La mise à niveau vers une plate-forme haute tension de 800 V nécessite des ajustements du système triélectrique pour répondre aux exigences de fiabilité en matière de tenue à la tension et d'isolation induites par l'augmentation de la tension électrique.
Le coût BMS d'une batterie de 800 V est environ 1/3 supérieur à celui d'une batterie de 400 V. Du côté des coûts, une batterie de 800 V nécessite deux fois plus de cellules en série, ce qui nécessite deux fois plus de canaux de détection de tension du système de gestion de batterie (BMS). Selon les calculs d'Iman Aghabali et al., le coût total du BMS d'une batterie de 400 V est d'environ 602 $, et celui d'une batterie de 800 V est de 818 $, ce qui signifie que le coût d'une batterie de 800 V est environ 1/3 plus élevé que celui d'une batterie de 800 V. celui d’une batterie 400V. L'augmentation de la tension impose des exigences plus élevées en matière de fiabilité de la batterie. L'analyse des packs de batteries a montré qu'un pack avec une configuration 4p5s pouvait effectuer de manière fiable environ 1 000 cycles à 25 °C, tandis qu'un pack avec une configuration 2p10s (le double de la tension que 4p5s) ne pouvait atteindre que 800 cycles. L'augmentation de la tension réduira la fiabilité de la batterie principalement parce que la durée de vie d'une seule cellule est réduite (une fois la puissance de charge augmentée, le taux de charge de la cellule de la batterie passera de 1C à ≥3C, et le taux de charge élevé entraînera la perte de matériaux actifs, affectant la capacité et la durée de vie de la batterie). Dans les batteries à basse tension, davantage de cellules sont connectées en parallèle pour une plus grande fiabilité.
La plate-forme haute tension 800 V présente un diamètre de faisceau de câbles plus petit, ce qui réduit le coût et le poids. La section transversale des câbles CC qui transfèrent l'énergie entre la batterie 800 V et l'onduleur de traction, les ports de charge rapide et d'autres systèmes haute tension peut être réduite, réduisant ainsi le coût et le poids. Par exemple, la Tesla Model 3 utilise un fil de cuivre 3/0 AWG entre la batterie et le port de charge rapide. Pour un système de 800 V, réduire de moitié la surface du câble à un câble de 1 AWG nécessiterait 0,76 kg de cuivre en moins par mètre de câble, économisant ainsi des dizaines de dollars. En résumé, les systèmes 400 V ont un coût BMS inférieur, une densité énergétique et une fiabilité légèrement supérieures en raison de moins de lignes de fuite et de moins d'exigences de dégagement électrique autour du bus et du PCB. Le système 800 V, en revanche, dispose de câbles d’alimentation plus petits et de taux de charge rapides plus élevés. De plus, le passage aux batteries de 800 V peut également améliorer l’efficacité du groupe motopropulseur, en particulier de l’onduleur de traction. Cette augmentation de l’efficacité peut réduire la taille de la batterie. Les économies de coûts dans ce domaine et en termes de câbles peuvent compenser la batterie 800V. Forfait coût supplémentaire BMS. À l'avenir, avec la production à grande échelle de composants et l'équilibre parfait entre coûts et avantages, de plus en plus de véhicules électriques adopteront l'architecture de bus 800 V.
2.2.2 Batterie de puissance : la charge ultra rapide deviendra une tendance
En tant que source d'énergie principale des véhicules à énergie nouvelle, le PACK de batterie de puissance fournit la puissance motrice au véhicule. Il est principalement composé de cinq parties : module de batterie de puissance, système structurel, système électrique, système de gestion thermique et BMS :
1) Le module de batterie d'alimentation est comme le « cœur » de la batterie pour stocker et libérer de l'énergie ;
2) Le système de mécanisme peut être considéré comme le « squelette » de la batterie, qui est principalement composé du couvercle supérieur de la batterie, du plateau et de divers supports, qui jouent les rôles de support, de résistance aux chocs mécaniques, d'étanchéité à l'eau et à la poussière ;
3) Le système électrique est principalement composé d'un faisceau de câbles haute tension, d'un faisceau de câbles basse tension et de relais, parmi lesquels le faisceau de câbles haute tension transmet l'énergie à divers composants et le faisceau de câbles basse tension transmet des signaux de détection et des signaux de commande. ;
4) Le système de gestion thermique peut être divisé en quatre types : matériaux refroidis par air, refroidis par eau, refroidis par liquide et à changement de phase. La batterie génère beaucoup de chaleur pendant la charge et la décharge, et la chaleur est dissipée via le système de gestion thermique, de sorte que la batterie puisse être maintenue à une température de fonctionnement raisonnable. Sécurité de la batterie et durée de vie prolongée ;
5) Le BMS se compose principalement de deux parties, la CMU et le BMU. La CMU (Cell Monitor Unit) est une unité de surveillance unique, qui mesure des paramètres tels que la tension, le courant et la température de la batterie, et transmet les données au BMU (Battery Management Unit, unité de gestion de la batterie), si les données d'évaluation du BMU est anormal, il émettra une demande de batterie faible ou coupera le chemin de charge et de décharge pour protéger la batterie. contrôleur de voiture.
Selon les données de l'Institut de recherche industrielle de Qianzhan, du point de vue du partage des coûts, 50 % du coût de l'énergie des véhicules à énergie nouvelle réside dans les cellules de batterie, l'électronique de puissance et le PACK représentent chacun environ 20 %, ainsi que les systèmes BMS et de gestion thermique. représentent 10 %. En 2020, la capacité installée du PACK mondial de batteries de puissance est de 136,3 GWh, soit une augmentation de 18,3 % par rapport à 2019. La taille du marché de l'industrie mondiale des PACKS de batteries de puissance a connu une croissance rapide, passant d'environ 3,98 milliards de dollars américains en 2011 à 38,6 milliards de dollars américains en 2017. La taille du marché du PACK atteindra 186,3 milliards de dollars et le TCAC de 2011 à 2023 sera d'environ 37,8 %, ce qui indique un espace de marché énorme. En 2019, la taille du marché chinois des packs de batteries électriques était de 52,248 milliards de yuans, et la capacité installée est passée de 78 500 ensembles en 2012 à 1 241 900 ensembles en 2019, avec un TCAC de 73,7 %. En 2020, la capacité totale installée de batteries électriques en Chine sera de 64 GWh, soit une augmentation de 2,9 % sur un an. Les obstacles techniques à la charge rapide des batteries de puissance sont élevés et les contraintes sont complexes. Selon le document Lithium-ion Battery Fast Charging : A Review, les facteurs affectant la charge rapide des batteries lithium-ion proviennent de différents niveaux, tels que les atomes, les nanomètres, les cellules, les blocs-batteries et les systèmes, et chaque niveau contient de nombreuses contraintes potentielles. Selon la batterie au lithium Gaogong, l'insertion rapide du lithium et la gestion thermique de l'électrode négative sont les deux clés d'une capacité de charge rapide. 1) La capacité d'intercalation du lithium à grande vitesse de l'électrode négative peut éviter la précipitation du lithium et les dendrites de lithium, évitant ainsi le déclin irréversible de la capacité de la batterie et raccourcissant la durée de vie. 2) La batterie générera beaucoup de chaleur si elle chauffe rapidement, et elle est facile à court-circuiter et à prendre feu. Dans le même temps, l'électrolyte a également besoin d'une conductivité élevée, ne réagit pas avec les électrodes positives et négatives, peut résister à des températures élevées, être ignifuge et empêcher la surcharge.
Avantages évidents de la haute pression
Entraînement électrique et système de contrôle électronique : les véhicules à énergies nouvelles favorisent la décennie dorée du carbure de silicium. Les systèmes impliquant des applications SiC dans l'architecture des systèmes de véhicules à énergie nouvelle comprennent principalement les entraînements de moteur, les chargeurs embarqués (OBC)/piles de chargement hors bord et les systèmes de conversion de puissance (DC/DC embarqués). Les dispositifs SiC présentent de plus grands avantages dans les applications de véhicules à énergies nouvelles. L'IGBT est un dispositif bipolaire, et il y a un courant de queue lorsqu'il est éteint, donc la perte de désactivation est importante. Le MOSFET est un dispositif unipolaire, il n'y a pas de courant de queue, la résistance à l'état passant et la perte de commutation du SiC MOSFET sont considérablement réduites, et l'ensemble du dispositif d'alimentation présente des caractéristiques de température, de rendement élevé et de haute fréquence, ce qui peut améliorer l'efficacité de conversion d'énergie.
Entraînement moteur : L'avantage de l'utilisation de dispositifs SiC dans l'entraînement moteur est d'améliorer l'efficacité du contrôleur, d'augmenter la densité de puissance et la fréquence de commutation, de réduire les pertes de commutation et de simplifier le système de refroidissement du circuit, réduisant ainsi le coût, la taille et améliorant la densité de puissance. Le contrôleur SiC de Toyota réduit la taille du contrôleur de propulsion électrique de 80 %.
Conversion de puissance : le rôle du convertisseur DC/DC intégré est de convertir le courant continu haute tension produit par la batterie de puissance en courant continu basse tension, fournissant ainsi différentes tensions pour différents systèmes tels que la propulsion électrique, le CVC, les fenêtres. ascenseurs, éclairage intérieur et extérieur, infodivertissement et certains capteurs. L'utilisation de dispositifs SiC réduit les pertes de conversion de puissance et permet la miniaturisation des composants de dissipation thermique, ce qui permet d'obtenir des transformateurs plus petits. Module de charge : les chargeurs embarqués et les piles de chargement utilisent des dispositifs SiC, qui peuvent tirer parti de leur haute fréquence, de leur haute température et de leur haute tension. L'utilisation de MOSFET SiC peut augmenter considérablement la densité de puissance des chargeurs embarqués/hors carte, réduire les pertes de commutation et améliorer la gestion thermique. Selon Wolfspeed, l'utilisation de MOSFET SiC dans les chargeurs de batterie de voiture réduira de 15 % le coût de nomenclature au niveau du système ; à la même vitesse de charge qu'un système 400 V, le SiC peut doubler la capacité de charge des matériaux en silicium.
Tesla est à la pointe de la tendance du secteur et est le premier à utiliser le SiC sur ses onduleurs. L'onduleur principal à entraînement électrique de la Tesla Model 3 utilise le module d'alimentation entièrement SiC de STMicroelectronics, comprenant des MOSFET SiC 650 V, et son substrat est fourni par Cree. À l'heure actuelle, Tesla n'utilise que des matériaux SiC dans les onduleurs, et le SiC pourra être utilisé dans les chargeurs embarqués (OBC), les piles de chargement, etc. à l'avenir.
Anglais
