La actualización a una plataforma de alto voltaje de 800 V requiere ajustes en el sistema de tres eléctricos para cumplir con los requisitos de confiabilidad de voltaje soportado y aislamiento provocados por el aumento del voltaje eléctrico.
El costo BMS de una batería de 800 V es aproximadamente 1/3 mayor que el de 400 V. Desde el punto de vista del costo, un paquete de baterías de 800 V requiere el doble de celdas en serie, por lo que requiere el doble de canales de detección de voltaje del sistema de administración de baterías (BMS). Según cálculos de Iman Aghabali et al., el coste total de BMS de un paquete de baterías de 400 V es de aproximadamente 602 dólares, y el de un paquete de baterías de 800 V es de 818 dólares, lo que significa que el coste de un paquete de baterías de 800 V es aproximadamente 1/3 mayor que el de un paquete de baterías de 800 V. el de una batería de 400V. El aumento de voltaje plantea mayores requisitos en cuanto a la fiabilidad del paquete de baterías. El análisis de los paquetes de baterías mostró que un paquete con una configuración de 4p5s podría realizar de manera confiable alrededor de 1000 ciclos a 25 °C, mientras que un paquete con una configuración de 2p10s (el doble de voltaje que 4p5s) solo podría lograr 800 ciclos. El aumento de voltaje reducirá la confiabilidad del paquete de baterías principalmente porque se reduce la vida útil de una sola celda (después de aumentar la potencia de carga, la velocidad de carga de la celda de la batería aumentará de 1C a ≥3C, y la alta velocidad de carga provocará la pérdida de materiales activos, afectando la capacidad y vida útil de la batería). En los paquetes de baterías de menor voltaje, se conectan más celdas en paralelo para una mayor confiabilidad.
La plataforma de alto voltaje de 800 V tiene un diámetro de mazo de cables más pequeño, lo que reduce el costo y el peso. Se puede reducir el área de la sección transversal de los cables de CC que transfieren energía entre el paquete de baterías de 800 V y el inversor de tracción, los puertos de carga rápida y otros sistemas de alto voltaje, reduciendo costos y peso. Por ejemplo, el Tesla Model 3 utiliza cable de cobre 3/0 AWG entre la batería y el puerto de carga rápida. Para un sistema de 800 V, reducir a la mitad el área del cable a 1 AWG requeriría 0,76 kg menos de cobre por metro de cable, lo que ahorraría decenas de dólares en costos. En resumen, los sistemas de 400 V tienen un menor costo de BMS, una densidad de energía y confiabilidad ligeramente mayores debido a menores distancias de fuga y menores requisitos de espacio libre eléctrico alrededor del bus y la PCB. El sistema de 800 V, por otro lado, tiene cables de alimentación más pequeños y velocidades de carga rápida más altas. Además, cambiar a paquetes de baterías de 800 V también puede mejorar la eficiencia del tren motriz, especialmente el inversor de tracción. Este aumento en la eficiencia puede hacer que el tamaño de la batería sea más pequeño. El ahorro de costes en este ámbito y en términos de cables puede compensar la batería de 800V. Costo BMS adicional del paquete. En el futuro, con la producción de componentes a gran escala y el equilibrio maduro entre costos y beneficios, cada vez más vehículos eléctricos adoptarán la arquitectura de autobús de 800V.
2.2.2 Power batería: la carga súper rápida se convertirá en tendencia
Como fuente de energía principal de los vehículos de nueva energía, el paquete de baterías proporciona energía motriz al vehículo. Se compone principalmente de cinco partes: módulo de batería de energía, sistema estructural, sistema eléctrico, sistema de gestión térmica y BMS:
1) El módulo de alimentación de la batería es como el "corazón" del paquete de baterías para almacenar y liberar energía;
2) El sistema de mecanismo puede considerarse como el "esqueleto" del paquete de baterías, que se compone principalmente de la cubierta superior, la bandeja y varios soportes del paquete de baterías, que desempeñan las funciones de soporte, resistencia a los golpes mecánicos, a prueba de agua y polvo;
3) El sistema eléctrico se compone principalmente de mazos de cables de alto voltaje, mazos de cables de bajo voltaje y relés, entre los cuales el mazo de cables de alto voltaje transmite energía a varios componentes y el mazo de cables de bajo voltaje transmite señales de detección y señales de control. ;
4) El sistema de gestión térmica se puede dividir en cuatro tipos: materiales enfriados por aire, enfriados por agua, enfriados por líquido y de cambio de fase. La batería genera mucho calor durante la carga y descarga, y el calor se disipa a través del sistema de gestión térmica, de modo que la batería se puede mantener dentro de una temperatura de funcionamiento razonable. Seguridad de la batería y mayor duración;
5) El BMS consta principalmente de dos partes, la CMU y la BMU. La CMU (Cell Monitor Unit) es una unidad de monitoreo única, que mide parámetros como el voltaje, la corriente y la temperatura de la batería, y transmite los datos a la BMU (Battery Management Unit, unidad de administración de baterías), si los datos de evaluación de la BMU es anormal, emitirá una solicitud de batería baja o cortará la ruta de carga y descarga para proteger la batería. controlador de coche.
Según los datos del Instituto de Investigación Industrial Qianzhan, desde la perspectiva de la división de costos, el 50% del costo de energía de los vehículos de nueva energía reside en las celdas de la batería, la electrónica de potencia y los PACK representan cada uno aproximadamente el 20%, y los BMS y los sistemas de gestión térmica. representan el 10%. En 2020, la capacidad instalada de PACK de baterías de energía global es de 136,3 GWh, un aumento del 18,3% en comparación con 2019. El tamaño del mercado de la industria de PACK de baterías de energía global ha crecido rápidamente de aproximadamente 3980 millones de dólares estadounidenses en 2011 a 38 600 millones de dólares estadounidenses en 2017. El tamaño del mercado de PACK alcanzará los 186.300 millones de dólares y la tasa compuesta anual de 2011 a 2023 será de aproximadamente el 37,8%, lo que indica un enorme espacio de mercado. En 2019, el tamaño del mercado de PAQUETES de baterías eléctricas de China fue de 52.248 millones de yuanes, y la capacidad instalada aumentó de 78.500 aparatos en 2012 a 1.241.900 aparatos en 2019, con una tasa compuesta anual del 73,7%. En 2020, la capacidad total instalada de baterías eléctricas en China será de 64 GWh, un aumento interanual del 2,9 %. Las barreras técnicas para la carga rápida de baterías eléctricas son altas y las limitaciones complejas. Según Carga rápida de baterías de iones de litio: una revisión, los factores que afectan la carga rápida de las baterías de iones de litio provienen de varios niveles, como átomos, nanómetros, celdas, paquetes de baterías y sistemas, y cada nivel contiene muchas limitaciones potenciales. Según Gaogong, la inserción de litio de alta velocidad y la gestión térmica del electrodo negativo son las dos claves para una capacidad de carga rápida. 1) La capacidad de intercalación de litio a alta velocidad del electrodo negativo puede evitar la precipitación de litio y las dendritas de litio, evitando así la disminución irreversible de la capacidad de la batería y acortando la vida útil. 2) La batería generará mucho calor si se calienta rápidamente y es fácil sufrir un cortocircuito e incendiarse. Al mismo tiempo, el electrolito también necesita una alta conductividad, no reacciona con los electrodos positivo y negativo y puede resistir altas temperaturas, retardo de llama y evitar la sobrecarga.
Ventajas obvias de la alta presión.
Propulsión eléctrica y sistema de control electrónico: los vehículos de nueva energía promueven la década dorada del carburo de silicio. Los sistemas que involucran aplicaciones de SiC en la arquitectura del sistema de vehículos de nueva energía incluyen principalmente accionamientos de motor, cargadores a bordo (OBC)/pilas de carga externas y sistemas de conversión de energía (CC/CC a bordo). Los dispositivos de SiC tienen mayores ventajas en aplicaciones de vehículos de nueva energía. El IGBT es un dispositivo bipolar y hay una corriente de cola cuando se apaga, por lo que la pérdida de apagado es grande. MOSFET es un dispositivo unipolar, no hay corriente de cola, la resistencia de encendido y la pérdida de conmutación del MOSFET de SiC se reducen considerablemente y todo el dispositivo de potencia tiene características de alta temperatura, alta eficiencia y alta frecuencia, lo que puede mejorar la eficiencia de conversión de energía.
Accionamiento de motor: la ventaja de utilizar dispositivos de SiC en el accionamiento de motor es mejorar la eficiencia del controlador, aumentar la densidad de potencia y la frecuencia de conmutación, reducir la pérdida de conmutación y simplificar el sistema de enfriamiento del circuito, reduciendo así el costo, el tamaño y mejorando la densidad de potencia. El controlador SiC de Toyota reduce el tamaño del controlador de propulsión eléctrica en un 80%.
Conversión de energía: la función del convertidor CC/CC integrado es convertir la salida de corriente continua de alto voltaje de la batería en corriente continua de bajo voltaje, proporcionando así diferentes voltajes para diferentes sistemas, como propulsión eléctrica, HVAC, ventanas. ascensores, iluminación interior y exterior, infoentretenimiento y algunos sensores. El uso de dispositivos de SiC reduce las pérdidas por conversión de energía y permite la miniaturización de los componentes de disipación de calor, lo que da como resultado transformadores más pequeños. Módulo de carga: Los cargadores a bordo y las pilas de carga utilizan dispositivos de SiC, que pueden aprovechar su alta frecuencia, alta temperatura y alto voltaje. El uso de MOSFET de SiC puede aumentar significativamente la densidad de potencia de los cargadores integrados y externos, reducir las pérdidas de conmutación y mejorar la gestión térmica. Según Wolfspeed, el uso de MOSFET de SiC en cargadores de baterías de automóviles reducirá el coste de la lista de materiales a nivel del sistema en un 15 %; A la misma velocidad de carga de un sistema de 400 V, el SiC puede duplicar la capacidad de carga de los materiales de silicio.
Tesla lidera la tendencia de la industria y es el primero en utilizar SiC en inversores. El inversor principal de accionamiento eléctrico del Tesla Model 3 utiliza el módulo de potencia totalmente de SiC de STMicroelectronics, incluidos los MOSFET de SiC de 650 V, y su sustrato lo proporciona Cree. En la actualidad, Tesla solo utiliza materiales de SiC en inversores, y el SiC se podrá utilizar en cargadores a bordo (OBC), pilas de carga, etc. en el futuro.
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