保时捷Taycan的800V-400V-12V/48V转换设计
Taycan整车的电压等级分为3种:800V、400V、48V和12V。
通常所说到Taycan的800V指电池包电压平台为800V,我们这里来具体看下Taycan在不同电压之间的转换设计。下图展示了整车主要高低压器件所属的电压等级。
1 高压辅助加热器(800V);2、PDCC(保时捷动态底盘控制系统,48V);3、高压转换器(800V转换为400V、48V和12V);4、高压升压器(400V转为800V);5、高压空调压缩机(400V);6、前端电源电子装置(800V);7、带法兰式1速变速箱的电机;8、高压充电器(将交流输入转换为800V直流);9、电池包(800V);10、后端电源电子装置;11、带法兰式2速变速箱的电机
由于保时捷所选择的800V架构是以电池包电压平台为800V展开的(也可以以400V展开,具体参考《整车800V的电气架构》),所以,保时捷面临着一个很现实的问题,即充电电源电压低于800V怎么办?因此,除了与其它电动汽车具备降压转换外,保时捷还必须配备升压转换。总体的转换思路如下:
(1)降压转换
当电池包对外放电时,除了高压辅助加热器(用于乘员舱)可以直接取用电池包的电,其他所有的用电设备均需要进行降压处理。降压通过高压转换器来实现,该部件位于前驱动桥上方的前部区域,其构成(带PDCC)如下所示:
它的降压转换原理如下:其中左侧UE为输入电压,右侧UA为输出电压。
晶体管(T)周期性地将输入电压切换到线圈,这里的线圈是必需的,否则电压特性将基于PWM信号。线圈上存在电感,这使得电压不会突然增加,整个过程的电压如下所示:
当达到输出电压值时,晶体管 (T) 再次关闭输入电压,并且仍然使用线圈和电容器中存储的能量通过抑制二极管 (L) 向负载供电。线圈电流下降后,晶体管 (T) 再次导通并循环这一过程。
通过设置晶体管的占空比来确定输出电压大小,借助于电容器,输出电压大体维持稳定。
接下来,我们首先看下800V至12V的转换:
在这个过程中,涉及到高压能量管理(HVEM)和低压能量管理(LVEM),在转换时,相关的转换数据,如电流、电压、转换电流和温度等,通过高压转换器发送到这两个能量管理单元。
从800 V 转换到 12 V 时,因为开关的频率更高,晶体管电路的工作会产生废热。上图显示了通过PWM信号进行表示接通和断开操作以及由此产生的热量损失。
其次,800V至48V的转换:
这里涉及到的两个管理单元分别为中压能量管理单元(MVEM)和中压协调器(MVC)。通常,MVC发出启用信号以支持48V电气系统,MVEM将数据(如所需的设定值和最小电压)发送到高压转换器,从而完成转换过程。
值得注意的是,在侧向运动时,保时捷可以允许最大的再生功率为3.5kW。
第三,是800V到400V的转换:
主要为对空调压缩机和电机的转换,800V到400V的转换也由高压协调器和HVEM 控制。注意,在以下情况下,Taycan始终会命令高压转换器进入降压模式:
· 整车操作就绪;
· 车辆正在充电;
· 需要对12 V蓄电池进行充电(至多这到高压蓄电池的 SoC 保护阐值)。
高压转换器设定点的信息如下表所示:
(2)升压转换
主要用于将直流电压从400 V提升到800 V。例如,在可用电压为400 V的公共充电站进行充电。这要借助于一个叫做高压升压器的器件,它位于高压转换器下方,其外形及对接连接口如下所示:
高压升压器不仅是能够升压转换,同时也起到电源分配器的作用,主要管理以下几个部件的电源需求:高压充电器、高压加热器、高压转换器、电池包和电控。它的工作原理如下所示:
包括了升压功能和高压配电功能,主要包含一个隔离二极管、三个负载接触器 S1、S2、S3 以及一个 DC/DC电压转换器和一个 80A 保险丝。
整个充电过程的具体操作如下所示:
高压助力器中的过程显示在左侧,包括目标模式、实际模式、PE平衡、系统预充电、实际充电以及高压接触器的状态。包括检查充电插头是否插入、是否建立充电通讯、绝缘是否正常,之后,进行预充电。
充电站的预充电以 2A 的最大控制电流进行;车辆的 HV+ 和 HV- 接触器断开。如果车辆高压系统与充电站之间的电压差己调整为20V的差值,则可以开始充电操作。 HV+ 和 HV- 接触器闭合 (3),并且功率己逐渐攀升到高压系统的最大允许值((4) 至 (5))。阶段 (6) 至 (7) 表示充电操作结束。
整个充电过程中的电压特性如下面:
最后,我们来看下400V到800V具体是如何实现的,这要借助于充电泵,如下的示意:
可以看出,输出电压是输入电压的两倍减去二极管两端的压降。这样,把整个充电升压的功能进行梳理下,如下所示,在400V直流充电站进行充电时,高压升压器同时兼具配电和升压的功能,升压器的工作受限于充电站与充电管理二者的反馈,通过设定相应的电流来得到最终的电压值。
保时捷的这个800V架构是非常复杂的,与以下的这个架构类似。
既可以直接使用800V充电,又兼容400V的充电电源,在整车运行的电器上,既有直接在800V平台上工作的器件,又存在必需降压使用的器件。
这带来三个不足:一是成本高;二是控制复杂;三是额外的电能耗损(每个转换环节都会有损耗),能量的利用率就低,但高电压平台又减少了废热的产生,这就要详细来评估电能的得失。
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