L'aggiornamento a una piattaforma ad alta tensione da 800 V richiede adeguamenti al sistema trielettrico per soddisfare i requisiti di affidabilità di resistenza alla tensione e isolamento determinati dall'aumento della tensione elettrica.
Il costo BMS del pacco batteria da 800 V è circa 1/3 superiore a quello da 400 V. Dal punto di vista dei costi, un pacco batteria da 800 V richiede il doppio delle celle in serie, richiedendo quindi il doppio dei canali di rilevamento della tensione del sistema di gestione della batteria (BMS). Secondo i calcoli di Iman Aghabali et al., il costo BMS totale di un pacco batterie da 400 V è di circa 602 dollari, e quello di un pacco batterie da 800 V è di 818 dollari, il che significa che il costo di un pacco batterie da 800 V è circa 1/3 superiore a quello di un pacco batteria da 400 V. L'aumento di tensione impone requisiti più elevati in termini di affidabilità della batteria. L'analisi dei pacchi batteria ha mostrato che un pacco con una configurazione 4p5s poteva eseguire in modo affidabile circa 1000 cicli a 25°C, mentre un pacco con una configurazione 2p10s (il doppio della tensione rispetto a 4p5s) poteva raggiungere solo 800 cicli. L'aumento di tensione ridurrà l'affidabilità del pacco batteria principalmente perché la vita di una singola cella viene ridotta (dopo aver aumentato la potenza di carica, la velocità di carica della cella della batteria aumenterà da 1C a ≥3C, e l'elevata velocità di carica causerà la perdita di materiali attivi, influenzando la capacità e la durata della batteria). Nei pacchi batteria a bassa tensione, più celle sono collegate in parallelo per una maggiore affidabilità.
La piattaforma ad alta tensione da 800 V ha un diametro del cablaggio più piccolo, riducendo così costi e peso. L’area della sezione trasversale dei cavi CC che trasferiscono la potenza tra il pacco batteria da 800 V e l’inverter di trazione, le porte di ricarica rapida e altri sistemi ad alta tensione può essere ridotta, riducendo costi e peso. Ad esempio, la Tesla Model 3 utilizza un filo di rame 3/0 AWG tra la batteria e la porta di ricarica rapida. Per un sistema da 800 V, dimezzare la superficie del cavo a 1 AWG richiederebbe 0,76 kg di rame in meno per metro di cavo, risparmiando così decine di dollari sui costi. In sintesi, i sistemi a 400 V hanno costi BMS inferiori, densità energetica e affidabilità leggermente superiori grazie alle minori distanze superficiali e ai minori requisiti di spazio elettrico attorno al bus e al PCB. Il sistema da 800 V, invece, ha cavi di alimentazione più piccoli e velocità di ricarica rapida più elevate. Inoltre, il passaggio ai pacchi batteria da 800 V può anche migliorare l’efficienza del gruppo propulsore, in particolare dell’inverter di trazione. Questo aumento di efficienza può ridurre le dimensioni del pacco batteria. Il risparmio sui costi in quest'area e in termini di cavi può compensare la batteria da 800 V. Costo BMS aggiuntivo del pacchetto. In futuro, con la produzione su larga scala di componenti e il maturo equilibrio tra costi e benefici, sempre più veicoli elettrici adotteranno l’architettura degli autobus a 800 V.
2.2.2 Batteria di alimentazione: la ricarica super veloce diventerà una tendenza
Essendo la fonte di energia principale dei veicoli a nuova energia, il Power Battery PACK fornisce potenza motrice al veicolo. È composto principalmente da cinque parti: modulo batteria di alimentazione, sistema strutturale, sistema elettrico, sistema di gestione termica e BMS:
1) Il modulo batteria di alimentazione è come il "cuore" del pacco batteria per immagazzinare e rilasciare energia;
2) Il sistema del meccanismo può essere considerato come lo "scheletro" del pacco batteria, che è composto principalmente dal coperchio superiore del pacco batteria, dal vassoio e da varie staffe, che svolgono il ruolo di supporto, resistenza agli urti meccanici, impermeabile e antipolvere;
3) L'impianto elettrico è composto principalmente da cablaggio ad alta tensione, cablaggio a bassa tensione e relè, tra cui il cablaggio ad alta tensione trasmette energia a vari componenti e il cablaggio a bassa tensione trasmette segnali di rilevamento e segnali di controllo ;
4) Il sistema di gestione termica può essere suddiviso in quattro tipologie: materiali raffreddati ad aria, raffreddati ad acqua, raffreddati a liquido e a cambiamento di fase. La batteria genera molto calore durante la carica e la scarica e il calore viene dissipato attraverso il sistema di gestione termica, in modo che la batteria possa essere mantenuta entro una temperatura operativa ragionevole. Sicurezza della batteria e durata prolungata;
5) Il BMS è composto principalmente da due parti, la CMU e la BMU. La CMU (Cell Monitor Unit) è un'unica unità di monitoraggio, che misura parametri come tensione, corrente e temperatura della batteria, e trasmette i dati alla BMU (Battery Management Unit, unità di gestione della batteria), se i dati di valutazione della BMU è anomalo, emetterà una richiesta di batteria scarica o interromperà il percorso di carica e scarica per proteggere la batteria. controllore dell'auto.
Secondo i dati del Qianzhan Industry Research Institute, dal punto di vista della ripartizione dei costi, il 50% del costo energetico dei veicoli a nuova energia risiede nelle celle della batteria, l'elettronica di potenza e il PACK rappresentano ciascuno circa il 20% e i BMS e i sistemi di gestione termica rappresentano il 10%. Nel 2020, la capacità installata globale delle batterie Power PACK è pari a 136,3 GWh, con un aumento del 18,3% rispetto al 2019. La dimensione del mercato globale del settore delle batterie Power PACK è cresciuta rapidamente da circa 3,98 miliardi di dollari nel 2011 a 38,6 miliardi di dollari nel 2017. La dimensione del mercato di PACK raggiungerà 186,3 miliardi di dollari e il CAGR dal 2011 al 2023 sarà di circa il 37,8%, indicando uno spazio di mercato enorme. Nel 2019, la dimensione del mercato cinese dei PACK di batterie è stata di 52,248 miliardi di yuan e la capacità installata è aumentata da 78.500 set nel 2012 a 1.241.900 set nel 2019, con un CAGR del 73,7%. Nel 2020, la capacità totale installata di batterie elettriche in Cina sarà di 64 GWh, con un aumento su base annua del 2,9%. Le barriere tecniche alla ricarica rapida delle batterie di potenza sono elevate e i vincoli sono complessi. Secondo la ricarica rapida delle batterie agli ioni di litio: una revisione, i fattori che influenzano la ricarica rapida delle batterie agli ioni di litio provengono da vari livelli come atomi, nanometri, celle, pacchi batteria e sistemi e ogni livello contiene molti potenziali vincoli. Secondo la batteria al litio Gaogong, l'inserimento ad alta velocità del litio e la gestione termica dell'elettrodo negativo sono le due chiavi per la capacità di ricarica rapida. 1) La capacità di intercalazione del litio ad alta velocità dell'elettrodo negativo può evitare la precipitazione del litio e i dendriti del litio, evitando così il declino irreversibile della capacità della batteria e riducendone la durata. 2) La batteria genererà molto calore se si riscalda rapidamente ed è facile che vada in cortocircuito e prenda fuoco. Allo stesso tempo, l'elettrolita necessita anche di un'elevata conduttività e non reagisce con gli elettrodi positivo e negativo e può resistere alle alte temperature, al ritardo di fiamma e prevenire il sovraccarico.
Evidenti vantaggi dell'alta pressione
Azionamento elettrico e sistema di controllo elettronico: i nuovi veicoli energetici promuovono il decennio d'oro del carburo di silicio. I sistemi che coinvolgono applicazioni SiC nell'architettura dei nuovi veicoli energetici includono principalmente azionamenti di motori, caricabatterie di bordo (OBC)/pali di ricarica fuori bordo e sistemi di conversione di potenza (DC/DC di bordo). I dispositivi SiC presentano maggiori vantaggi nelle applicazioni per veicoli a nuova energia. L'IGBT è un dispositivo bipolare e quando è spento è presente una corrente di coda, quindi la perdita allo spegnimento è elevata. Il MOSFET è un dispositivo unipolare, non c'è corrente di coda, la resistenza di attivazione e la perdita di commutazione del MOSFET SiC sono notevolmente ridotte e l'intero dispositivo di potenza ha caratteristiche di alta temperatura, alta efficienza e alta frequenza, che possono migliorare l'efficienza di conversione energetica.
Azionamento del motore: il vantaggio dell'utilizzo di dispositivi SiC nell'azionamento del motore è quello di migliorare l'efficienza del controller, aumentare la densità di potenza e la frequenza di commutazione, ridurre le perdite di commutazione e semplificare il sistema di raffreddamento del circuito, riducendo così i costi, le dimensioni e migliorando la densità di potenza. Il controller SiC di Toyota riduce le dimensioni del controller della trazione elettrica dell'80%.
Conversione di potenza: il ruolo del convertitore DC/DC di bordo è convertire la corrente continua ad alta tensione emessa dalla batteria in corrente continua a bassa tensione, fornendo così tensioni diverse per sistemi diversi come propulsione elettrica, HVAC, finestre ascensori, illuminazione interna ed esterna, infotainment e alcuni sensori. L'uso di dispositivi SiC riduce le perdite di conversione di potenza e consente la miniaturizzazione dei componenti di dissipazione del calore, con conseguente trasformazione di trasformatori più piccoli. Modulo di ricarica: i caricabatterie di bordo e le pile di ricarica utilizzano dispositivi SiC, che possono sfruttare l'alta frequenza, l'alta temperatura e l'alta tensione. L'uso dei MOSFET SiC può aumentare significativamente la densità di potenza dei caricabatterie integrati/non integrati, ridurre le perdite di commutazione e migliorare la gestione termica. Secondo Wolfspeed, l'utilizzo di MOSFET SiC nei caricabatterie per auto ridurrà i costi della distinta base a livello di sistema del 15%; alla stessa velocità di carica di un sistema a 400 V, il SiC può raddoppiare la capacità di carica dei materiali in silicio.
Tesla guida la tendenza del settore ed è la prima a utilizzare il SiC sugli inverter. L'inverter principale della trazione elettrica della Tesla Model 3 utilizza il modulo di potenza interamente SiC di STMicroelectronics, inclusi MOSFET SiC da 650 V, e il suo substrato è fornito da Cree. Al momento, Tesla utilizza solo materiali SiC negli inverter e in futuro il SiC potrà essere utilizzato nei caricabatterie di bordo (OBC), nelle pile di ricarica, ecc..
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