比亚迪首发“升流充电”，电气架构迎来大电流挑战

电子发烧友网报道（文/梁浩斌）在电动汽车，我们经常可以听到“升压快充”的概念，这也是大多数电动汽车提高充电速度的主要方式。今年5月，比亚迪发布的e平台3.0 Evo中，提到了一个比较新鲜的概念——“升流充电”。那么升流充电有什么优势，技术难度在哪？
 
升流充电是升压充电的“逆向操作”
 
在升压充电推出时，电动汽车所面临的市场环境是，2017年之前国内公共直流充电桩中，500V充电桩的比例一度超过90%。这也意味着，如果车辆电池包的电压高于500V，即电池包电压大于充电桩能提供的最高电压，那么将无法充电。
 
所以，要想让电动汽车适配更多市面上的充电桩，就需要通过某种方式，将充电桩输入的电压提升到电池包相同或更高的水平。传统的做法是在车内增加额外用于升压的DC-DC模块，采用boost升压电路进行升压，不过额外增加的模块，一方面增加成本，另一方面也占用车内宝贵的空间。
 
有没有更低成本的方法？在boost升压电路中，一般是由功率开关管，比如IGBT、SiC MOSFET等，以及整流二极管、电感电容等元器件构成。恰好电机控制模块中，其实也是由类似的元件构成。在平时充电的时候车辆都会处于静止状态，那么闲置的电机控制电路就可以复用作为充电时升压使用。
 
比亚迪在2021年发布的e平台3.0上，推出了复用电驱系统的升压充电方案，通过控制信号的改变，除了可以实现boost电路的升压之外，还能实现buck电路降压，将电池包高压降为220V，外放输出给电器设备使用，即V2L功能。
 
当然，比亚迪积极推进这种技术的原因，主要是因为比亚迪是较早在电动车上使用高压电池包的车企，早在2015年比亚迪就在唐DM上使用了712V的电池包，而当时其他电动车或混合动力车型电池电压还停留在400V以下的水平。
 
后来现代E-GMP平台也采用了复用电驱的升压方案，充电时用后驱动电机系统进行升压。
 
电驱复用升压充电也有一些局限性，充电功率的上限，取决于电机逆变器的功率设计。比如后电机的最大功率是160kW，那么升压充电的最大功率也会被限制在160kW。
 
升流充电顾名思义，提升充电功率的方式从提高电压，改为增大电流。传统的充电方法通常受限于较低的电流，这是因为大部分充电基础设施，尤其是公共充电桩，设计时考虑的是普遍适用性和安全性，因而电流上限不高。
 
实际上，经过最近几年电动汽车市场的快速发展，充电桩已经得到了多轮升级，目前根据腾势统计的数据，750V以上的高压充电桩，已经占到目前市场上公共直流桩的80%以上。另外800V平台车型，绝大部分的电池包电压都在700V附近，所以目前对于电动汽车来说，升压对于提升充电功率的作用已经没有过去那么明显。
 
对于公共充电桩而言，过去的充电桩国标中，充电枪最高输出电流被限制在250A。当然有一些新势力车企的自建桩可以达到更高的电流，以达到更高的充电功率，但总体来说，在公共充电桩中占比较小。
 
比亚迪统计的数据显示，市场上的公共直流充电桩中，最大电流250A及以下的充电桩占比98%。
 
然而以750V的充电桩为例，在最大电流250A的情况下，最大充电功率是750V*250A，即187.5kW。如果电池包电压小于750V，比如600V，那么对应的最大充电功率就受限于电流，为600V*250A，即150kW，显然没有完全利用充电桩的功率输出。
 
所以在e平台3.0EVO上，比亚迪给出的方案是临时搭建750V电压平台与充电桩对接，跑满功率，而在输入电池包的阶段将电压降至电池包电压。在降压的过程，如果电池包电压是600V，那么电流就会变成187.5kW/600V，即312.5A。
 
所以通过这种方式，相比普通的充电方案，从150kW充电功率提高至充电桩峰值187.5kW，如果电池包电压更低，那么提升的幅度将会更大。
 
可以看到，升流充电的方式，最大的好处是更好地适配市面上的存量充电桩，即在任何750V充电桩上都可以跑满功率。
 
大电流带来的新挑战
 
市面上，提高充电功率的思路，大部分是从两个方面入手，一是从充电桩上，采用自建充电桩，液冷充电线缆等提高电压和电流；二是提高电池的充放电能力，比如理想的5C电池包。
 
确实这种是彻底提升充电功率，实现充电和加油时间差不多的方式。不过面对市场上存量的充电桩，尽可能提高充电功率也是一种思路。
 
相比之下，降压升流充电相比以往的升压充电，更大的电流也带来了很多新的挑战。
 
首先是在电池上，电池本身具有内阻，增大充电电流会增加电池内部的热量生成，这对电池包冷却系统带来了更大的压力。同时，升流充电要求更复杂和精确的电池管理策略，BMS需要能够实时监测电池状态并调整充电参数，以防止过充或过放，同时确保电池温度和电压在安全范围内。
 
同时大电流对于导线和连接器的要求也更高。首先导电线缆需要足够的截面积，以减少电阻和电压降；连接器需要能够承载高电流，具有足够的截面积和适当的形状，以降低电阻并提高机械强度。
 
比如Amphenol的1000V 14mm双孔金属180°大电流高压连接器系列中，在屏蔽线95mm²尺寸下最大可负载电流为400A，在120mm²尺寸下最大可负载电流为450A。
 
对于降压部分，从比亚迪的方案来看，同样是复用电驱系统的电路。在Buck降压转换电路中，电流通过电感，将能量以磁的形式存储在电感中，通过控制开关管的导通和断开，基于电感的自感应特性，就可以将电磁能转化为电能。同时电容起到平滑输出电压的作用，加上通过PWM控制，来降低输出的电压。
 
而在这个过程中，电感的散热也是一个难点之一，在降压的过程中，电感起到类似于燃油车变速箱的作用。所以可能需要支持大电流，散热更强的电感。比如科达嘉的VPAB系列一体成型大电流电感，电感值0.82μH~3.30μH，饱和电流176A~335A，通过AEC-Q200标准最高级别Grade 0测试，产品工作温度-55℃~+165℃。
 
小结：
 
升流快充要解决的问题，主要是对存量充电桩进行适配，实现大多数场景下都能达到尽可能高的充电功率。不过随着电动车市场的发展，充电桩也将会继续往更大功率发展，包括国标也有chaoji充电接口的备选方案，预留了1000A以上的超大功率充电空间，而此前250A限制的2015版充电国标，也早已有了升级版。 所以升流快充未必会在未来有很大发展空间，但在现阶段确实是一个较为实用，有效提高充电体验的方案。