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800伏电器系统—缩短新能源汽车充电时间的关键

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2021年,全球电动汽车销量占到乘用车总销量的9%。

为了提高这一数字,除了大笔投入新的商业版图,加速开发、制造和宣传电动化,汽车制造商和供应商也在绞尽脑汁为下一代汽车组件做准备。

例如,固态电池、轴流电机以及800伏电气系统——该系统有望将充电时间缩短一半,大幅减少电池尺寸和成本,并提高传动系统的效率。

到目前为止,只有少数新车使用800伏系统,而不是普遍的400伏。

已经进入市场的800伏系统车型有:保时捷Taycan、奥迪E-tron GT、现代Ioniq 5和起亚EV6。Lucid Air豪华轿车使用了900伏的架构,不过行业专家认为,从技术上讲,它其实是800伏系统。

在电动汽车零部件供应商们看来,到2020年代末,800伏的电池架构将成为主导技术,特别是伴随着越来越多的专用800伏架构全电动平台出现,如现代汽车的E-GMP和大众汽车集团的PPE。

现代汽车E-GMP模块化电动平台由大陆集团(Continental AG)分拆出来的动力总成公司Vitesco Technologies提供800伏逆变器;大众集团PPE是旗下奥迪和保时捷共同开发的电池架构为800伏的模块化电动汽车平台。

“到2025年,使用800伏系统的车型将越来越常见。”技术研发公司吉凯恩电动传动系统部门总裁德克·凯塞尔格鲁伯(Dirk Kesselgruber)说。吉凯恩也是几家采用该技术的一级供应商之一,提供800伏的电动车桥等组件,并着眼于2025年量产。

他告诉《欧洲汽车新闻》,“我们认为800伏系统会成为主流。现代汽车也已经证明了它在价格上同样具有竞争力。”

在美国,现代IQNIQ 5起价为43650美元,较2022年2月电动汽车60054美元的均价更接地气,能够被更多消费者所接受。

Vitesco公司创新电力电子主管亚历山大·赖希(Alexander Reich)在接受采访时说:“800伏是纯电动汽车发展中合乎逻辑的下一步。”

除了为现代E-GMP模块化电动平台提供800伏逆变器,Vitesco还拿到了其他大合同,包括为一家主要的北美汽车制造商提供逆变器,为中国和日本的两家领先电动汽车制造商提供电动机。

美国汽车零件供应商博格华纳的首席技术官哈利·赫斯特德(Harry Husted)通过电子邮件表示,800伏电气系统领域的增长速度超过了几年前的预期,客户也逐渐产生了浓厚兴趣。该供应商同样赢得了一些订单,包括为一家中国豪华品牌提供集成驱动模块。


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1.  为什么800伏是“合乎逻辑的下一步”?

 

与现有的400伏系统相比,800伏系统有哪些亮点?

首先,它们可以在较低的电流下提供相同的功率。用同样的电池尺寸将充电时间提高50%。

因此,作为电动汽车中最昂贵的部件,电池可以做的更小,在整体重量减少的情况下将效率提高。

采埃孚公司电气化动力系统技术高级副总裁奥特马尔·沙勒(Otmar Scharrer)说:“电动汽车的成本还没有达到与燃油车相同的水平,较小的电池会是一个不错的解决方案。而且,为Ioniq 5这样的主流紧凑车型配备非常大的电池本身也没有意义。”

赖希说:“通过加倍的电压和相同的电流,汽车可以得到两倍的能量。如果充电时间足够快,电动汽车也许就没有必要耗费时间追求1000公里的续航能力了。”

其次,由于更高的电压以更小的电流提供相同的功率,电缆和电线也可以做得更小、更轻,减少昂贵且沉重的铜的消耗。

损失的能量也会相应减少,带来更好的续航能力,提高电机性能。而且不需要复杂的热管理系统来确保电池在最佳温度下工作。

最后,当与新兴的碳化硅微芯片技术搭配使用时,800伏系统可以将动力总成效率提高多达5%。这种芯片在开关时损失的能量少,并且对于再生制动特别有效。

供应商们表示,由于新的碳化硅芯片使用较少的纯硅,成本可能降低,能够向汽车行业提供更多的芯片。因为其他行业往往使用全硅芯片,会与汽车制造商在半导体生产线上你争我夺。

“总之,800伏系统的发展至关重要。”GKN的凯塞尔格鲁伯总结道。

 

2.  800伏的充电站网络布局

 

这里出现了另一个问题:大多数现有的充电站是基于400伏系统,采用800伏系统的汽车真的有优势吗?

行业专家们给出的答案是:有。尽管车辆需要一个基于800伏的充电基础设施。

赫斯特德说:“现有的大部分直流快速充电基础设施是为400伏的车辆准备的。为了实现800伏的快速充电,我们需要最新一代的高电压、高功率直流快速充电器。”

这对家庭充电来说不是问题,但到目前为止,美国速度最快的公共充电网络仍旧有限。赖希认为这一问题对于高速公路充电站来说就更难了。

然而在欧洲,800伏系统充电网络则正在崛起,Ionity在欧洲拥有许多800伏、350千瓦的高速公路充电点。

Ionity EU是一个多家汽车制造商合作的电动汽车高功率充电站网络项目,由宝马集团、戴姆勒公司、福特汽车和福斯汽车创立。2020年,现代汽车加入成为第五大股东。

采埃孚的沙勒说:“800伏、350千瓦的充电器意味着100公里的充电时间是5-7分钟。这也就是喝一杯咖啡的功夫罢了。”

“这确实是一个颠覆性的技术。它也会帮助汽车行业说服更多人接受电动汽车”。

根据保时捷最近的一份报告,在一个典型的50千瓦、400伏的电站中,增加250英里的续航能力需要大约80分钟;如果是100千瓦,则需要40分钟;如果对充电插头进行冷却(成本、重量和复杂性都会增加),可以进一步将时间缩短至30分钟。

报告总结道:“因此,在寻求实现更高速充电的道路上,向更高电压的转变是不可避免的。”保时捷认为,如果采用800伏的充电电压,时间将降至15分钟左右。

像加油一样方便快捷的充电——这一目标有很大可能实现。


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3.  保守行业中的先驱者

 

如果800伏技术确实如此优秀,那么值得一问的是,为什么除了前边提到的几款车型,其他几乎所有的电动汽车仍然基于400伏系统,连市场领导者特斯拉和大众也不例外呢?

沙勒和其他专家将原因归于“便利性”和“做行业第一人”。

典型的房屋使用380伏的三相交流电(电压率实际上是一个范围,而不是一个固定数值),所以当汽车制造商开始推出插电式混合动力车和纯电动汽车时,充电基础设施已经存在了。而第一波电动汽车建立在为插电式混合动力车开发的组件上,这些组件基于400伏系统。

沙勒说:“当所有人都在使用400伏电压时,代表着这就是各地基础设施中现有的电压水平。它是最方便的,即时可用的。因此大家也就不会想太多,直接决定了。”

凯塞尔格鲁伯认为保时捷是800伏系统的先驱,因为它更加注重性能而不是实用性。

保时捷敢于重新衡量这个行业从过去延续下来的东西。他会问自己:“这是否真的是最佳方案?”“我们是否可以从头开始设计?”这也正是作为一个高性能汽车制造商的魅力所在。

行业专家们纷纷认为,更多800伏的电动汽车进入市场只是时间问题。

技术上的挑战不多,但部件需要开发和验证;成本或许是一个问题,但随着规模的扩大、更小的电池和更少的铜的采用,低成本也会很快到来。

沃尔沃、Polestar、Stellantis和通用汽车已经表态,未来的车型将使用该技术。

大众集团正计划在其800伏的PPE平台上推出一系列汽车,包括新Macan和基于新A6 Avant E-tron概念车的旅行车。

许多中国的汽车制造商也已经宣布,将转向800伏架构,包括小鹏汽车、蔚来汽车、理想汽车、比亚迪以及吉利旗下的莲花汽车。

“有了Taycan和E-tron GT,你就有了具有一流性能的车辆。而Ioniq 5则充分证明了成为一辆实惠的家庭汽车的可能性。”凯塞尔格鲁伯最后说到,“如果这几款车可以做到,那么每一款车都可以做到。”