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电动汽车高压配电箱(PDU)技术、市场及主流企业剖析

电动汽车高压配电箱(PDU),又称为高压配电盒,是高压系统分配单元。电动汽车具有高电压和大电流的特点,通常配备300V以上的高压系统,工作电流可达200A以上,可能危及人身安全和高压零部件的使用安全性。

因此,在设计和规划高压动力系统时,不仅要充分满足整车动力驱动要求外,还要确保汽车运行安全、驾乘人员安全和汽车运行环境安全。

通常,与动力电池相关的高压元器件,如各回路的接触器及保险丝等集成在动力电池包内。

动力电池作为电动汽车的能量存储装置,受整车尺寸及布置的影响,可用空间非常有限。同时,需要保证动力电池系统维修的便利性,减少拆卸动力电池包的次数,高压箱应运而生。

01

工作原理

电动汽车高压箱(PDU)的功能是保障整车系统动力电能的传输,是动力电池与各高压设备的电源和信号传递的桥梁。并随时检测整个高压系统的绝缘故障、断路故障、接地故障及高压故障等。

在电动汽车上,与高压配电盒相连接的高压部件包括:动力电池、电机控制器、变频器、逆变电源、电动空调、电动除霜、充电座等。

图表 1  典型纯电动汽车整车工作原理图

图表 2  纯电动汽车高压系统原理图

 

02

设计原则及结构

一般来讲,高压配电箱的设计原则为:器件布置紧凑、体积小,易于拆卸和装配。由于箱体空间较小,电流较大,因此设计注重散热布置,避免温度聚焦升高导致潜在安全隐患。

从整车空间、整车架构的复杂度及成本考虑,业界广泛采用集中式高压电气系统架构配电。高压动力电源直接进入高压配电盒后根据系统的需要分配到系统高压电气产品,对如何保证整个高压系统及其各个电器设备的安全性、系统绝缘、电磁干扰及屏蔽、密封及耐振动等具有很高的要求。

在电动汽车未大规模普及前,高压配电箱设计及技术还存在诸多改进的地方。市面上存在的高压配电盒大都沿用工业高压配电箱的设计理念,其安全性、可靠性和耐久性都满足不了汽车的要求。

例如,对于大功率的容性负载像马达驱动器和电压转换电器(DC/DC),都需要进行预充电处理及状态监控。传统的电气线路很难做到有效的监控,极易造成高压开关零件的损坏(如端子粘连等)。

业界往往采用电气参数相对较高的产品解决这个问题,但在体积及成本上并不尽人意。

目前,国内外实力较强的企业开始开发智能高压配电箱,一般采用铸铝外壳和接插件,防护等级达到IP67具有电流、电压采集功能具有高压连接监控和绝缘监控功能具有高压安全管理功能具有高压配电管理功能,具备预充电功能。

未来高压配电箱将朝体积小、轻量化、智能化方向发展。

03

主要部件

电动汽车高压配电盒里面有铜牌、断路器、空开、接触器、软启、变频器、变压器、接触器、高压继电器、熔断器、浪涌保护器、互感器、电流表、电压表、转换开关等。(各类元器件市场及企业分析详见一览众咨询发布的《2017-2022年中国新能源汽车核心零部件行业投资前景报告》)

1、高压继电器

新能源汽车主电路电压一般都大于 200V,远高于传统汽车的 12-48V,新能源汽车除需要传统汽车所需的低电压继电器以外,还需配备特殊的高压直流继电器。每台新能源汽车需配备 5-8 只高压直流继电器——2 个主继电器、1 个预充电器、2 个急速充电器、2 个普通充电继电器和 1 个高压系统辅助机器继电器。

电动汽车中电路属于高压直流,一般继电器无法满足要求,目前应用最多的是真空型和充气型继电器。

真空是理想的绝缘。由于高压电弧产生于绝缘介质的电离,而真空本身是没有介质,所以是触点间有很好的隔离。完全的真空状态只是理想状态,实际会残留一些杂氧,杂氧在有电弧情况下和铜电极生成氧化铜,接触电阻增大,继电器有失效风险。

目前主要是应用充气型继电器,充气型继电器主要灭弧解决方案为氢气和氮气。充纯氢气,加偏转磁铁辅助灭弧,相比抽真空及充氮气灭弧效果要好,氢气的绝缘性能好,难以电离。

图表 3  高压直流继电器灭弧气体类型比较

相比传统继电器,新能源汽车用高压直流继电器技术含量高,生产工艺复杂,从全球市场格局来看,高压直流继电器品牌集中度高。

该领域产品生产研发主要集中于国外企业,中国市场也由跨国公司占据主导,主要企业有泰科、松下、欧姆龙、博世等。

近年来国内品牌也开始应用于新能源汽车,宏发、松川、众信、三友联众、航天电器、宁波福特等企业均有产品问世,其中宏发是国内优势品牌,位居国内企业榜首。

另外国内如比亚迪等新能源车企也自己研发生产继电器。

2、高压连接器

据一览众咨询统计,就全球连接器市场而言,市场集中度较高,基本被美国、日本、台湾等国家地区所占据,全球前十大连机器产商占比超过60%,泰科一家占比就超20%以上。

相对而言中国产商主要定位于中低端产品,本土前十厂商中国市场份额仅 18%,行业集中度较国外市场存在较大的差距。

未来随着新能源汽车、通信、军工等的迅速发展,中国厂商未来存在较大的进口替代空间,部分领域(如新能源汽车连接器)甚至有望弯道超车。

在国内市场方面,我国连接器制造厂商有1000多家,其中外商投资企业约有300家,本土企业约有700多家。主要集中在长三角和珠三角地区。中国连接器市场发展不平衡,大多企业规模较小,产品种类单一,新产品开发滞后,同质化竞争严重,导致了市场竞争激烈,且生产厂家毛利率呈现下降趋势。

电动汽车汽车连接器不同于传统工业及传统汽车用连接器,传统的连接器设备难以满足其大电流、高电压的要求,所以连接器厂商也都在布局针对新能源汽车的大功率连接产品。在高压连接器领域,国际企业的产品优势明显,但近几年国内的中高端产品也形成了一定的产业基础,逐渐掌握了先进的工艺技术,初步形成了较强的竞争优势。

目前国内能批量供货的高压连接器厂商有:中航光电、永贵电器、巴斯巴、江苏瑞可达等为数不多的企业,近年来,二线企业也开始成长起来。单从销售规模来看,国内市场方面中国逐渐企业也逐渐崛起。(详细分析见一览众咨询出版的《2017-2022年中国新能源汽车高压连接器市场及企业调研报告》)

3、高压线束

高压线束是电动汽车里面的连接器和线缆在整个车运行当中非常关键的连接件,影响高压线束的隐患主要有是过热或燃烧,以及恶劣环境对线束的应还有屏蔽性能、进水进尘的风险等。不同于传统汽车12V线束,高压线束还需要考虑与整车电气系统的磁兼容性。

在实际使用中,电动汽车受到的电磁干扰是传统内燃机汽车的近百倍。电动汽车的高压线束是高效的电磁干扰发射天线和接收天线,是导致电动汽车出现电磁兼容故障及辐射干扰超过法规要求的最重要原因。

高压线束生产的磁干扰会影响到汽车信号线路中数据传输的完整性和准确性,严重时会影响到整车的操控和安全性。所以,在高压线束外边常常采用注胶、包裹屏蔽线等方式来减少对整车的磁干扰。欧盟还对汽车线束中含有的铅、汞、镉等6中物质的含量进行了规定,要求必须通过RoHS认证。

我国在电压高压线束方面一直都没有统一的标准,以前实行的GB/T25085、 

GB/T25087《道路车辆用60-600V低压电缆》脱胎于IS06722,对于额定电压60-600V的单芯或多芯电缆做了规定和要求,但是对于新能源汽车使用的600V以上的高压线缆,则一直存在标准的缺失和空白。

2016年8月,工信部批准发布了汽车行业标准QC/T 1037-2016《道路车辆用高压电缆》,并于2016年9月1日正式实施。该标准规定了额定电压 AC 1000 V/DC 1500 V 及以下道路车辆用高压电缆的要求、试验方法、检验规则、包装和标记。

上世纪80年代,日本的矢崎和住友便开始为日本汽车企业开发专用的高压线束,到了20世纪90年代,美国的德尔福开始为通用开发高压线束产品,韩国的LS为LG提供高压线束产品。

从技术方面,日本和美国的高压线束已形成了体系,并在实际使用中得到验证和持续的改善,技术领先国内企业20-30年。(详细分析见一览众咨询出版的《2017-2022年中国新能源汽车高压线束市场及企业调研报告》) 

4、熔断器

熔断器有交流和直流用途之分,交流应用于工业配电系统。车载的锂电池、储能电容、电动机、变流器和电控线路均属直流系统,都需要直流类型的熔断器做短路保护,才能保证安全可靠的正常运行和超强能力的短路开断效果。

电动汽车高压配电盒中,输出端主要连接汽车辅助电源系统,在配电盒内部一般情况下会包括电加热风机支路,空调压缩机支路,DC/DC支路及充电机支路。

这4个支路上,每个支路都需要安装线路保护熔断器,目的是在各负载发生短路时能够及时切断电源保护线路,避免车辆火灾发生。

熔断器以体积小、抗震好、价格低的综合优点,得到了广泛认可和大量使用,成为国内外公认的担当电动汽车短路保护的主要元器件。

根据目前电动汽车行业使用的熔断器,大多数车型的系统最大电压一般为700VDC以下,也有少数车型的会略高于此电压,所以用于电池保护的熔断器可分为500VDC和700VDC两种为主,电流等级多以200A~400A。(详细分析见一览众咨询出版的《2017-2022年中国新能源汽车熔断器市场及企业调研报告》)

04

小 结 

高压配电箱主要核心元器件属于高压部件,技术含量要求高,国外企业有较强的竞争优势,部分国内企业通过采购国外元器件进行组装。国内外大型高压配电箱企业均能提供60%以上的核心零部件。

高压配电箱的规模及标准一般由车企主导,高压配电箱及元器件企业根据车企的需求开发生产。但是目前国内电动汽车高压配电箱很多沿用工业高压配电箱的设计理念,同时相关标准缺乏,企业各自为阵,产品种类繁多,质量参差不齐。


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