ไฟฟ้าแรงสูงขับเคลื่อนโซ่อุตสาหกรรมหลายแห่ง

แท่นไฟฟ้าแรงสูง 800V มีเส้นผ่านศูนย์กลางชุดสายไฟเล็กกว่า ซึ่งช่วยลดต้นทุนและน้ำหนักได้ พื้นที่หน้าตัดของสายไฟ DC ที่ถ่ายโอนพลังงานระหว่างชุดแบตเตอรี่ 800V และฉุดอินเวอร์เตอร์ พอร์ตชาร์จเร็ว และระบบไฟฟ้าแรงสูงอื่นๆ จะลดลง ส่งผลให้ต้นทุนและน้ำหนักลดลง ตัวอย่างเช่น Tesla Model 3 ใช้ลวดทองแดง 3/0 AWG ระหว่างก้อนแบตเตอรี่และพอร์ตชาร์จเร็ว สำหรับระบบ 800V การลดพื้นที่สายเคเบิลลงครึ่งหนึ่งเหลือ 1 สาย AWG จะต้องใช้ทองแดงน้อยลง 0.76 กก. ต่อสาย 1 เมตร ซึ่งช่วยประหยัดต้นทุนได้หลายสิบดอลลาร์ โดยสรุป ระบบ 400V มีต้นทุน BMS ที่ต่ำกว่า ความหนาแน่นของพลังงานและความเชื่อถือได้ที่สูงขึ้นเล็กน้อย เนื่องจากระยะห่างตามผิวฉนวนที่น้อยลง และข้อกำหนดระยะห่างทางไฟฟ้ารอบบัสและ PCB ที่น้อยลง ในทางกลับกัน ระบบ 800V นั้นมีสายไฟที่เล็กกว่าและมีอัตราการชาร์จที่รวดเร็วกว่า นอกจากนี้ การเปลี่ยนมาใช้ชุดแบตเตอรี่ 800V ยังช่วยปรับปรุงประสิทธิภาพของระบบส่งกำลัง โดยเฉพาะอินเวอร์เตอร์ฉุดลาก ประสิทธิภาพที่เพิ่มขึ้นนี้อาจทำให้ขนาดของก้อนแบตเตอรี่เล็กลงได้ การประหยัดต้นทุนในด้านนี้และในแง่ของสายเคเบิลสามารถชดเชยแบตเตอรี่ 800V ได้ แพ็คเกจค่าใช้จ่าย BMS เพิ่มเติม ในอนาคต ด้วยการผลิตส่วนประกอบจำนวนมากและความสมดุลระหว่างต้นทุนและผลประโยชน์ รถยนต์ไฟฟ้าจำนวนมากขึ้นเรื่อยๆ จะนำสถาปัตยกรรมบัส 800V มาใช้

2.2.2 พลังงานแบตเตอรี่: การชาร์จเร็วสุดจะกลายเป็นเทรนด์

เนื่องจากเป็นแหล่งพลังงานหลักของรถยนต์พลังงานใหม่ ชุดแบตเตอรี่พลังงานจึงให้พลังขับเคลื่อนแก่ยานพาหนะ ส่วนใหญ่ประกอบด้วยห้าส่วน: โมดูลแบตเตอรี่พลังงาน ระบบโครงสร้าง ระบบไฟฟ้า ระบบการจัดการความร้อน และ BMS:

1) โมดูลพลังงานแบตเตอรี่เปรียบเสมือน "หัวใจ" ของชุดแบตเตอรี่ในการเก็บและปล่อยพลังงาน

2) ระบบกลไกถือได้ว่าเป็น "โครงกระดูก" ของชุดแบตเตอรี่ ซึ่งส่วนใหญ่ประกอบด้วยฝาครอบด้านบนของชุดแบตเตอรี่ ถาด และวงเล็บต่างๆ ซึ่งมีบทบาทในการรองรับ ทนต่อแรงกระแทกทางกล กันน้ำ และกันฝุ่น

3) ระบบไฟฟ้าส่วนใหญ่ประกอบด้วยชุดสายไฟแรงสูง ชุดสายไฟแรงดันต่ำ และรีเลย์ โดยชุดสายไฟแรงสูงส่งพลังงานไปยังส่วนประกอบต่างๆ และชุดสายไฟแรงดันต่ำส่งสัญญาณการตรวจจับและสัญญาณควบคุม ;

4) ระบบการจัดการความร้อนสามารถแบ่งออกเป็นสี่ประเภท: วัสดุระบายความร้อนด้วยอากาศ ระบายความร้อนด้วยน้ำ ระบายความร้อนด้วยของเหลว และวัสดุเปลี่ยนเฟส แบตเตอรี่จะสร้างความร้อนจำนวนมากในระหว่างการชาร์จและการคายประจุ และความร้อนจะกระจายผ่านระบบการจัดการความร้อน เพื่อให้สามารถรักษาแบตเตอรี่ให้อยู่ในอุณหภูมิการทำงานที่เหมาะสมได้ ความปลอดภัยของแบตเตอรี่และอายุการใช้งานที่ยาวนานขึ้น

5) BMS ประกอบด้วย 2 ส่วนหลัก คือ CMU และ BMU CMU (Cell Monitor Unit) เป็นหน่วยตรวจสอบเดี่ยวซึ่งตรวจวัดพารามิเตอร์ต่างๆ เช่น แรงดัน กระแส และอุณหภูมิของแบตเตอรี่ แล้วส่งข้อมูลไปยัง BMU (Battery Management Unit, Battery Management Unit) หากข้อมูลการประเมิน BMU ผิดปกติจะแจ้งขอแบตเตอรี่เหลือน้อยหรือตัดเส้นทางการชาร์จและคายประจุเพื่อป้องกันแบตเตอรี่ ตัวควบคุมรถ

จากข้อมูลของสถาบันวิจัยอุตสาหกรรม Qianzhan จากมุมมองของการแบ่งต้นทุน พบว่า 50% ของต้นทุนด้านพลังงานของยานพาหนะพลังงานใหม่อยู่ที่เซลล์แบตเตอรี่ อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์กำลัง และ PACK ในแต่ละส่วนคิดเป็นประมาณ 20% และ BMS และระบบการจัดการความร้อน คิดเป็น 10% ในปี 2020 กำลังการผลิตติดตั้งของ PACK แบตเตอรี่พลังงานทั่วโลกอยู่ที่ 136.3GWh เพิ่มขึ้น 18.3% เมื่อเทียบกับปี 2019 ขนาดตลาดของอุตสาหกรรม PACK แบตเตอรี่พลังงานทั่วโลกเติบโตอย่างรวดเร็วจากประมาณ 3.98 พันล้านดอลลาร์สหรัฐในปี 2554 เป็น 38.6 พันล้านดอลลาร์สหรัฐในปี 2560 ขนาดตลาดของ PACK จะสูงถึง 186.3 พันล้านดอลลาร์สหรัฐ และ CAGR ตั้งแต่ปี 2554 ถึง 2566 จะอยู่ที่ประมาณ 37.8% ซึ่งบ่งชี้ว่ามีพื้นที่ตลาดขนาดใหญ่ ในปี 2019 ขนาดตลาด PACK แบตเตอรี่พลังงานของจีนอยู่ที่ 52.248 พันล้านหยวน และกำลังการผลิตติดตั้งเพิ่มขึ้นจาก 78,500 ชุดในปี 2012 เป็น 1,241,900 ชุดในปี 2019 โดยมี CAGR ที่ 73.7% ในปี 2020 กำลังการผลิตติดตั้งรวมของแบตเตอรี่กำลังในจีนจะอยู่ที่ 64GWh เพิ่มขึ้น 2.9% เมื่อเทียบเป็นรายปี อุปสรรคทางเทคนิคในการชาร์จพลังงานแบตเตอรี่อย่างรวดเร็วนั้นมีอยู่ในระดับสูง และข้อจำกัดก็ซับซ้อน จากข้อมูลการชาร์จอย่างรวดเร็วของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน: การทบทวน ปัจจัยที่ส่งผลต่อการชาร์จอย่างรวดเร็วของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนมาจากหลายระดับ เช่น อะตอม นาโนเมตร เซลล์ ชุดแบตเตอรี่ และระบบ และแต่ละระดับมีข้อจำกัดที่อาจเกิดขึ้นมากมาย จากข้อมูลของแบตเตอรี่ลิเธียม Gaogong การใส่ลิเธียมความเร็วสูงและการจัดการความร้อนของขั้วลบเป็นกุญแจสำคัญสองประการในความสามารถในการชาร์จที่รวดเร็ว 1) ความสามารถในการแทรกแซงลิเธียมความเร็วสูงของอิเล็กโทรดลบสามารถหลีกเลี่ยงการตกตะกอนของลิเธียมและเดนไดรต์ลิเธียม จึงหลีกเลี่ยงการลดลงของความจุของแบตเตอรี่ที่ไม่สามารถย้อนกลับได้และทำให้อายุการใช้งานสั้นลง 2) แบตเตอรี่จะสร้างความร้อนได้มากหากร้อนเร็ว และลัดวงจรและติดไฟได้ง่าย ในเวลาเดียวกัน อิเล็กโทรไลต์ยังต้องการการนำไฟฟ้าสูง และไม่ทำปฏิกิริยากับอิเล็กโทรดบวกและลบ และสามารถต้านทานอุณหภูมิสูง การหน่วงไฟ และป้องกันการชาร์จไฟเกิน
ข้อดีที่ชัดเจนของแรงดันสูง

ระบบขับเคลื่อนไฟฟ้าและระบบควบคุมอิเล็กทรอนิกส์: ยานพาหนะพลังงานใหม่ส่งเสริมทศวรรษทองของซิลิคอนคาร์ไบด์ ระบบที่เกี่ยวข้องกับการใช้งาน SiC ในสถาปัตยกรรมระบบรถยนต์พลังงานใหม่ส่วนใหญ่ประกอบด้วยมอเตอร์ไดรฟ์ แท่นชาร์จแบบออนบอร์ด (OBC)/แท่นชาร์จแบบออฟบอร์ด และระบบการแปลงพลังงาน (DC/DC ออนบอร์ด) อุปกรณ์ SiC มีข้อได้เปรียบมากขึ้นในการใช้งานรถยนต์พลังงานใหม่ IGBT เป็นอุปกรณ์ไบโพลาร์ และมีกระแสไฟหางเมื่อปิด ดังนั้นการสูญเสียการปิดเครื่องจึงมีมาก MOSFET เป็นอุปกรณ์แบบขั้วเดียว ไม่มีกระแสไฟฟ้าส่วนท้าย ความต้านทานต่อและการสูญเสียการสลับของ SiC MOSFET จะลดลงอย่างมาก และอุปกรณ์ไฟฟ้าทั้งหมดมีอุณหภูมิสูง ประสิทธิภาพสูง และลักษณะความถี่สูง ซึ่งสามารถปรับปรุงประสิทธิภาพการแปลงพลังงานได้

มอเตอร์ไดรฟ์: ข้อดีของการใช้อุปกรณ์ SiC ในมอเตอร์ไดรฟ์คือการปรับปรุงประสิทธิภาพของตัวควบคุม เพิ่มความหนาแน่นของพลังงานและความถี่ในการสลับ ลดการสูญเสียการสลับและทำให้ระบบระบายความร้อนของวงจรง่ายขึ้น ซึ่งช่วยลดต้นทุน ขนาด และปรับปรุงความหนาแน่นของพลังงาน ตัวควบคุม SiC ของ Toyota ลดขนาดของตัวควบคุมการขับเคลื่อนด้วยไฟฟ้าลง 80%

การแปลงพลังงาน: บทบาทของตัวแปลง DC/DC บนบอร์ดคือการแปลงเอาต์พุตกระแสตรงแรงดันสูงโดยแบตเตอรี่พลังงานให้เป็นกระแสตรงแรงดันต่ำ ดังนั้นจึงให้แรงดันไฟฟ้าที่แตกต่างกันสำหรับระบบต่างๆ เช่น ระบบขับเคลื่อน, HVAC, หน้าต่าง ลิฟต์ ระบบไฟภายในและภายนอก ระบบสาระบันเทิง และเซ็นเซอร์บางตัว การใช้อุปกรณ์ SiC ช่วยลดการสูญเสียการแปลงพลังงานและช่วยให้ส่วนประกอบการกระจายความร้อนมีขนาดเล็กลง ส่งผลให้หม้อแปลงมีขนาดเล็กลง โมดูลการชาร์จ: ที่ชาร์จแบบออนบอร์ดและแท่นชาร์จใช้อุปกรณ์ SiC ซึ่งสามารถใช้ประโยชน์จากความถี่สูง อุณหภูมิสูง และแรงดันไฟฟ้าสูงได้ การใช้ SiC MOSFET สามารถเพิ่มความหนาแน่นของพลังงานของเครื่องชาร์จแบบออนบอร์ด/ออฟบอร์ดได้อย่างมาก ลดการสูญเสียการสลับ และปรับปรุงการจัดการระบายความร้อน ตามข้อมูลของ Wolfspeed การใช้ SiC MOSFET ในเครื่องชาร์จแบตเตอรี่รถยนต์จะลดต้นทุน BOM ในระดับระบบลง 15% ที่ความเร็วในการชาร์จเท่ากันกับระบบ 400V SiC สามารถเพิ่มความสามารถในการชาร์จของวัสดุซิลิกอนได้เป็นสองเท่า

Tesla เป็นผู้นำเทรนด์อุตสาหกรรมและเป็นเจ้าแรกที่ใช้ SiC กับอินเวอร์เตอร์ อินเวอร์เตอร์หลักของไดรฟ์ไฟฟ้าของ Tesla รุ่น 3 ใช้โมดูลพลังงาน SiC ทั้งหมดของ STMicroelectronics ซึ่งรวมถึง SiC MOSFET 650V และ Cree เป็นผู้จัดหาวัสดุพิมพ์ ปัจจุบัน Tesla ใช้เฉพาะวัสดุ SiC ในอินเวอร์เตอร์ และ SiC สามารถใช้กับเครื่องชาร์จออนบอร์ด (OBC) กองชาร์จ ฯลฯ ในอนาคต