電動車從400V到800V高壓系統的意義

這兩年,特斯拉的成功崛起順勢帶動全球電動車科技的快速發展。在號稱快速充電與高容量的下一代鋰電池技術(i.e. 鋰固態電池)仍處於看的見吃不到的階段,也儘管媒體煽動性的報導某廠家即將量產之類的新聞層出不窮,最新的小批量量產預估也要到2025年。而我們都知道電動車的最大門檻仍在它電力能源的便利性(包含充電時間能降到與市場習慣的燃油車的五分鐘左右與充電樁的普及性,也就是俗稱的里程焦慮)。因此開始有電動車廠,為了提升充電效能,開始從400V的電力系統走向800V的電力系統,而保時捷的Taycan車款與位於克羅埃西亞的頂級電動超跑公司Rimac(保時捷於2021年初對此公司投資由原來的15%增加到24%)堪稱這個領域的先鋒,另外韓國Kia也有類似研發。這個趨勢可以包含電池本身與電力驅動系統或僅意味著電池系統提升到800V。

那麼我們來看800V的意義。單從功率(power)來看很難看出它的優點甚至有些似是而非,因為假設充電功率相同(譬如特斯拉第三代快充的250kW),那與電壓高低有何關係,電壓高電流不就低,電壓低電流不就高嗎(功率=電壓x電流)?既然充電速度或時間(電池容量/充電功率)一樣,那差別在哪裡?

800V的優點

  1. 使用較細的充電導線:以充電而言,相同充電功率下,電壓高則電流就可以低,電流低導線就不用這麼粗,導線的電阻熱能耗也就降低,這在降低惱人的電動車導線由於高電流造成的高溫上很有幫助,由市場上已有廠商在研發液冷式電動車導線來看,高溫導線所造成的問題可見一斑。在800V高壓充電下,電池本身的串並聯組態也必須要重新調整使電池包的電壓也相對提升到800V,否則很明顯的用800V充電一個400V的電池包是會因為高充電電流而燒毀,電池包的重組可以在不改變電池包中電池芯的數量,也就是相同容量,之下進行。至於驅動系統(逆變器、動力馬達等)的電壓是否利用一個DC-DC降壓使其維持在一般傳統低電壓的400V上運作或是也提升成高電壓規格,則取決於成本與設計上的考量。
  2. 充電速度的提升(這一點要發揮一下想像力):如果原400V充電導線尺寸已達極限(受電流限制否則導線過熱),則在800V之下,由於可以在較低電流下使用較細導線達到相同充電功率,但如果使用原來400V所用的充電導線尺寸則可以維持原電流以提升充電功率,當然這些都需要搭配適當的導線尺寸與電池包內電池芯的串並聯組態,使每顆電池芯最終接受到的充電電流相較於400V提升但仍維持在容許範圍內。
  3. 里程的增加:這需要整個驅動系統也提升到高壓,可使用與充電端相同較細的(如上述)外部連接導線,讓導線電阻熱耗損降低以提升電能使用效率。
  4. 使用較小的馬達:由於高電壓,所以馬達繞線中的電流也提升,使得馬達能在更高的轉速下提供與低電壓下相同的扭力。因此在相同性能下,馬達繞線數量可以降低,使馬達體積變小,但是設計上要避免高壓造成的低功率因子(Power Factor)以致效率降低的問題。

800V的考量

  1. 高壓元件的供應市場不成熟:整個電動車內電力元件(包含驅動系統等)的電壓目前普遍是低壓(400V)。
  2. 高壓充電樁的建置等也將構成電動車發展的另一個挑戰。不過個人覺得這會是一個趨勢。
  3. 馬達PD效應(Partial Discharge)。
  4. 由於電壓提高,導線需要更好的絕緣以維護維修人員安全。

發表者:李麥克

興趣廣泛,希望一天是48小時。自幼喜歡拆解家電零件安裝到其他可用的電器上面,興趣廣泛永遠有學習新知的渴望。一輩子都充滿對英文閱讀與各種工程科學 (STEM) 學習的渴望。 小時候閉起眼睛模擬雙手正在控制方向盤並加油或踩離合器換檔的快感成了我的免費虛擬電玩,年輕時迷上電視影集霹靂遊俠後 (仍熟悉的"老哥"稱呼?),更開始對汽車產生了各種幻想。有幸此生見證了電動車的崛起與可預見的自駕車的未來並親歷其中,即使是在人生的下半場。在讀了來自克羅埃西亞電動超跑Rimac C_Two的故事後,更發現Rimac的諧音更可以將自己投射到霹靂遊俠中的主角。 自2012年特斯拉推出Model S後即開始累積電動車方面的學養。更於2018年在浸淫軟體工程領域二十餘年與後期的3D感測與自駕車應用新創公司數年後,因著對電動車的狂熱開始對特斯拉(Tesla)是如何成功的好奇而"誤入歧途"一頭栽進對電動車的研究。於是在同年前往英國攻讀英國第一屆電動車工程碩士學程並於次年取得人生繼台灣與美國碩士學位後的第三個電動車工程碩士(MSc with distinction in Electrical Automotive Engineering)。目前開設電動車相關技術與各類電腦資訊教學課程(程式設計等),電動車專長領域為動力系統(Electric Drive)。 嗜好:英語閱讀、電動車、程式設計、顧問、教學、網球、小號、爵士鼓、吉他

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