电源模块为电动汽车提供 400V 与 800V 系统的高效转换

目前,纯电动汽车 (BEV) 和插电式混合动力汽车 (PHEV) 的运行电池电压为 800V,超过了常规 400V 系列。采用 800V 电池是为了提高性能,减少快速充电的时间,应对不断增加的功耗并延长续航里程。

电动汽车采用 800V 电池面临重大挑战,即大部分快速充电的公共基础设施还不兼容 800V 电池。因此,已采取措施为 800V 车辆配备内置电源适配器,使 800V 汽车能够在常规 400V 充电桩上充电。双向电源模块是 800V 电动汽车支持 400V 基础设施的一种方式,也是 400V 和 800V 之间独特的电压转换方式。现在,OEM 厂商正以具有各种效率的不同方式解决这个问题。

保时捷 Taycan 是首款量产的 800V 电动汽车,是 2019 年发布的一款纯电动汽车。这是一个使用 400V 充电基础设施充电的 800V 汽车的典型示例。将充电器的 400V 输入转换为适合车辆 800V 电池的升压转换器安装在车上,用作 DC 车载充电器。这款升压转换器有一个绕过转换器输入输出的电路。使用 800V 充电器充电时,将绕过升压转换器,直接为 800V 电池充电。

图 1:保时捷 Taycan DC 车载充电器连接

据制造商介绍,通过 800V 充电器充电时,使用 270kW 的快充将电池电量充至 80%,用时约 20 分钟。另一方面,在使用 400V 充电器时,最大容量为 150kW,充至相同的电量大约需要 35 分钟。

现代 IONIQ 5 也使用了 800V 主电池(2021 年上市)。IONIQ 5 同样也有一个升压功能,可使用常规 400V 充电器为车辆的 800V 电池充电。但与保时捷 Taycan 不同,它没有 DC 车载充电器,主要使用驱动电机和逆变器实现升压功能(图 2)。

图 2:现代 IONIQ 5 升压功能配置

A 和 B 分别是驱动电机和逆变器,快速充电器通过开关 S1 连接至电池高压端,通过开关 S2 连接至电机中性点。车辆运行时,会打开 S1 和 S2,A 和 B 将作为正常的电机和逆变器运行。使用 400V 充电器充电时,会关闭 S2,从而会按升压转换器电抗器运行电机 A,并按升压转换器开关运行逆变器 B,以便为车辆的 800V 电池充电。如果充电器支持 800V,关闭 S1 并打开 S2,将绕过 A 和 B,直接为 800V 车载电池充电。使用这种方法,无需安装专用升压转换器,即可使用 400V 充电器为 800V 车辆充电。

通用悍马电动汽车是 2021 年开始生产的纯电动汽车。与之前的 800V 纯电动汽车不同,高压主电池为 400V。该车虽然采用 400V 系统,但兼容 800V 充电器,提高了快速充电性能。

图 3:通用悍马电动车电池配置

它具有独特的配置(图 3),支持 400V 及 800V 快速充电器。车上安装的 400V 电池分为两个 400V 电池组。两个 400V 电池组可通过开关 S1、S2 和 S3 的连接进行并联或串联。在正常情况下,包括车辆行驶时,只关闭开关 S1 和 S2,且并联这两个电池组,可将其用作 400V 电池。使用 400V 充电器充电时也是如此。支持 800V 充电器时,打开 S1 和 S2 开关,只关闭 S3 开关,将串联这两个电池组,将其用作 800V 电池。

据制造商介绍,支持 800V 充电器,不仅可实现 350kW 的快速充电,而且只需充电 10 分钟,车辆即可行驶 160 公里。

Vicor 的电池虚拟化解决方案

电源模块制造商 Vicor 使用该公司的高密度电源模块提出了一种独特的“电池虚拟化解决方案”。这是一种使用 400V 充电器为 800V 电池充电的升压转换器技术,主要使用该公司支持固定电压转换比的专有双向 DC-DC 转换器。

双向固定比率 DC-DC 转换器是一种没有调节(稳压)功能的转换器,其中 DC-DC 转换器的输入输出电压比是固定的,电压可用下列方程式表示:

输出电压 = 输入电压 x 变压比 K

它是双向的,因此可进行反向转换(反向运行时,输出电压 = 输入电压 / K),而且内部串联阻抗小,所以可用作可转换直流的变压器。

图 4:37.5kW、400V/800V 固定比率双向转换器

电池虚拟化解决方案在 800V 电池前部置一个变压比为 2 的固定电压转换比双向转换器,使 800V 车辆的电池电压看起来是 400V 电压的一半(图 5)。随着充电的进行,800V 电池的电压会上升,而且从充电器端看到的电压也会按比例上升(1/2)。

图 5:Vicor 电池虚拟化

该模块(图 4)输出功率为 37.5kW,峰值效率为 99%,尺寸为 92 x 80 x 7.4 毫米。通过并联,可在狭小的空间内支持大功率、快速充电。

使用双向电源模块的优势是,当电池不充电时,800V 电池可为 400V 负载供电。

本文转载自:Vicor