokonaponskog kabelskog svežnja, niskonaponskog kabelskog svežnja i releja, među kojima visokonaponski kabelski svežanj prenosi snagu različitim komponentama, a niskonaponski kabelski svežanj prenosi signale detekcije i upravljačke signale ;
4) Sustav upravljanja toplinom može se podijeliti u četiri tipa: hlađeni zrakom, hlađeni vodom, hlađeni tekućinom i materijali koji mijenjaju fazu. Baterija stvara mnogo topline tijekom punjenja i pražnjenja, a toplina se raspršuje kroz sustav upravljanja toplinom, tako da se baterija može održavati unutar razumne radne temperature. Sigurnost baterije i produženi vijek trajanja;
5) BMS se uglavnom sastoji od dva dijela, CMU i BMU. CMU (Cell Monitor Unit) je jedna jedinica za nadzor, koja mjeri parametre kao što su napon, struja i temperatura baterije, i prenosi podatke BMU (Battery Management Unit, jedinica za upravljanje baterijom), ako BMU podaci o procjeni je nenormalan, izdat će zahtjev za nisku bateriju ili prekinuti put punjenja i pražnjenja kako bi zaštitio bateriju. upravljač automobila.
Prema podacima Qianzhan Industry Research Institute, iz perspektive podjele troškova, 50% troškova energije novih energetskih vozila leži u baterijskim ćelijama, energetska elektronika i PACK svaki čine oko 20%, a BMS i sustavi upravljanja toplinom čine 10%. U 2020. godini instalirani kapacitet globalne energetske baterije PACK iznosi 136,3 GWh, što je povećanje od 18,3% u usporedbi s 2019. Tržišna veličina globalne industrije energetskih baterija PACK brzo je porasla s oko 3,98 milijardi USD u 2011. na 38,6 milijardi USD u 2017. Tržišna veličina PACK-a dosegnut će 186,3 milijarde USD, a CAGR od 2011. do 2023. bit će oko 37,8%, što ukazuje na ogroman tržišni prostor. U 2019. kinesko tržište PACK baterija iznosilo je 52,248 milijardi juana, a instalirani kapacitet povećao se sa 78.500 kompleta u 2012. na 1.241.900 kompleta u 2019., s CAGR-om od 73,7%. U 2020. godini ukupni instalirani kapacitet baterija u Kini bit će 64 GWh, što je povećanje od 2,9% u odnosu na prethodnu godinu. Tehničke prepreke brzom punjenju električnih baterija su visoke, a ograničenja složena. Prema brzom punjenju litij-ionskih baterija: pregled, čimbenici koji utječu na brzo punjenje litij-ionskih baterija dolaze s različitih razina kao što su atomi, nanometri, ćelije, paketi baterija i sustavi, a svaka razina sadrži mnoga potencijalna ograničenja. Prema Gaogong litij bateriji, umetanje litija velike brzine i toplinsko upravljanje negativne elektrode dva su ključna za sposobnost brzog punjenja. 1) Sposobnost interkalacije litija velike brzine negativne elektrode može izbjeći taloženje litija i litijeve dendrite, čime se izbjegava nepovratno opadanje kapaciteta baterije i skraćivanje vijeka trajanja. 2) Baterija će generirati puno topline ako se brzo zagrije, a lako je doći do kratkog spoja i zapaliti se. U isto vrijeme, elektrolit također treba visoku vodljivost i ne reagira s pozitivnim i negativnim elektrodama i može se oduprijeti visokoj temperaturi, usporavanju plamena i spriječiti prekomjerno punjenje.
Očite prednosti visokog tlaka
Električni pogon i elektronički upravljački sustav: Nova energetska vozila promoviraju zlatno desetljeće silicij karbida. Sustavi koji uključuju aplikacije SiC-a u novoj arhitekturi sustava energetskih vozila uglavnom uključuju motorne pogone, ugrađene punjače (OBC)/izvan ploče za punjenje i sustave za pretvorbu energije (ugrađeni DC/DC). SiC uređaji imaju veće prednosti u primjenama novih energetskih vozila. IGBT je bipolarni uređaj i postoji struja repa kada je isključen, tako da je gubitak isključenja velik. MOSFET je unipolarni uređaj, nema repne struje, otpor pri uključivanju i preklopni gubitak SiC MOSFET-a uvelike su smanjeni, a cijeli energetski uređaj ima karakteristike visoke temperature, visoke učinkovitosti i visoke frekvencije, što može poboljšati učinkovitost pretvorbe energije.
Motorni pogon: Prednost korištenja SiC uređaja u motornom pogonu je poboljšanje učinkovitosti regulatora, povećanje gustoće snage i frekvencije prebacivanja, smanjenje gubitaka pri prebacivanju i pojednostavljenje sustava hlađenja kruga, čime se smanjuju troškovi, veličina i poboljšava gustoća snage. Toyotin SiC kontroler smanjuje veličinu regulatora električnog pogona za 80%.
Pretvorba energije: Uloga ugrađenog DC/DC pretvarača je pretvaranje visokonaponske istosmjerne struje izlazne baterije u niskonaponsku istosmjernu struju, čime se osiguravaju različiti naponi za različite sustave kao što su pogonska snaga, HVAC, prozori dizala, unutarnje i vanjsko osvjetljenje, infotainment i neki senzori. Korištenje SiC uređaja smanjuje gubitke pretvorbe energije i omogućuje minijaturizaciju komponenti za raspršivanje topline, što rezultira manjim transformatorima. Modul za punjenje: Ugrađeni punjači i gomile za punjenje koriste SiC uređaje koji mogu iskoristiti prednosti svoje visoke frekvencije, visoke temperature i visokog napona. Korištenje SiC MOSFET-a može značajno povećati gustoću snage on-board/off-board punjača, smanjiti gubitke pri prebacivanju i poboljšati upravljanje toplinom. Prema Wolfspeedu, korištenje SiC MOSFET-a u punjačima automobilskih baterija smanjit će trošak BOM-a na razini sustava za 15%; pri istoj brzini punjenja sustava od 400 V, SiC može udvostručiti kapacitet punjenja od silikonskih materijala.
Tesla je predvodnik trenda u industriji i prvi je koristio SiC na pretvaračima. Glavni inverter električnog pogona Tesla Model 3 koristi STMicroelectronicsov modul za napajanje od potpuno SiC-a, uključujući 650 V SiC MOSFET-ove, a njegov supstrat osigurava Cree. Trenutačno Tesla koristi samo SiC materijale u pretvaračima, a SiC se može koristiti u ugrađenim punjačima (OBC), gomilama za punjenje itd. u budućnosti.
Engleski
