新能源大功率发展趋势及电连接高电压、大电流应对方案

原创 EV汽车邦 2023-06-22 16:48

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2023年上海国际车展电动车新车数量显著高于燃油车，国产汽车电动化势不可当，比亚迪仰望等可谓风头尽出，整体感觉自主品牌新能源汽车产品线已全面铺开，品牌向上进军高端豪华市场。

随着电池电量的增加及用户对快充的迫切需求，多家车企推出了配备 800V 高压快充技术的电动车新车，小鹏汽车发布智驾轿跑 SUV 小鹏 G6，搭载全域 800V 技术，充电 10 分钟，续航 300km；理想汽车发布 800V 超充解决方案，能够实现充电 10 分钟，续航 400km，预计将首次搭载麒麟 4C 倍率电池。除此之外，合创发布 V09 车型，预计将搭载 800V高压快充，实现充电 10 分钟续航超过 400km，起亚、远航、红旗等车企也都有 800V 高压快充车型发布。

众多主机厂和全球知名的汽车零部件供应商，主机厂包括小鹏、理想、深蓝、广汽埃安等，零部件供应商包括博格华纳、采埃孚、华为、汇川等，纷纷推出了自主研发的高压电驱系统，以及相关技术如 SiC 碳化硅功率模块和油冷电机。高压电驱系统的提前布局，将为 800V 高压快充产业放量做好充足的准备。

高电压已然成为了新能源汽车的发展趋势，目前因成本只在部分高端车型推广，关于800V 高压快充前期文章介绍的比较多，不重点说800V 高压快充，具体可以看下大功率充电技术详解（包含液冷充电、800V充电），主要聊下另外一个趋势大电流。

限制电连接载流能力的主要表现就是电连接的温升，在符合温升要求的前提下，增大电流就意为着导体的线径要增大，连接器变大、充电座变大，但不能无约束的增大，因为这样会影响其安装便利性，操作便利性，也会导致安装空间变大，所以我们看到了液冷充电，通过对电连接进行主动冷却，大幅提升其载流能力，也看到了特斯拉使用铝棒，在一定程度提升了载流能力，但也不影响其安装空间，并提升了安装便利性。

也看到了特斯拉使用铝棒，在一定程度提升了载流能力，但也不影响其安装空间，并提升了安装便利性

动力电池在几年前，使用铜、铝排替换了高压线束同时通过FPC替换了低压线束，使得整个箱体看起来更加美观，并且节省了布置空间，同时也更利于自动化生产

安波福把这种方案拓展到了电池包以外的电连接部位，如充电插座与电池包之间、电池与电机控制器之间等。

采用Busbar替代高压线束，使原来的柔性状态变成了刚性状态，而且更加扁平化，能够使安装空间变得更加紧凑，安装路径更加清晰，更利于自动化装配，以下视频为其折弯装配的视频，视频我们可以看出此种方案可以在机械手的装配下快速装配，但同时此方案在密封防护、屏蔽处理有一定的难度，需要对整个高压电气系统进行系统设计。

随着电池容量的不断增大，充电电流不断增大，目前充电座提升充电电流有两种方案:被动冷却、主动冷却；

被动冷却：增大导体截面积，增大散热面积，降低通流产生的热量；如果采用电缆的结构，线径增大，但是散热面积增大有限，另外大线径（超过95以上），压接和超声波焊接难度增大，或者工艺无法实现，给载流能力提升带来很大困难，使用busbar更利于获取更大的接触面积及散热面积，较电缆的载流能力有很大优势，另外采用busba可以螺栓连接，连接更简单、可靠，即使匹配了液冷枪，能够带走充电座的热量也是有限的，想要达到枪同等级别的能力，还是需要增大导体面积，此时只能采用busba。

主动冷却：1）大功率液冷充电枪是通过一个电子泵来驱动冷却液流动，冷却液在经过液冷线缆时（液冷线缆在工作时由于承载大电流会发热），带走线缆及充电连接器的热量，回到油箱（储存冷却液），然后通过电子泵驱动经过散热器散发热量，如此循环工作，可以达到小截面积线缆通载大电流、低温升的要求，这种方案枪线能够得到很好的冷却，线径更细，更方便充电，妇女小孩都可以操作，但是对于插座来讲线束没有冷却，不利于获得更高的电流。

2）在充电插座上增加液冷版，利用整车的电池系统冷源对充电插座连接部位进行冷却，目前新能源车基本标配液冷，且冷却液温度较目前充电桩的冷却液低，易获得更大的充电电流，但此种方案可能更适用于大电量的商用车，就比如特斯拉semi兆瓦级充电，枪、座同时冷却，乘用车电量较商用车低很多，采用被动冷却方式即可。

特斯拉semi兆瓦级充电

从特斯拉公布的对比图看，V4桩的性能提升可谓是非常之大。导体的电流密度由V3的13A/mm²提升至了35A/mm²，提高了近3倍（见下方柱状图）。

充电电缆电流密度的提升得意于特斯拉V4充电桩采用了浸入式冷却技术，V3充电桩采用的是冷却管路冷却导体。

大功率液冷充电枪是通过一个电子泵来驱动冷却液流动，冷却液在经过液冷线缆时（液冷线缆在工作时由于承载大电流会发热），带走线缆及充电连接器的热量，回到油箱（储存冷却液），然后通过电子泵驱动经过散热器散发热量，如此循环工作，可以达到小截面积线缆通载大电流、低温升的要求。

正负极电缆分别与正、负冷却管路构成整个冷却回路。

正因为如此V4整体要比V3看上去更大一些。

Elon 说，新的 Supercharger V4 系统将支持 1000V 充电，其充电电缆与当前的 V3 电缆像蛇形一样优雅，而不是像象鼻一样，考虑到 1MW以上的充电功率，特斯拉采用了创新的液体冷却技术。

特斯拉V3的最大充电功率为250KW，V4的电缆电流密度是V3的2.5倍，相同电缆截面积的电缆，V4的充电功率可提升至625KW，另外 Supercharger V4 系统将支持 1000V 充电，电压提升了2倍以上，所以在与V3同样充电电缆截面的条件下， Supercharger V4 的充电功率最低可以达到1.25兆瓦。

这也就解释了Elon 说的，新的 Supercharger V4 系统将支持 1000V 充电，其充电电缆与当前的 V3 电缆像蛇形一样优雅，而不是像象鼻一样，下图是semi充电枪与V3充电枪的对比。Supercharger V4充电接口从图上看不同于特斯拉的其他接口，看上去比V3的枪线稍微粗一些，外部好像套的是防磨的套管。

正式因为 Supercharger V4 提供了兆瓦级的充电，特斯拉semi才实现了30min充电70%的电量，从特斯拉semi、30min充电70%，我们再来反推一下他的30分钟的充电功率。

我在维基百科查到，特斯拉semi动力电池的电辆是900KW，70%的电量为630ＫＷ，30min充电630ＫＷ，那充电功率就在1.26兆瓦，跟前边的推论基本一致。

按照推论充电功率在1.26兆瓦，电压平台为1000V，如果按照恒流充电的策略，特斯拉semi前30min的充电电流将达到1260A。

结合Supercharger V3，V3充电soc在10%~25%区间充电功率达到250KW，25%~60%区间充电功率降至150KW，受到电池发热后的限制，不得不把充电功率下调，以此来看特斯拉semi的充电功率应该会是同样的策略。

前期我们看到的特斯拉semi的充电口是这个样子的，由4对功率端子组成达到兆瓦级的充电功率，提升充电速度。

充电时枪是这样子，怎么看都是个临时方案。

现在新的充电枪结构是多触电，扁平结构，个人分析扁平结构的端子整体可以获得更大的载流能力，不用再分散成为几个功率端子，这样更加的有利于液冷方案的实施。另外从充电座端讲，充电座采用扁平端子，可以使用铜牌或铝牌并联的方式进行连接，使充电座更加的简单安装，且比电缆更能获得更高的载流能力，就如下方结构的充电插座一样。

从特斯拉来看，欧美在充、换电这两种路线上，不管是乘用车、重型商用车笃定了大电流充电的路线，估计不会有发展换电可能，CharIN 在前面几个月正式推出了用于重型车辆的兆瓦充电系统（MCS）直流快速充电连接器。

从欧美的观点来看：◎重型车辆根据不同的梯度来配置不同的里程；◎围绕配电和储能网络构建快充系统；◎重卡和乘用车采用相似的可支持的结构发展。

CharIN给出的MCS连接器的具体要求：◎单导电插头；◎最大电压1.250V；◎最大电流3000A；◎PLC + ISO/IEC 15118；◎触摸安全（UL2251）；◎充电连接器手柄上的软件解释覆盖开关；◎遵守OSHA和ADA（及当地同等标准）标准；◎FCC A类EMI（和当地等效）；◎位于车辆左侧，大致与臀部高度；◎能够实现自动化（支持充电机器人）；◎UL（NRTL）认证；◎网络安全；◎V2X（双向）