A atualização para uma plataforma de alta tensão de 800 V requer ajustes no sistema trielétrico para atender aos requisitos de confiabilidade de tensão suportável e isolamento provocados pelo aumento da tensão elétrica.
O custo do BMS da bateria de 800 V é cerca de 1/3 superior ao de 400 V. Do lado do custo, uma bateria de 800 V requer o dobro de células em série, exigindo assim o dobro de canais de detecção de tensão do sistema de gerenciamento de bateria (BMS). De acordo com cálculos de Iman Aghabali et al., o custo total do BMS de uma bateria de 400 V é de cerca de US$ 602, e o de uma bateria de 800 V é de US$ 818, o que significa que o custo de uma bateria de 800 V é cerca de 1/3 maior do que o de uma bateria de 400V. O aumento de tensão impõe requisitos mais elevados à confiabilidade da bateria. A análise dos conjuntos de baterias mostrou que um conjunto com configuração 4p5s poderia executar com segurança cerca de 1.000 ciclos a 25C, enquanto um conjunto com configuração 2p10s (o dobro da tensão de 4p5s) poderia atingir apenas 800 ciclos. O aumento de tensão reduzirá a confiabilidade da bateria principalmente porque a vida útil de uma única célula é reduzida (após o aumento da potência de carregamento, a taxa de carregamento da célula da bateria aumentará de 1C para ≥3C, e a alta taxa de carregamento causará a perda de materiais ativos, afetando a capacidade e a vida útil da bateria). Em baterias de baixa tensão, mais células são conectadas em paralelo para maior confiabilidade.
A plataforma de alta tensão de 800 V possui diâmetro de chicote de fios menor, reduzindo custo e peso. A área da seção transversal dos cabos DC que transferem energia entre a bateria de 800 V e o inversor de tração, portas de carregamento rápido e outros sistemas de alta tensão pode ser reduzida, reduzindo custo e peso. Por exemplo, o Tesla Model 3 usa fio de cobre 3/0 AWG entre a bateria e a porta de carregamento rápido. Para um sistema de 800 V, reduzir pela metade a área do cabo para 1 cabo AWG exigiria 0,76 kg a menos de cobre por metro de cabo, economizando assim dezenas de dólares em custos. Em resumo, os sistemas de 400 V têm menor custo de BMS, densidade de energia e confiabilidade ligeiramente maiores devido a menores distâncias de fuga e menos requisitos de espaço elétrico ao redor do barramento e PCB. O sistema de 800V, por outro lado, possui cabos de alimentação menores e taxas de carregamento rápido mais altas. Além disso, a mudança para baterias de 800 V também pode melhorar a eficiência do trem de força, especialmente do inversor de tração. Este aumento na eficiência pode diminuir o tamanho da bateria. A economia de custos nesta área e em termos de cabos pode compensar a bateria de 800V. Custo adicional do pacote BMS. No futuro, com a produção de componentes em larga escala e o equilíbrio maduro entre custo e benefício, cada vez mais veículos elétricos adotarão a arquitetura de barramento de 800V.
2.2.2 Alimentação da bateria: carregamento super rápido se tornará tendência
Como principal fonte de energia dos novos veículos energéticos, o Power Battery PACK fornece potência de condução para o veículo. É composto principalmente por cinco partes: módulo de bateria de energia, sistema estrutural, sistema elétrico, sistema de gerenciamento térmico e BMS:
1) O módulo de bateria de alimentação é como o "coração" da bateria para armazenar e liberar energia;
2) O sistema do mecanismo pode ser considerado o "esqueleto" da bateria, que é composto principalmente pela tampa superior da bateria, bandeja e vários suportes, que desempenham as funções de suporte, resistência ao choque mecânico, à prova d'água e à prova de poeira;
3) O sistema elétrico é composto principalmente por chicotes elétricos de alta tensão, chicotes elétricos de baixa tensão e relés, entre os quais o chicote elétrico de alta tensão transmite energia para vários componentes, e o chicote elétrico de baixa tensão transmite sinais de detecção e sinais de controle ;
4) O sistema de gerenciamento térmico pode ser dividido em quatro tipos: materiais resfriados a ar, resfriados a água, resfriados a líquido e de mudança de fase. A bateria gera muito calor durante o carregamento e descarregamento, e o calor é dissipado através do sistema de gerenciamento térmico, para que a bateria possa ser mantida dentro de uma temperatura operacional razoável. Segurança da bateria e vida útil prolongada;
5) O BMS consiste principalmente em duas partes, a CMU e a BMU. A CMU (Cell Monitor Unit) é uma unidade de monitoramento única, que mede parâmetros como tensão, corrente e temperatura da bateria, e transmite os dados para a BMU (Battery Management Unit, unidade de gerenciamento de bateria), se os dados de avaliação da BMU for anormal, emitirá uma solicitação de bateria fraca ou interromperá o caminho de carga e descarga para proteger a bateria. controlador do carro.
De acordo com os dados do Qianzhan Industry Research Institute, do ponto de vista da divisão de custos, 50% do custo de energia dos novos veículos energéticos reside nas células da bateria, a electrónica de potência e o PACK representam cada um cerca de 20%, e os BMS e os sistemas de gestão térmica representam 10%. Em 2020, a capacidade instalada do PACK de baterias de energia global é de 136,3 GWh, um aumento de 18,3% em comparação com 2019. O tamanho do mercado da indústria global de PACK de baterias de energia cresceu rapidamente de cerca de US$ 3,98 bilhões em 2011 para US$ 38,6 bilhões em 2017. O tamanho do mercado do PACK atingirá US$ 186,3 bilhões, e o CAGR de 2011 a 2023 será de cerca de 37,8%, indicando um enorme espaço de mercado. Em 2019, o tamanho do mercado de PACK de baterias de energia da China era de 52,248 bilhões de yuans, e a capacidade instalada aumentou de 78.500 aparelhos em 2012 para 1.241.900 aparelhos em 2019, com um CAGR de 73,7%. Em 2020, a capacidade total instalada de baterias de energia na China será de 64 GWh, um aumento anual de 2,9%. As barreiras técnicas ao carregamento rápido de baterias elétricas são elevadas e as restrições são complexas. De acordo com Carregamento rápido de baterias de íons de lítio: uma revisão, os fatores que afetam o carregamento rápido de baterias de íons de lítio vêm de vários níveis, como átomos, nanômetros, células, baterias e sistemas, e cada nível contém muitas restrições potenciais. De acordo com a bateria de lítio Gaogong, a inserção de lítio em alta velocidade e o gerenciamento térmico do eletrodo negativo são as duas chaves para a capacidade de carregamento rápido. 1) A capacidade de intercalação de lítio de alta velocidade do eletrodo negativo pode evitar a precipitação de lítio e dendritos de lítio, evitando assim o declínio irreversível na capacidade da bateria e encurtando a vida útil. 2) A bateria gerará muito calor se aquecer rapidamente e é fácil entrar em curto-circuito e pegar fogo. Ao mesmo tempo, o eletrólito também precisa de alta condutividade e não reage com os eletrodos positivos e negativos, podendo resistir a altas temperaturas, retardamento de chama e evitar sobrecarga.
Vantagens óbvias da alta pressão
Acionamento elétrico e sistema de controle eletrônico: Os novos veículos energéticos promovem a década de ouro do carboneto de silício. Os sistemas que envolvem aplicações de SiC na nova arquitetura de sistemas de veículos de energia incluem principalmente acionamentos de motores, carregadores de bordo (OBC)/pilhas de carregamento externas e sistemas de conversão de energia (DC/DC integrados). Os dispositivos SiC têm maiores vantagens em novas aplicações em veículos de energia. O IGBT é um dispositivo bipolar e há uma corrente de cauda quando ele é desligado, portanto a perda de desligamento é grande. O MOSFET é um dispositivo unipolar, não há corrente de cauda, a resistência de ativação e a perda de comutação do SiC MOSFET são bastante reduzidas e todo o dispositivo de energia possui características de alta temperatura, alta eficiência e alta frequência, o que pode melhorar a eficiência de conversão de energia.
Acionamento motorizado: A vantagem de usar dispositivos SiC no acionamento motorizado é melhorar a eficiência do controlador, aumentar a densidade de potência e a frequência de comutação, reduzir a perda de comutação e simplificar o sistema de resfriamento do circuito, reduzindo assim o custo, o tamanho e melhorando a densidade de potência. O controlador SiC da Toyota reduz o tamanho do controlador de acionamento elétrico em 80%.
Conversão de energia: A função do conversor CC/CC integrado é converter a saída de corrente contínua de alta tensão da bateria em corrente contínua de baixa tensão, fornecendo assim diferentes tensões para diferentes sistemas, como propulsão elétrica, HVAC, janela elevadores, iluminação interior e exterior, infoentretenimento e alguns sensores. A utilização de dispositivos SiC reduz as perdas de conversão de energia e permite a miniaturização dos componentes de dissipação de calor, resultando em transformadores menores. Módulo de carregamento: Carregadores integrados e pilhas de carregamento usam dispositivos SiC, que podem aproveitar sua alta frequência, alta temperatura e alta tensão. O uso de MOSFETs SiC pode aumentar significativamente a densidade de potência dos carregadores integrados/externos, reduzir as perdas de comutação e melhorar o gerenciamento térmico. De acordo com Wolfspeed, o uso de MOSFETs SiC em carregadores de bateria de automóveis reduzirá o custo do BOM no nível do sistema em 15%; na mesma velocidade de carregamento de um sistema de 400 V, o SiC pode dobrar a capacidade de carregamento dos materiais de silício.
A Tesla lidera a tendência da indústria e é a primeira a usar SiC em inversores. O inversor principal de acionamento elétrico do Tesla Modelo 3 usa o módulo de potência totalmente SiC da STMicroelectronics, incluindo MOSFETs SiC de 650V, e seu substrato é fornecido pela Cree. Atualmente, a Tesla usa apenas materiais de SiC em inversores, e o SiC pode ser usado em carregadores de bordo (OBC), pilhas de carregamento, etc. no futuro.
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