關(guān)于高電壓架構(gòu)分析和其在電動車化中的應(yīng)用

就目前而言，電動車保有量在不斷增長,但目前仍存在電動轎車實際購置成本過高的問題。為了進(jìn)一步挖掘其潛力，Continental公司根據(jù)成本要素系統(tǒng)評價了其功能，并尋找高電壓、傳動機構(gòu)、充電和熱管理等系統(tǒng)的協(xié)同運作方案。

1 市場發(fā)展及其要求

早在2016年，德國純電動車（BEV）的保有量就已增加到53 800輛，但如果就翌年登記的轎車數(shù)量（2017年的3.4百萬輛）和德國轎車的總保有量（到2018.1.1為止為46.5百萬輛）相比的話，則需限制該車型的購買以防止其總保有量的突飛猛進(jìn)。純電動車的行駛里程已有所提高，并預(yù)示著短期至中期仍需提高蓄電池的能量密度。對于充電公共設(shè)施而言，其在實現(xiàn)現(xiàn)有擴建計劃的同時，還要做到既能實現(xiàn)交流充電又能實現(xiàn)快速直流充電，而大功率充電（HPC）還要預(yù)先考慮到充電功率為150～350 kW的下一代充電設(shè)施。

除了廣泛地為各種不同的車輛等級提供相應(yīng)的電動車型之外，進(jìn)一步降低成本和提高可靠性是未來積極開發(fā)的重要成功因素。圖1示出了Continental公司對直至2025年全球轎車電氣化的切合實際的預(yù)測。

圖1 2016-2025年全球轎車電氣化發(fā)展和

差別化的預(yù)測

因此，預(yù)期到2025年，在全球范圍內(nèi)的新登記轎車中電動車將占約10%，其中C級車型所占份額將超過44%。根據(jù)Continental公司自身所提出的A～E各車型等級的發(fā)展計劃，預(yù)期將呈現(xiàn)出如表1所示的驅(qū)動功率和充電功率。

表1 未來A～E各車型等級純電動車對牽引和充電性能的要求

因此，所有等級車型的最大驅(qū)動功率不斷增大，其最大交流電（AC）充電功率根據(jù)裝備方案的不同，大約在7～22 kW的范圍內(nèi)，直流電（DC）充電功率在較低等級的車型中可剛好投入使用，而應(yīng)用于較高等級車型的最大充電功率則需達(dá)到150 kW以上。

可選擇智能充電方法將能量購買成本降低到最低程度以及可利用電網(wǎng)功能（Vehicle-to-Grid，車輛至電網(wǎng)，V2G），例如在某些市場則需求充電設(shè)施供電（Vehicle-to-Device，車輛至充電設(shè)施，V2D）。V2G和V2D在供電電網(wǎng)與汽車蓄電池之間需要一個雙向功率轉(zhuǎn)換器。汽車價格將受到表1所示功率需求的影響。

蓄電池成本是系統(tǒng)中最大的單項費用,其占據(jù)了系統(tǒng)總成本的絕大部分（圖2），但是對諸如高電壓電子系統(tǒng)（HV）、傳動系統(tǒng)、充電系統(tǒng)和熱管理系統(tǒng)等子系統(tǒng)也需進(jìn)行全面分析。僅從總體角度來看，就能看出相互作用的重要意義和節(jié)約的可能性。例如后續(xù)的闡述表明Continental公司作為系統(tǒng)集成者和供應(yīng)商是怎樣涉及到該主題的以及在高電壓架構(gòu)中如何降低成本。

圖2 純電動車典型的HV系統(tǒng)和成本結(jié)構(gòu)

2 更高的集成度

另外，通過應(yīng)用改進(jìn)型或全新的技術(shù)（例如在制造中或材料/半導(dǎo)體方面）、廣泛應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)化接口（例如所謂的組合充電系統(tǒng)）或合適平臺的批量效應(yīng)即可優(yōu)化成本。系統(tǒng)的架構(gòu)，即怎樣將相應(yīng)的功能集成到純電動車上的問題也對成本具有重大影響，目前在各種情況下都是采用許多單獨的專用部件來實現(xiàn)的，其通常以1:1的比例來對某些功能進(jìn)行配置（見圖2）。

此類解決方案會導(dǎo)致在不同部件中存在多個具有相似性能的構(gòu)件，而且在該典型高壓架構(gòu)中幾類部件的彼此相互連接是一種浪費（例如采用多個插座連接或采用過多冷卻接頭），因此問題主要在于如何才能組合某些構(gòu)件和功能，從而降低硬件成本。一個典型例子就是車橋驅(qū)動裝置，借助于集成不僅能節(jié)約成本和結(jié)構(gòu)空間，同時還明顯簡化了其在整車上的集成，其將電機、功率電子器件和變速器檔位組合在同一個模塊中。

持續(xù)的模塊化和所有單個器件的可劃分性是將功能集成為一個較大單元的前提條件。原則上，面對全球范圍內(nèi)日益嚴(yán)格的廢氣排放法規(guī)，由此使得針對傳統(tǒng)動力傳動系統(tǒng)的開發(fā)費用也在日益提升，除了降低蓄電池成本之外，最佳的高壓架構(gòu)明顯有助于降低純電動車驅(qū)動系統(tǒng)和充電系統(tǒng)的成本（圖3）。因此從該契合點起，純電動車在市場中是具有一定競爭力的。

圖3 2015-2030年間純電動車驅(qū)動系統(tǒng)

期望成本與傳統(tǒng)動力傳動系統(tǒng)成本

比較示意圖

在最佳集成度分析中還要考慮到許多其他影響因素，例如對于具有更高集成度的組合單元也應(yīng)布設(shè)其所必需的安裝空間，在這種情況下前置和后置驅(qū)動裝置之間也可能存在明顯的差別，而且高電壓硬件必須布置在碰撞途徑之外，同時為了便于維修，具有可維護性的高度集成單元的部件必須易于接近。

3 車載充電單元和DC/DC轉(zhuǎn)換器的集成

典型的例子是將車載充電單元（車載充電器，OBC）和DC/DC轉(zhuǎn)換器（HV/12V）集成到汽車電子電路中，其中除了基本選項1之外還可有4種選項（圖4）。可將器件都包含在一個整體式殼體中，以此即可減小結(jié)構(gòu)空間并減少接插件和電纜束，但即便如此，成本降低效果卻并不顯著（選項2）。更好的方法是以機電式集成作為目標(biāo)導(dǎo)向，將OBC與涉及到濾波器和控制邏輯電路的DC/DC轉(zhuǎn)換器融合成一種新的混合電子器件，以此新部件節(jié)約成本的潛力可達(dá)到8%～15%。

圖4 可能的5種集成級選項

除此之外，還能獲得附加的可能性（選項4），將諸如水冷卻器和加熱器等更多的功能組合成一個共同的機械式冷卻-加熱方案，它能盡可能通過OBC和DC/DC轉(zhuǎn)換器等現(xiàn)有的硬件來實現(xiàn)加熱器電子器件的功率/控制器件，以此還可開發(fā)出高達(dá)5%～8%的成本節(jié)約潛力。

中期可通過應(yīng)用碳化硅（SiC）或氮化鎵（GeN）半導(dǎo)體技術(shù)和合適的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)使功率密度提高約2倍，當(dāng)然目前尚無法降低成本（選項5）。此外，電聯(lián)接的AC充電系統(tǒng)能進(jìn)一步將效率提高達(dá)1%～2%，并使體積縮小達(dá)20%，但是需考慮采用附加的安全技術(shù)。

4 可選擇的高電壓架構(gòu)的評價

除了標(biāo)準(zhǔn)架構(gòu)的更高集成度之外，還能考慮采取可供選擇的架構(gòu)方式，可從圖5中清晰地看到。推薦使用具有400 V系統(tǒng)電壓、100 kW牽引功率以及與供電網(wǎng)進(jìn)行電隔離的11 kW或22 kW-AC單向充電單元的典型純電動車方案。

Continental公司的所有400 V充電架構(gòu)能將這種充電功率和驅(qū)動功率通過所謂的“換流器充電”（仍應(yīng)用換流器和電機充電）與牽引DC/DC轉(zhuǎn)換器（HV/HV）雙向地組合起來，而且可改變其成本結(jié)構(gòu)。采用該類方式能在世界統(tǒng)一的輕型車試驗規(guī)范（WLTP）行駛循環(huán)中使效率提高達(dá)3%～5%，并能在保持行駛里程不變的情況下降低蓄電池容量。

圖5 采用400 V系統(tǒng)的各種不同高電壓架構(gòu)

期望成本結(jié)構(gòu)的示意圖

通過在蓄電池和集成所有400 V充電單個部件方面的成本節(jié)約，期望在以22 kW-OBC作為比較基準(zhǔn)的情況下降低總成本。除此之外，這種方案因內(nèi)部雙向能量轉(zhuǎn)換且并無較大的電功率附加損耗能，能以最低成本實現(xiàn)V2D（例如由汽車上的230 V供電裝置）、V2G（反饋到低電壓網(wǎng)絡(luò)）或獨立電網(wǎng)功能，但是這些功能在相應(yīng)匹配功率電子器件的情況下也可選擇采用雙向OBC來實現(xiàn)?；贠BC架構(gòu)或所有400 V充電架構(gòu)最終都必須對總成本、功能、結(jié)構(gòu)空間和集成到車輛的費用進(jìn)行總體評價。

另一個例子是采用150 kW以上功率的DC快速充電能力，這對HV架構(gòu)及其成本結(jié)構(gòu)具有重大影響，因為對于這些充電器件不可避免地要采用400 V以上的電壓。無論是對400 V還是800 V充電樁的兼容性都能以不同的方式來實現(xiàn)，在該方面所采用的DC/DC轉(zhuǎn)換器是最簡單的解決方案，也可選擇通過蓄電池轉(zhuǎn)換成兩種電壓水平，同時也可以將牽引系統(tǒng)和充電系統(tǒng)的電壓水平設(shè)計成400 V或800 V。

除此之外，也可選擇將蓄電池設(shè)計成800 V，而通過電機實現(xiàn)與400 V充電樁的電壓匹配。根據(jù)設(shè)計的不同會導(dǎo)致不同的成本結(jié)構(gòu)和總成本，以此始終需針對應(yīng)用和用戶來進(jìn)行評價。

5 結(jié)語和展望

為了使電動車更具市場競爭力，除了擴建廣泛覆蓋的具有相應(yīng)供電能力的充電公共設(shè)施以及在蓄電池單元和系統(tǒng)技術(shù)方面的進(jìn)步之外，高電壓系統(tǒng)成本得以優(yōu)化的重要杠桿是實現(xiàn)全新的系統(tǒng)架構(gòu)。全面分析高電壓架構(gòu)使得目前占統(tǒng)治地位的1:1部件和功能配置可得以取消，并通過此類功能的智能組合和重復(fù)利用來降低系統(tǒng)成本。

Continental公司在本文中所示出的帶有DC/DC轉(zhuǎn)換器（HV/12 V）的高度集成的OBC表明，除了整體式方案之外，多次利用恰到好處且具有不同功能的組合模塊起到了顯著降低成本的效果。通過硬件的不斷重復(fù)利用，所有400 V充電架構(gòu)除了所舉例子中顯示出來的優(yōu)點之外，還獲得了最佳的充電靈活性和附加功能。