高電壓絕緣的案例
技術(shù)文章｜如何設(shè)計(jì)可靠性更高、尺寸更小、成本更低的高電壓系統(tǒng)解決方案
太陽能設(shè)備和電動(dòng)汽車充電器的工作電壓范圍為 200V 至 1,500V 或更高。圖 4 所示為我們高壓電動(dòng)汽車充電和太陽能中的絕緣監(jiān)測(cè) AFE 參考設(shè)計(jì)。該參考設(shè)計(jì)使用我們的 AMC3330 精密隔離放大器和 TPSI2140-Q1 隔離開關(guān)，在電網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施應(yīng)用中監(jiān)測(cè)絕緣電阻。由于沒有移動(dòng)器件，這種固態(tài)繼電器解決方案可以執(zhí)行數(shù)十年的頻繁測(cè)量，且不會(huì)降低性能。電力和信號(hào)均可通過 TPSI2140-Q1 內(nèi)的隔離柵輸送，因此無需次級(jí)側(cè)偏置電源。由于該器件采用薄型小尺寸 IC (SOIC) 封裝，因此解決方案尺寸可以比基于光繼電器或機(jī)械繼電器的解決方案小 50%。
圖 5：高壓電動(dòng)汽車充電和太陽能中的
絕緣監(jiān)測(cè) AFE 方框圖
結(jié)語
TI 將更多功能集成到隔離技術(shù)中，助力工程師在電動(dòng)汽車和電網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施等應(yīng)用中保持解決方案的安全性，同時(shí)降低設(shè)計(jì)復(fù)雜性、縮小解決方案尺寸并降低成本。
文章來源：德州儀器
展開 絕緣油測(cè)試裝置中在線擊穿電壓傳感器的應(yīng)用
絕緣油是一種廣泛應(yīng)用于電力變壓器等電氣設(shè)備中的絕緣介質(zhì)。油浸變壓器等充油電氣設(shè)備中絕緣油起著絕緣與散熱作用,但因種種原因,絕緣油的品質(zhì)在長(zhǎng)期運(yùn)行過程中會(huì)發(fā)生變化,造成設(shè)備絕緣性能下降,影響電力設(shè)備的安全運(yùn)行和維護(hù)。為保證變壓器的運(yùn)行安全必須對(duì)絕緣油的電氣強(qiáng)度定期試驗(yàn)。擊穿電壓是表征絕緣油電氣強(qiáng)度的一項(xiàng)重要指標(biāo)。
絕緣油擊穿電壓
在規(guī)定條件下絕緣油發(fā)生擊穿的電壓稱為絕緣油的擊穿電壓，單位一般為KV，絕緣油的擊穿電壓是衡量絕緣油在電氣設(shè)備內(nèi)部能耐受電壓的能力（也稱為絕緣油介電強(qiáng)度）而不被破快的尺度，是檢驗(yàn)變壓器油性能好壞的主要手段之一。它實(shí)際上是測(cè)試絕緣油的瞬間擊穿電壓值。
絕緣油擊穿原理
干凈的絕緣油中總會(huì)有一些自由電子在外界的高能射線作用下游離出米，或在同部強(qiáng)場(chǎng)作用下從陰極冷射出來。這些電子在電場(chǎng)作用下，產(chǎn)生撞擊游離，最終會(huì)導(dǎo)致絕緣油擊穿于這種擊穿完全由電的作用造成，故稱為“電擊穿”。工程上用的絕緣油總是不很純凈有各種各樣的雜質(zhì)，不純凈的絕緣油的擊穿是由于雜質(zhì)形成的“小橋”貫穿電極之間，而“小橋”的電導(dǎo)較大，使泄漏電流增大，發(fā)熱嚴(yán)重，游離過程增強(qiáng)，最后導(dǎo)致“小橋”通道游離擊穿。這一過程是與熱過程緊密聯(lián)系著，故稱為“熱擊穿”
干燥清潔的油品具有相當(dāng)高的擊穿電壓值，一般國產(chǎn)油的擊穿電壓值都在40kV以有的可達(dá)60kV以上，但當(dāng)油中含有游離水、溶解水分或固形物時(shí)，由于這些雜質(zhì)都具有比油本身大的電導(dǎo)率和介電常數(shù)，它們?cè)陔妶?chǎng)(電壓)作用下會(huì)構(gòu)成導(dǎo)電橋路，而降低油的穿電壓值，此試驗(yàn)可以判斷油中是否存在有水分、雜質(zhì)和導(dǎo)電微粒，但它不能判斷油品是否存在有酸性物質(zhì)或油泥。
當(dāng)涉及到變壓器的運(yùn)行時(shí)，絕緣油是確保其長(zhǎng)期使用壽命的最重要元素。然而，隨著時(shí)間的推移，它會(huì)受到不良物質(zhì)的污染，從而影響其功能。
展開 在線檢測(cè)變壓器絕緣油的擊穿電壓、含水量和溫度的傳感器
認(rèn)識(shí)到這個(gè)問題并加以解決，導(dǎo)致了所謂的新“智能電網(wǎng)”的發(fā)展，這種電網(wǎng)能夠承受未來更高的需求，同時(shí)提供更穩(wěn)定、更強(qiáng)健的基礎(chǔ)設(shè)施。必須“在運(yùn)行中”完成的任務(wù)（對(duì)持續(xù)運(yùn)行的系統(tǒng)進(jìn)行更新）。顯然，這是一項(xiàng)艱難的工作，即使是最小的錯(cuò)誤也可能導(dǎo)致連鎖反應(yīng)，帶來災(zāi)難性的后果。因此，必須對(duì)最關(guān)鍵的部件(即變壓器)進(jìn)行監(jiān)控。
在變壓器的運(yùn)行中，絕緣油是保證其長(zhǎng)壽命的最重要元素。然而，隨著時(shí)間的推移，它會(huì)受到不良物質(zhì)的污染，從而影響其功能。對(duì)這些雜質(zhì)及其濃度的分析可以提供有關(guān)變壓器本身使用壽命和老化的信息，同時(shí)提供有關(guān)電氣絕緣性能的重要數(shù)據(jù)，從而確保變壓器的正確運(yùn)行。目前，獲取上述絕緣油情況的標(biāo)準(zhǔn)程序是對(duì)運(yùn)行中的變壓器探頭進(jìn)行選擇性和零星的實(shí)驗(yàn)室分析。這是一種實(shí)踐，其產(chǎn)生的結(jié)果表明，絕緣油的狀態(tài)與其實(shí)際使用狀態(tài)相差甚遠(yuǎn)。由于缺乏綜合的監(jiān)測(cè)方法，因此絕緣油在最初調(diào)試的5-10年之后，絕緣油才會(huì)在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行檢測(cè)，如果有的話，每隔1-2年，當(dāng)變壓器的壽命達(dá)到臨界狀態(tài)時(shí)才會(huì)進(jìn)行檢測(cè)。
基于這種情況，并考慮到該過程目前的缺點(diǎn)，目的是開發(fā)一種傳感器，能夠?qū)崟r(shí)記錄運(yùn)行中變壓器的數(shù)據(jù)，而不會(huì)損害或篡改其功能。所記錄的值應(yīng)該能夠?qū)崟r(shí)地為變壓器操作員提供所有必要的信息，以便他能夠盡可能快速和有效地對(duì)產(chǎn)品的變化作出反應(yīng)。
TrafoStick是適用于現(xiàn)場(chǎng)在線使用，專門用于可重復(fù)測(cè)量變壓器絕緣油的擊穿電壓、含水量和溫度的傳感器。一款用于電力變壓器的堅(jiān)固緊湊的在線傳感器。聲學(xué)解決方案的硬件實(shí)現(xiàn)，一個(gè)鍍鋁壓電諧振器，擴(kuò)展到包括濕度和溫度傳感器，被封裝在一個(gè)緊湊的鋁外殼中。
使用可永久暴露在變壓器油中的材料。測(cè)試和校準(zhǔn)程序是在對(duì)900多個(gè)不同變壓器的3800多個(gè)油樣進(jìn)行評(píng)估的基礎(chǔ)上制定的。
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氧化鋁在導(dǎo)熱絕緣高分子復(fù)合材料中的應(yīng)用
為保證電子元器件在使用環(huán)境溫度下仍能高可靠性地正常工作。需要開發(fā)導(dǎo)熱絕緣高分子復(fù)合材料替代傳統(tǒng)高分子材料，作為熱界面和封裝材料，迅速將發(fā)熱元件熱量傳遞給散熱設(shè)備，保障電子設(shè)備正常運(yùn)行。
1.填料的導(dǎo)熱機(jī)理
高分子材料本身的熱傳導(dǎo)系數(shù)比較小 ，所以填充型高分子復(fù)合材料導(dǎo)熱性能主要依賴于填充物的導(dǎo)熱系數(shù)，填充物在基體中的分布以及與基體的相互作用。填料用量較小時(shí)，填料雖均勻分散于樹脂中，但彼此間未能形成相互接觸和相互作用，導(dǎo)熱性提高不大；填料用量提高到某一臨界值時(shí)，填料間形成接觸和相互作用，體系內(nèi)形成了類似網(wǎng)狀或鏈狀結(jié)構(gòu)形態(tài)，即形成導(dǎo)熱網(wǎng)鏈。當(dāng)導(dǎo)熱網(wǎng)鏈的取向與熱流方向一致時(shí)，材料導(dǎo)熱性能提高很快；體系中在熱流方向上未形成導(dǎo)熱網(wǎng)鏈時(shí)，會(huì)造成熱流方向上熱阻很大，導(dǎo)致材料導(dǎo)熱性能很差。
制造具有優(yōu)良綜合性能的導(dǎo)熱材料一般有兩種途徑：一種是合成具有高熱導(dǎo)率的結(jié)構(gòu)聚合物；另一種是在聚合物中填充高導(dǎo)熱性的填料。后者比較常見。一般都是用高導(dǎo)熱性的金屬或無機(jī)填料對(duì)高分子材料進(jìn)行填充。氧化鋁（VK-L04R,VK-L600D）通常作
為填料應(yīng)用于絕緣導(dǎo)熱高分子復(fù)合材料。
2 氧化鋁的形態(tài)及表面處理
2.1 氧化鋁（VK-L04R,VK-L600D）作為導(dǎo)熱絕緣材料的特點(diǎn)
具有導(dǎo)熱電絕緣性能的填料很少。常見的幾種及其熱導(dǎo)率分別見表1。實(shí)驗(yàn)研究證明，當(dāng)填料與基體熱導(dǎo)率之比大于100時(shí)。提高填料導(dǎo)熱系數(shù)已意義不大。這 就意味著應(yīng)用電絕緣填料如Al2O3，MgO、BeO、AlN等可制備具有較高導(dǎo)熱性能的電絕緣復(fù)合材料.與其他填料相比Al2O3（VK-L04R,VK-L600D）的導(dǎo)熱率不高，但是其價(jià)格較低，來源較廣，填充量較大，常用作絕緣導(dǎo)熱聚合物的填料。Al2O3通常單獨(dú)使用或與其他填料混合使用。
展開 具有優(yōu)異的電絕緣、高導(dǎo)熱性能的聚合物復(fù)合材料
聚合物良好的可加工性和電絕緣性能使其在熱管理中不可或缺，但其隨機(jī)盤繞的共價(jià)分子鏈會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的聲子散射，由此產(chǎn)生的低導(dǎo)熱系數(shù)極大地限制了其在散熱中的應(yīng)用。
通過提高分子鏈的結(jié)晶度和有序度，聚乙烯纖維、聚乙烯薄膜、聚乙烯氧化物纖維和聚苯并二惡唑纖維獲得了優(yōu)異的導(dǎo)熱系數(shù)。這為輕質(zhì)、可加工和絕緣導(dǎo)熱材料開辟了兩個(gè)新思路。超高分子量聚乙烯(UHMWPE)以其優(yōu)異的力學(xué)性能、低密度、良好的耐化學(xué)性、高耐磨性等特點(diǎn)而備受關(guān)注。最近的研究已經(jīng)擴(kuò)大了在熱管理中使用聚乙烯的可能性。
超高分子量聚乙烯纖維具有較高的導(dǎo)熱系數(shù)和優(yōu)良的絕緣性能，非常適合在電絕緣領(lǐng)域發(fā)展為導(dǎo)熱材料。目前，絕緣導(dǎo)熱材料主要是填充導(dǎo)熱填料，然而在高填充量下面臨導(dǎo)熱系數(shù)惡化、密度高、可加工性差等棘手問題。利用超高分子量聚乙烯纖維開發(fā)全聚合物復(fù)合材料有望解決上述問題。但目前很少有研究對(duì)超高分子量聚乙烯纖維復(fù)合材料的導(dǎo)熱系數(shù)進(jìn)行研究，導(dǎo)熱系數(shù)大于10 W/mK的超高分子量聚乙烯復(fù)合材料更是罕見。
02
成果掠影
近期，北京大學(xué)白樹林教授在開發(fā)具有高導(dǎo)熱和電絕緣性能的聚合物復(fù)合材料取得新成果。
針對(duì)開發(fā)具有優(yōu)異機(jī)械性能、電絕緣、高導(dǎo)熱的全聚合物復(fù)合材料，通過熱壓法制備了種具有（0°/90°、±45°）兩種取向結(jié)構(gòu)的超高分子量聚乙烯(UHMWPE)纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料。發(fā)現(xiàn)±45°復(fù)合材料的面內(nèi)導(dǎo)熱系數(shù)約為0/90°復(fù)合材料的1.3~1.4倍，并通過有限元模擬和模型計(jì)算驗(yàn)證了相應(yīng)的機(jī)理。
UHMWPE纖維形成的導(dǎo)熱通道使0/90°和±45°復(fù)合材料的面內(nèi)導(dǎo)熱系數(shù)分別為9.94和13.61 W/mK。通過在纖維表面沉積聚多巴胺(PDA)和枝接聚醚胺(PEA)，改善了纖維/環(huán)氧樹脂界面的層間剪切強(qiáng)度(ILSS)和剪切模量分別提高了40.7%和52.3%。
展開 具有三維結(jié)構(gòu)的高導(dǎo)熱絕緣PI/BNNS@rGO復(fù)合薄膜
理想的TIMs應(yīng)具有高導(dǎo)熱性、優(yōu)異的電絕緣性、柔韌性和輕量化，并適應(yīng)柔性電子等新興技術(shù)。
六方氮化硼(hBN)是石墨烯類似物，具有良好的力學(xué)性能、優(yōu)異的化學(xué)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性，以及超高的導(dǎo)熱系數(shù)(200-600 W/mK)，因此在聚合物基復(fù)合材料研究領(lǐng)域備受關(guān)注。研究結(jié)果表明，由于原h(huán)BN的聚集性和相容性較差，界面聲子振動(dòng)失配，導(dǎo)熱途徑不有效，因此hBN基復(fù)合材料的導(dǎo)熱系數(shù)通常較低，不能滿足高導(dǎo)熱界面材料的要求。
由于具有較大的比表面積和豐富的邊基，氮化硼納米片BNNS在聚合物基質(zhì)中的分散性和相容性方面往往比未剝離的hBN具有前所未有的優(yōu)勢(shì)。然而，剝離后的BNNS橫向尺寸僅為100 nm，厚度達(dá)到10 nm。因此，制備厚度均勻、產(chǎn)率高的高質(zhì)量BNNS對(duì)于制備具有高導(dǎo)熱性能的柔性復(fù)合膜具有重要意義。
近年來，高性能PI納米纖維薄膜在導(dǎo)熱領(lǐng)域得到了廣泛的研究。以及利用氧化石墨烯/膨脹石墨復(fù)合制備了具有高導(dǎo)熱性的多層電磁干擾屏蔽柔性薄膜。根據(jù)其他研究結(jié)果表明，通過在BNNS之間建立橋梁來提高復(fù)合材料的導(dǎo)熱性仍然是一個(gè)挑戰(zhàn)。
02
成果掠影
近期，天津工業(yè)大學(xué)的范杰教授聯(lián)合中原工學(xué)院的何建新教授在制備柔性高導(dǎo)熱納米復(fù)合材料取得新進(jìn)展。采用水熱法和球磨法對(duì)NaOH-LiCl水溶液進(jìn)行分離，得到了大尺寸(1 ~ 1.5 μm)、超低厚度(2 nm)、高收率(80%)的BNNS。提出了一種簡(jiǎn)單的電紡絲-電噴涂技術(shù)，用于制備具有雙組分納米片填充納米纖維三維橋接結(jié)構(gòu)的高導(dǎo)熱絕緣納米復(fù)合膜。通過闡明雙組分多通道三維網(wǎng)絡(luò)的導(dǎo)熱機(jī)理，優(yōu)化納米片納米纖維膜的堆疊結(jié)構(gòu)，與PI/50BNNS相比，PI/50BNNS@2.5rGO納米纖維復(fù)合膜的力學(xué)性能提高了168%。
展開 《Science Advances》：高導(dǎo)熱、電絕緣介電聚合物的溶液剪切！
根據(jù)Wiedemann-Franz定律，電和熱傳輸參數(shù)，即σ和κ，在某種程度上是相互關(guān)聯(lián)的，因此，通過高介電常數(shù)和介電強(qiáng)度以及高導(dǎo)熱性來測(cè)量電絕緣性能是很困難的。聚合物絕緣體由一簇分散的分子間力組成，對(duì)熱傳遞(聲子)有很強(qiáng)的阻力，而電子的貢獻(xiàn)微乎其微，這就阻礙了導(dǎo)熱電絕緣體的形成。先進(jìn)的絕緣材料也應(yīng)減輕大電壓應(yīng)力(dV/dt)。傳統(tǒng)的方法是使用較厚的絕緣材料，以適應(yīng)系統(tǒng)效率所需的較高電壓，但由于熱和重量問題，這種方法不太可能滿足技術(shù)指標(biāo)。因此，高介電常數(shù)、低介電損耗和持續(xù)高擊穿強(qiáng)度的導(dǎo)熱聚合物絕緣子，對(duì)于承受高電壓的高功率密度電子器件是必不可少的。
其中一種非金屬熱導(dǎo)體是單晶金剛石，其導(dǎo)熱系數(shù)為2190 W m?1 K?1，這歸因于其通過晶格振動(dòng)的異常有效的熱傳輸。這表明一種聚合物材料幾乎“沒有”晶體缺陷，其主鏈在宏觀上排列，以實(shí)現(xiàn)超高的熱導(dǎo)率。這個(gè)概念最早是在1977年由Gibson等人在線性非極性聚乙烯上提出的，它具有重復(fù)的-CH2單元且?guī)缀鯖]有分支。通過拉伸超高分子量聚乙烯(UHMWPE)纖維證實(shí)了這一結(jié)果，該纖維的導(dǎo)熱系數(shù)高達(dá)104 W m?1K?1，高于鉑、鐵和鎳等金屬。然而，新型UHMWPE電絕緣體的形成與聚合物結(jié)晶度、晶體取向、鏈長(zhǎng)及其分子堆積等因素有關(guān)。要成為一種能導(dǎo)熱的電絕緣體材料，聚乙烯的難題在于這樣一個(gè)對(duì)稱的分子真實(shí)地與低介電常數(shù)共價(jià)。
展開 一種具有高導(dǎo)熱和絕緣性的PBO納米復(fù)合材料
來源 | Nano-Micro Letters
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背景介紹
導(dǎo)熱聚合物基復(fù)合紙由于具有高強(qiáng)度、高導(dǎo)熱性和優(yōu)異的可設(shè)計(jì)性等優(yōu)點(diǎn)，在鋰電池、電容器、集成電路等領(lǐng)域受到了廣泛關(guān)注。隨著小型化和集成化的快速發(fā)展，以及功率密度的不斷提高，電子器件和電氣設(shè)備內(nèi)部的熱量積聚問題日益嚴(yán)重，這就對(duì)導(dǎo)熱聚合物基復(fù)合紙的導(dǎo)熱性和耐熱性提出了更高的要求。此外，為了避免微電子元件之間形成短路電流和信號(hào)相互干擾，聚合物基復(fù)合紙應(yīng)具有優(yōu)異的電絕緣性，以滿足實(shí)際電子工程中的應(yīng)用。雖然導(dǎo)熱聚合物基體(聚四氟乙烯、聚酰亞胺、芳綸和纖維素納米纖維等)復(fù)合紙由于其成本低、加工工藝簡(jiǎn)單，但其本身耐熱性差或機(jī)械性能差，在工業(yè)上得到了廣泛的應(yīng)用。或者低導(dǎo)熱率限制了它們的應(yīng)用，不再保證高端電子電器熱管理領(lǐng)域的穩(wěn)定性和可靠性。
在已知的有機(jī)纖維中，PBO纖維具有最高的熱分解溫度(650℃)、最佳的拉伸強(qiáng)度(5.8 GPa)和拉伸模量(280 GPa)，被譽(yù)為21世紀(jì)的超級(jí)纖維。最近的研究表明，通過有機(jī)酸剝離得到的PBO納米纖維(PNF)可以保留PBO纖維優(yōu)異的力學(xué)性能和耐熱性。此外，它們的內(nèi)部含有高度定向的分子鏈和原始結(jié)晶度，具有比普通聚合物基體更好的導(dǎo)熱性，在導(dǎo)熱聚合物基復(fù)合紙領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景
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成果掠影
近期，西北工業(yè)大學(xué)顧軍渭/重慶師范大學(xué)Tang Yusheng團(tuán)隊(duì)通過“溶膠-凝膠”薄膜轉(zhuǎn)化工藝將表面功能化的氮化硼(m-BN)與聚對(duì)苯撐苯并二噁唑納米纖維(PNF)均勻復(fù)合，制備出仿貝殼珍珠層結(jié)構(gòu)的m-BN/PNF納米復(fù)合紙。本文采用“高溫固相&重氮鹽分解”法制備了聯(lián)苯胺功能化氮化硼(m-BN)。
展開 全固態(tài)電池在高電壓下的界面失效機(jī)制
【研究背景】
全固態(tài)鋰電池（ASSLBs）具有高安全性和高能量密度，是下一代電池重要的技術(shù)路線。聚環(huán)氧乙烷（PEO）是一種性能優(yōu)良的固態(tài)電解質(zhì)，具有良好的離子傳導(dǎo)能力，且對(duì)正負(fù)極活性物質(zhì)具有較好的界面潤(rùn)濕能力。
然而，PEO的電化學(xué)窗口較窄，當(dāng)充電電壓高于3.9V（vs. Li/Li+）時(shí)，PEO會(huì)發(fā)生電化學(xué)分解。因此，與高電壓正極（LiCoO2、NCM）相匹配時(shí)，PEO基固態(tài)電池通常呈現(xiàn)出較差的電化學(xué)性能。通過對(duì)正極表面包覆或PEO進(jìn)行結(jié)構(gòu)改性，可以改善PEO基固態(tài)電池的循環(huán)穩(wěn)定性。然而，PEO基固態(tài)電池在高電壓下真正的失效機(jī)制仍需深入研究。
【工作介紹】
近日，北京大學(xué)深圳研究生院潘鋒教授課題組通過在LiCoO2表面包覆一層高電壓下性質(zhì)穩(wěn)定的Li3AlF6材料，改善電解質(zhì)-正極界面穩(wěn)定性，大大提升了PEO基固態(tài)電池在高電壓下的電化學(xué)性能。同時(shí)，對(duì)PEO基固態(tài)電池在不同電壓下的失效過程和原因進(jìn)行分析。研究表明，在3.0-4.2V電壓區(qū)間內(nèi)，PEO基固態(tài)電池的容量衰減主要?dú)w因于LiCoO2的表面發(fā)生結(jié)構(gòu)失效，生成CoO相；在3.0-4.5V以及更高的電壓下，除LiCoO2結(jié)構(gòu)失效外，PEO自身開始出現(xiàn)分解，離子電導(dǎo)率下降導(dǎo)致電池阻抗值增大，加劇了LiCoO2/PEO/Li電池的失效。該工作以“Insights Into the Interfacial Degradation of High-Voltage All-Solid-State Lithium Batteries”為題發(fā)表在國際頂級(jí)期刊“Nano-Micro Letters ”上。碩士研究生李家文為該論文第一作者，楊盧奕副研究員、宋永利副研究員、潘鋒教授為通訊作者。
【內(nèi)容表述】
圖1. LAF@LCO的結(jié)構(gòu)表征分析。
展開 技術(shù)貼：電動(dòng)汽車高電壓平臺(tái)技術(shù)解析！
目前主流的動(dòng)力電池包，已經(jīng)能夠支持2C充電倍率（充電倍率是充電快慢的一種量度，充電倍率=充電電流/電池額定容量），通過電解液添加劑、各向同性石墨、石墨烯等材料的使用，可以一定程度上提升電池材料的電導(dǎo)率，改善高電壓下三元材料的穩(wěn)定性。但這些方案并不能從根本上避免副反應(yīng)的發(fā)生，如果想要實(shí)現(xiàn)4C甚至6C充電倍率的超快充，還需要在電池材料、高控制精度的BMS（電池管理系統(tǒng)）等方面實(shí)現(xiàn)突破。
在電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)方面，電壓的提高會(huì)對(duì)絕緣能力、耐壓等級(jí)以及爬電距離提出更高的要求，將對(duì)電氣部件的設(shè)計(jì)和成本帶來影響，但在工業(yè)電機(jī)等領(lǐng)域還是有比較豐富的高壓應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)可以借鑒，主要的難點(diǎn)在電機(jī)控制器的核心元件——功率半導(dǎo)體器件。目前滿足車規(guī)級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的功率半導(dǎo)體器件中，最主流的硅基IGBT耐壓等級(jí)在600-750V，能在800V平臺(tái)上使用的高壓IGBT產(chǎn)品并不多，還存在著損耗高、效率低的缺點(diǎn)。
只是由于目前在產(chǎn)能和成本方面仍無法與IGBT相媲美，碳化硅器件的普及還需要時(shí)間，業(yè)內(nèi)對(duì)2025年碳化硅MOSFET的滲透率預(yù)期普遍在20%左右，未來幾年內(nèi)IGBT仍將是電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)最主流的功率半導(dǎo)體器件。
在空調(diào)壓縮機(jī)、PTC、DCDC、車載充電機(jī)等部件方面，面向高電壓平臺(tái)的開發(fā)也在進(jìn)行中。根據(jù)業(yè)界人士的分析，相關(guān)的量產(chǎn)工作均有望于今年年內(nèi)完成，一旦產(chǎn)業(yè)鏈趨于成熟，可以快速拉低整個(gè)制造成本。
星星充電、普天新能源、特來電等充電服務(wù)商，均具備了400kW以上充電樁的技術(shù)儲(chǔ)備。但目前我國采用的電動(dòng)汽車充電標(biāo)準(zhǔn)還是2015年頒布的，最大電壓和電流分別為950V、250A，最大充電功率被限制在240kW。充電樁新國標(biāo)的落地，也將進(jìn)一步推動(dòng)相關(guān)產(chǎn)品的應(yīng)用。
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高電壓平臺(tái)技術(shù)解析
但這些方案并不能從根本上避免副反應(yīng)的發(fā)生，如果想要實(shí)現(xiàn)4C甚至6C充電倍率的超快充，還需要在電池材料、高控制精度的BMS（電池管理系統(tǒng)）等方面實(shí)現(xiàn)突破。
在電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)方面，電壓的提高會(huì)對(duì)絕緣能力、耐壓等級(jí)以及爬電距離提出更高的要求，將對(duì)電氣部件的設(shè)計(jì)和成本帶來影響，但在工業(yè)電機(jī)等領(lǐng)域還是有比較豐富的高壓應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)可以借鑒，主要的難點(diǎn)在電機(jī)控制器的核心元件——功率半導(dǎo)體器件。目前滿足車規(guī)級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的功率半導(dǎo)體器件中，最主流的硅基IGBT耐壓等級(jí)在600-750V，能在800V平臺(tái)上使用的高壓IGBT產(chǎn)品并不多，還存在著損耗高、效率低的缺點(diǎn)。
只是由于目前在產(chǎn)能和成本方面仍無法與IGBT相媲美，碳化硅器件的普及還需要時(shí)間，業(yè)內(nèi)對(duì)2025年碳化硅MOSFET的滲透率預(yù)期普遍在20%左右，未來幾年內(nèi)IGBT仍將是電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)最主流的功率半導(dǎo)體器件。
在空調(diào)壓縮機(jī)、PTC、DCDC、車載充電機(jī)等部件方面，面向高電壓平臺(tái)的開發(fā)也在進(jìn)行中。根據(jù)業(yè)界人士的分析，相關(guān)的量產(chǎn)工作均有望于今年年內(nèi)完成，一旦產(chǎn)業(yè)鏈趨于成熟，可以快速拉低整個(gè)制造成本。
星星充電、普天新能源、特來電等充電服務(wù)商，均具備了400kW以上充電樁的技術(shù)儲(chǔ)備。但目前我國采用的電動(dòng)汽車充電標(biāo)準(zhǔn)還是2015年頒布的，最大電壓和電流分別為950V、250A，最大充電功率被限制在240kW。充電樁新國標(biāo)的落地，也將進(jìn)一步推動(dòng)相關(guān)產(chǎn)品的應(yīng)用。
總的來說，電動(dòng)車高電壓平臺(tái)技術(shù)所需的配套方案已經(jīng)基本具備，何時(shí)進(jìn)行高電壓平臺(tái)的量產(chǎn)開發(fā)工作、以何種方式應(yīng)用這一技術(shù)的問題，已經(jīng)擺在了各個(gè)車企面前。
車企在高電壓平臺(tái)方面的布局
在高電壓平臺(tái)方面，第一個(gè)吃螃蟹的是2019年上市的保時(shí)捷Taycan(參數(shù)|詢價(jià))。
展開 新能源汽車高電壓組件結(jié)構(gòu)淺析
圖11 扁平式高壓導(dǎo)線連接器插座的結(jié)構(gòu)
1—屏蔽線的電氣觸點(diǎn)；2—高電壓導(dǎo)線的電氣觸點(diǎn)；3—接觸保護(hù)；4—機(jī)械鎖止件；5—高壓互鎖回路的插座
圖12 松開圓形高壓導(dǎo)線連接器的方法
圖13 圓形高壓導(dǎo)線連接器及其插座的結(jié)構(gòu)
1—高電壓導(dǎo)線；2—鎖止元件操作部位；3—外殼；4—鎖止元件；5—高壓互鎖回路接口；6—用于屏蔽的接口；7—高電壓接口（負(fù)極）；8—導(dǎo)線連接器連接位置標(biāo)記；9—高壓互鎖回路接口；10—高電壓接口（正極）
4 動(dòng)力電池組
4.1 動(dòng)力電池的性能指標(biāo)
高電壓平臺(tái)電驅(qū)系統(tǒng)開發(fā)及挑戰(zhàn)
高電壓平臺(tái)電驅(qū)系統(tǒng)開發(fā)及挑戰(zhàn)
大眾ID.4純電動(dòng)汽車高電壓系統(tǒng)詳解（一）
大眾ID.4純電動(dòng)汽車是2021年世界年度車型，高電壓系統(tǒng)經(jīng)過全新設(shè)計(jì)，與模塊化純電動(dòng)平臺(tái)架構(gòu)無縫集成。動(dòng)力蓄電池是車輛底盤的一部分，安裝在車輛下部，以提供較低的重心。ID.4純電動(dòng)汽車高電壓系統(tǒng)如圖1所示。
圖1 ID.4純電動(dòng)汽車高電壓系統(tǒng)
ID.4上市后先配備了82kWh的動(dòng)力蓄電池，稍后將提供62kWh動(dòng)力蓄電池的車型。82kWh動(dòng)力蓄電池在12個(gè)電池模塊中有288個(gè)單體電池。這些電池模塊安裝在一個(gè)輕型鋁制結(jié)構(gòu)的殼體中，動(dòng)力蓄電池外殼用螺栓固定在車身上。
ID.4可以通過交流（AC）和直流（DC）快速充電樁充電。車載充電器允許ID.4充電使用家用或公共2級(jí)充電樁，動(dòng)力蓄電池充電1h，可以行駛約53km，并在約7.5h內(nèi)充滿電（圖2）。在直流快速充電站，使用125kW的充電樁，ID.4可以在大約38min內(nèi)從5％充電到80%，充電口如圖3所示。
圖2 ID.4充電
圖3 ID.4充電口
一
電氣元件位置
ID.4純電動(dòng)汽車的高電壓電氣元件包括動(dòng)力蓄電池AX2、電壓轉(zhuǎn)換器A19、高電壓加熱器（PTC）ZX17、PTC加熱器元件Z132、空調(diào)壓縮機(jī)VX81、動(dòng)力蓄電池充電器AM、充電口UX4、三相電流驅(qū)動(dòng)電機(jī)VX54、電機(jī)電力和控制電子裝置JX1，電氣元件位置如圖4所示。
圖4 電氣元件位置圖
二
動(dòng)力蓄電池AX2
82kWh鋰離子動(dòng)力蓄電池AX2的最大交流充電功率為11kW，最大直流充電功率為125kW。包括12個(gè)蓄電池模塊，如圖5所示。
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