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电动汽车800V电压平台产业解析

来源:轴承厂 时间:2024/10/22
V架构是全级别车型实现快充的主流选择。对于电池端,快充实质上是提升各电芯所在支路的充电电流,而随着单车带电量超kWh以上的车型持续推出,电芯数量增加,若仍继续维持V母线电压规格,电芯并联数量增加,导致母线电流增加,对铜线规格、热管理带来巨大挑战。因此需要改变电池包内电芯串并联结构,减少并联而增加串联,方能在提升支路电流的同时维持母线电流在合理水平。由于串联数量增加,母线端电压将提升。而kWh电池包实现4C快充所要求的母线电压即为V左右。为了兼容全级别车型快充功能,V电气架构成为实现快充的主流选择。整车:会战高端化,V车桩并举。年豪车品牌保时捷推出全球首款V车型Taycan。年比亚迪汉采用了V架构,年上海车展发布的e平台3.0亦搭载V架构。随后华为、吉利、广汽、小鹏、岚图等Tier1和整车厂/品牌推出了车桩两端的解决方案,以保障快充使用体验。我们认为未来两年高端化是整车厂主战场,军备竞赛开启。补能时间是电动车面临的核心短板之一,升级V结构有利于实现快充,在短期内形成对中低端车型的差异化竞争力。长期看快充对于中低端车型亦是刚需,V架构升级具备长期趋势。

零部件与元器件:SiC和负极受益最大,其他部件平滑升级。从目前V升级至V,变化最大的零部件和元器件主要是功率半导体和电池负极。其中SiC基功率半导体由于耐压高、损耗低、开关频率高等优异性能,预计将全面替代Si基功率半导体。由于快充瓶颈在于负极,如要将目前的1C倍充电率提升至2C,再提升至4C,主流技术包括石墨包覆/掺杂硬碳、硅碳负极。其余部件则需要重新选型,提升耐压等级,但整体来看成本变化平滑。短期来看高压方案比目前方案整车成本增加2%左右,长期看有望低于目前成本,为整车厂推广建立了良好基础。

1.动因:为什么是V?

汽车电压平台演变:燃油车时代,6V-12V-48V

年汽车开始装蓄电池,电压为6V。随着汽车电器如车灯、照明、ISG等用电器件增加,用电功率需求增加,年升级为12V,并延续至今。期间还出现过42V,主要由美国发起,因零部件升级电压规格成本高而未能实现。年信息娱乐、混动等需求出现,由欧洲发起48V升级,与12V并存。

汽车电压平台演变:电动车时代,出现V高压

纯电动汽车中由于成百上千个电池串并联,整个电池包电压超百伏,与燃油车上共有的12/48V用电器形成高、低压两套电气系统。纯电动汽车高压系统主要由动力电池、配电盒、OBC、DCDC、电驱、PTC、空调、充电口等构成。

目前纯电动乘用车由于带电量不同,电压等级在-V范畴,公交车/物流车由于带电量高,电芯串联之后电池包电压范围在-V。未来乘用车有望升级至V

痛点:补能速度,两种方案——换电和快充

电动车在动力性能、智能化方面超越燃油车,续航里程也随着电池能量密度提升、电耗降低而提升到km以上水平。但整体仍面临着补能焦虑的问题,燃油车加一次油时间为5分钟,而目前快充至少要60分钟。在高峰期充电排队等候的时间亦进一步拉长;

解决补能速度的两条路线包括换电和快充,换电目前还面临盈利模式、标准统一等挑战;

目前车企更多选择快充路线,一方面快充与CTC趋势一致,另一方面技术升级路径清晰。

快充:两种技术方向

根据P=UI,提升快充功率有2种方案

提升U,代表是保时捷的V方案,A电流,实现kW充电功率

提升I,特斯拉超级快充方案,对热管理有巨大挑战,A电流,实现kW充电功率

快充:为什么至少是V?——为了向上兼容电池容量大的高端车

电池充电速度以电流倍率(C)衡量。实际应用中的限制条件是:1)充电枪有最大充电电流限制,2)不同EV有不同的电池容量,均要实现相当的快充时间。

做一个简单的算术:假设忽略电池包内部电芯连接方式,容量75/kWh的电池包,要求同样要实现7.5min充满(4min30%-80%SOC),即4C的最高倍率,最大电流为A充电枪下,根据容量=电流*电压*充电时间,75/kWh电池包母线电压将达到/V。

因此,为了向上兼容电池容量大高端车快充性能,在设计之初就将整车电压水平定在V,电池包内部电芯亦以V为标准设计串并联拓扑,最后确定电芯容量。例如,V体系下,如果是三元电芯,需要/3.6=个串联节点;若4个电芯并联,则一共需要个电芯。电池包容量是kWh,则单个NCM电芯容量为62Ah,对应电芯连接方式是4并串。V体系下,若电芯规格不变,电芯连接方式则变为2并串

V升级V还有何益处?

高压线束规格下降,用量减少,降本减重

在电压翻倍、充电功率增幅不翻倍的情形下,串联增加,高压线束电流变小

SiC逆变器使得电源频率增加,电机转速增加,相同功率下转矩减小,体积减小

电机电压翻倍,相同功率下电流减半,因此铜线细(但匝数增加,因此用铜量未减小),电流密度小,转矩变小

若需提升功率,额定电流仅需从V电机额定电流的一半开始增加

2.整车:会战高端化,V车桩并举

第一阶段:车端V系统开始应用

保时捷Taycan的TurboS引领V浪潮,自主品牌、海外合资以及造车新势力,纷纷跟进布局V

第二阶段:V车桩并举,成为品牌升级的标配

1)广州车展各车企会战高端化,消费者对电车接受度迎来清晰拐点,未来两年料将是做品牌向上最好的阶段

2)高端车比短处,低端车比长处。各家高端化升级过程中堆配置,补能是各车企共同面临的痛点,长期看快充料将成为标配。另外,快速补能对低端车亦是刚需,在换电路线发展速度比较慢的前提下,快充具备下沉潜力

3)快充的完全体验,需要车桩两端同时配合。短期来看,V快充桩普及速度有限,因此车企选择在车桩两端同时推广V(小鹏、岚图等),亦有例如华为的零部件供应商提供完整的快充解决方案

V高电压平台难在哪里?——技术+基础设施共同推进

V高电压平台面临多个难点,包括相关元器件的重新开发,电池模组安全性的提升以及半导体器件路线的改变

3.零部件与元器件:SiC和负极受益最大,其他部件平滑升级

V-V哪些零部件和元器件需要升级?

电控:V下SiC性能优异,替代Si基功率半导体趋势明确

1)SiC基功率半导体相比Si基具备更高耐压等级和开关损耗,以Si-IGBT为例,V下其耐压为V,若汽车电气架构升级至V,考虑开关电压开关过载等因素,对应功率半导体耐压等级需达V,而高电压下Si-IGBT的开关/导通损耗急剧升高,面临成本上升而能效下降的问题

2)V下SiC的耐压、开关频率、损耗表现优异,是V趋势下最大受益元器件

电控:薄膜电容提升耐压等级,短期内单车价值提升

1)薄膜电容的作用是作为直流支撑电容器,从DC-link端吸收高脉冲电流,保护功率半导体。一般一个功率半导体配一个薄膜电容,新能源车上主要用于电机控制器、OBC上,若多电机车型,薄膜电容用量亦会随之增加。另外,在直流快充桩上亦需要一个薄膜电容

2)目前薄膜电容ASP为元,V趋势下,薄膜电容的ASP需提升约20%。另外短期看,V会在高端车率先应用,高端车一般采用多电驱配置,提升薄膜电容用量

电池:负极快充性能要求提升

1)动力电池快充性能的掣肘在于负极,一方面石墨材料的层状结构,导致锂离子只能从端面进入,导致离子传输路径长;另一方面石墨电极电位低,高倍率快充下石墨电极极化大,电位容易降到0V以下而析锂

2)解决方法主要有两类

石墨改性:表面包覆、混合无定型碳,无定型碳内部为高度无序的碳层结构,可以实现Li+的快速嵌入

硅负极:理论容量高(4mAh/g,远大于碳材料的mAh/g),适合快充的本征原因是嵌锂电位高——析锂风险小——可以容忍更大的充电电流(Si:0.4VvsC:0.1V)

电机:轴承防腐蚀、绝缘要求增加

1)轴电压的产生:电机控制器供电为变频电源,含有高次谐波分量,逆变器、定子绕组、机壳形成回路,产生感应电压,称为共模电压,在此回路上产生高频电流。由于电磁感应原理,电机轴两端形成感应电压,成为轴电压,一般来说无法避免

2)转子、电机轴、轴承形成闭合回路,轴承滚珠与滚道内表面为点接触,若轴电压过高,容易击穿油膜后形成回路,轴电流出现导致轴承腐蚀

3)00V的逆变器应用SiC,导致电压变化频率高,轴电流增大,轴承防腐蚀要求增加

4)同时,由于电压/开关频率增加,V电机内部的绝缘/EMC防护等级要求提升

高压直流继电器:高性能要求驱动附加值,单车价值量提升

1)需求具有高确定性,V下产品性能要求提高,附加值提升:高压直流继电器作为自动控制开关元件,起到高压电路控制和安全保护作用,新能源车对高压直流继电器具有刚性需求;V平台电压电流更高、电弧更严重,对高压直流继电器耐压等级、载流能力、灭弧、使用寿命等性能要求提高,产品需要在触点材料、灭弧技术等多方面改进,附加值提高。

2)预计单车价值量将提高40%,乘用车配置数量以4-5个为主,充电桩多为2个:目前A级车高压继电器单车价值量为元左右,预计V电压平台单车价值量将提升40%。数量配置取决于车型类别和电路设计,乘用车多采用主回路2只、快充回路1-2只、预充回路1只方案;商用车功率更高,配置约4-8只;直流充电桩常规配2只。

熔断器:激励熔断器渗透率提高,单车价值量提升

1)具备需求刚性,电路保护要求提高驱动激励熔断器、智能熔断器等产品创新,价值提升:熔断器是电路过电流保护器件,V要求熔断器在绝缘、耐压等级等方面进行改进调整;新型激励熔断器通过接收控制信号激发保护动作,当前已逐步应用于新能源汽车,平均售价是传统电力熔断器3.6x;智能熔断器自动检测回路信号触发保护动作,尚处于开发应用前期

2)预计单车价值量将提升约20%,激励熔断器渗透率提高:当前熔断器单车价值量约-元,V平台下保守方案采用热熔丝和激励熔丝,激进方案只采用激励熔丝,随着激励熔断器市场渗透率的不断提升,预计单车价值量将达到-元

高压连接器:电流减小降规格,迎国产替代机遇1)性能升级,优势厂商优势明显:作为新能源车高压电流回路的桥梁,升压对连接器的可靠性、体积和电气性能的要求增加,其在机械性能、电气性能、环境性能三方面均将持续提升。作为中高端产品,电动汽车高压连接器有较高的技术与工艺壁垒。传统燃油车的低压连接器被海外供应商垄断。电动车快速增长打开高压连接器新增量,技术变化要求快速响应,整车平台高压化将进一步提高行业壁垒,国产供应商迎来国产替代机遇2)数量增加,单车价值量有望提升:目前单辆电动车配置15-20个高压连接器,单价在-元之间,双电机或大功率驱动电机车型需求量更多。从V增至V后,高压连接器将重新选型,增加大功率快充接口及V到V的转化接口,带动高压连接器单车价值量上升

OBC/DCDC:主动元件升级,短期内受益升压增量

1)高电压对功率器件提出更高要求,将驱动OBC/DCDC成本短期内攀升:为满足v高电压平台在体积、轻量、耐压、耐高温等方面带来的更为严苛的要求,OBC/DCDC等功率器件集成化趋势明显;同时,预计SiC碳化硅将借助耐高压、耐高温、开关损耗低等优势在功率器件领域进行广泛应用,驱动单车OBC/DCDC价值量提高约10%-20%

2)v高压平台有望为OBC/DCDC带来新增量:高压平台使车载充电机升级需求增加,为高压OBC提供增量;同时,为能够适配使用原有v直流快充桩,搭载v电压平台新车须配有额外DCDC转换器进行升压,进一步增加对DCDC的需求

软磁合金粉芯:升压模块提升用量需求

1)电感元件主要材料是由金属磁粉芯

2)V体系升级,中短期为了适配现存的V充电桩,需加装DCDC升压模块,独立升压模块需要额外的电感。单车用量从原来0.5kg提升至约2.7kg

3)插混车由于电池容量较小,电压无法通过串联做到V,对升压DCDC需求更大。一般而言,纯电动/插混单车用量0.5/4kg

充电桩:高压快充比低压大电流快充节省约5%成本

相同功率下,由于电流减小,电压由v到v仍不需要液冷,未来A则需要增配液冷系统

V-V车端成本变动平滑,利好整车厂推广车端成本来看,高压架构比低压架构成本+2%电池端由于负极快充性能提升、BMS复杂程度提升等因素,成本+5%从整车部件来看,高压架构在热管理、线缆辅料等部件成本变化小,优于低压高电流架构

V受益板块单车价值量与产业链标的

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