800V高压系统的驱动力和系统架构分析

admin

过去一年是新能源汽车市场爆发的一年，据中汽协数据，2021年新能源汽车销售352万辆，同比大幅增长157.5%。新能源汽车技术发展迅速，畅销车辆在动力性能、智能化方面、使用成本等方面相对传统燃油车已取得领先优势。但“长途出行续航不够”和“充电不方便”是当下新能源汽车消费者两大痛点，为了延长续航里程，各大厂商纷纷采取加大电池容量的技术方案，并且提供快充方案能有效的解决充电及续航焦虑，新能源汽车800V高压系统技术由此应运而生。




什么是

800V高压系统?


800V高压系统的称呼源自于整车电气角度。当前主流新能源整车高压电气系统电压范围一般为230V-450V，取中间值400V，笼统称之为400V系统；而伴随着快充应用，整车高压电气系统电压范围达到550-930V，取中间值800V，可笼统称之为800V系统。

800V高压系统的典型特征在于电压平台。快充技术的核心在于提高整车充电功率，要提高整车充电功率，技术手段上要么加大充电流要么提高充电电压，充电电流加大意味着更粗更重的线束、更多的发热量以及更多附属设备瓶颈，而充电电压提升则有更大的设计自由度，这直接推动了400V电压平台向800V电压平台转换。

800V高压系统长什么样，什么性能？我们可以从已经批产的几款800V电动汽车中一窥真容。

2019 年 4 月保时捷 Taycan Turbo S 全球首发，800V全球首款纯电动车型诞生。性能上，最大充电功率可达320kW即一般120kW快充桩的2~3倍；高压动力电池，前驱动电机，后驱动电机，车载充电机和PTC部件均采用了800V电压平台。


2020 年 12 月 2 日，现代汽车集团全球首发了全新电动汽车专用平台 “E-GMP”, 该平台同样可以实现800V功能。性能上，最大充电功率350kW，支持电池充电由10%到80%仅需18min；全部部件包括高压动力电池，前驱动电机，后驱动电机，电池加热器，座舱加热器以及高压空调，均采用了800V电压平台。




采用800V高压系统

比400V系统有什么优势？


第一，充电功率能做到更高，消除充电时间焦虑。业界一般认为500A是车规级线束接插件的极限，更高电流的话电气系统设计复杂度将大幅增加，这意味着400V系统下200kW左右的充电功率会成为很多车辆设计的极限；而800V高压系统可以将极限突破到400kW，这种情况下如果按照长续航车辆电池100kWh@20%-80%充电，仅需9分钟，基本等于传统燃油车加油的时间，完全消除充电时间焦虑。

第二，快充系统成本低。

市面上也出现基于400V系统的快充，但800V高压系统可以在高功率充电应用下做到更低的系统成本。表1显示了400V系统和800V高压系统车辆总成成本的定性比较，更进一步体现为: 短期内800V充电250kW以上充电功率段，长期看800V充电150kW以上充电功率段，800V高压系统有明显的系统成本优势。



表1  快充应用下车辆总成成本

第三，快充充电损耗低。

相比400V系统，800V高压系统充电电流小，电池损耗，线束损耗以及充电桩损耗都可以降低，实现充电节能。

第四，车辆行驶环节能耗低，同等电池容量情况下实现更长的续航里程或者同等续航里程情况下可以实现电池容量削减以及总成成本降低。

相比400V系统，一者800V高压系统电池、电驱以及其他高压部件电流小，相关部件损耗和线束损耗以都可以降低；二者伴随着第三代半导体碳化硅技术的引入，各高压部件尤其是电驱部件的能耗可以大幅降低，实现车辆节能行驶。




为什么使用碳化硅半导体

相比硅半导体更有什么优势？


碳化硅在功率半导体层级有显著性能优势。相比硅半导体，碳化硅的禁带宽度是硅的3倍，使其具备在高温下稳定工作的能力；碳化硅的电场强度是硅的15倍，使其导通阻抗低，导通能耗降低；碳化硅的电子饱和率是硅的2倍，可以有更快的开关速度，开关能耗降低；碳化硅的导热系数是硅的3.5倍，带来更好的散热性能（见图1）。



图1  半导体级别下SiC和Si的比较

这些优势有助于高压部件设计优化和整车优化，主要体现在如下两方面：

第一，碳化硅MOSFET可以大幅提升逆变器效率以及电驱效率，降低整车能耗。

相比400V系统硅IGBT，无论400V系统还是800V高压系统，碳化硅MOSFET逆变器损耗均可以降低50%左右，提升电驱效率继而降低整车能耗。不同级别车辆能耗分析(如图2) 显示：从A00级别到大型SUV级别，碳化硅MOSFET电驱产品可以实现整车电耗降低5%-7%即同等容量电池下续航增加至少5%，看数据可能有点绕，说人话就是省钱。



图2  碳化硅电驱技术对整车能耗影响分析

第二，碳化硅MOSFET在800V高压电驱系统应用中具备几乎无可替代的优势。

随着高耐压的IGBT阻抗升高，频率性能下降，由400V系统升高到800V系统后，在同等频率下，Si-IGBT器件的导通损耗、开关损耗都有显著的上升，如果在800V高压系统领域走硅IGBT技术路线的话，就会出现成本上升但效能下降的问题。所以在当下800V高压电驱领域，碳化硅MOSFET是高效电驱的唯一选项。


800V高压系统备受业界关注，原因简要概括有二：以高功率快充实现为市场卖点，以低成本和高效率系统实现为技术卖点。然而这只是回答了Why, 有碳化硅技术加持的800V高压系统，在实际车辆落地实现时会碰到哪些挑战呢？



800V高压系统下

汽车系统架构会出现哪些变化？


有碳化硅技术加持的800V高压系统有诸多优势，从趋势上判断800V高压系统未来将成为大功率充电技术（>200kW）的主流方案。

但是，技术的发展不是一蹴而就的，受产业链惯性影响，800V充电桩以及800V车载高压部件等配套短期内还不完善，不足以支撑终极800V高压系统的快速推广，当下需要重点考虑两点：兼容400V充电桩和800V充电桩应用；兼容某些400V车载部件应用。这就衍生出五种不同的800V高压系统下汽车系统架构设计方案，如下表：



图1 常见800V高压系统架构综合比较图

• 
  第一种方案：车载部件全系800V，电驱升压兼容400V直流桩方案。其典型特征是：直流快充、交流慢充、电驱动、动力电池、高压部件均为800V；通过电驱动系统升压，兼容400V 直流充电桩。
  

图2 第一种800V高压系统架构图

• 
  第二种方案：车载部件全系800V，新增DCDC兼容400V直流桩方案。其典型特征是：直流快充、交流慢充、电驱动、动力电池、高压部件均为800V；通过新增400V-800V DCDC升压，兼容400V 直流充电桩。
  

图3 第二种800V高压系统架构图

• 
  第三种方案：车载部件全系800V，动力电池灵活输出400V和800V，兼容400V直流桩方案。其典型特征是：直流快充、交流慢充、电驱动、动力电池、高压部件均为800V；2个400V动力电池串并联，通过继电器切换灵活输出400V和800V，兼容400V直流充电桩。
  

图4 第三种800V高压系统架构图

• 
  第四种方案：仅直流快充相关部件为800V，其余部件维持400V，新增DCDC部件进行电压转换器方案。其典型特征是：仅直流快充和动力电池为800V；交流慢充、电驱动、高压部件均为400V；新增400V-800V DCDC，实现400V部件与800V动力电池之间的电压转换，兼容400V 直流充电桩。
  

图5 第四种800V高压系统架构图

• 
  第五种方案：仅直流快充相关部件为800V，其余部件维持400V，动力电池灵活输出400V和800V方案。其典型特征是：仅直流快充为800V；交流慢充、电驱动、负载均为400V；2个400V动力电池串并联，通过继电器切换灵活输出400V和800V，兼容400V和800V 直流充电桩。
  

图6 第五种800V高压系统架构图

以上五种800V高压系统架构方案在实际整车上都有一定适用性，通过更详细的性能、系统成本以及整车改造工作量评估，我们认为方案一800V高压系统架构方案即“车载部件全系800V，电驱升压兼容400V直流桩方案”拥有综合优势，预测短期内能够快速推广。




800V高压系统架构下

三电系统是否有变化，如何保证安全可靠？


整车400V系统升级到800V高压系统，直接的影响是电气电压提升带来耐压和绝缘的可靠性设计问题，这个是对所有三电部件的共性问题；潜在的影响有充电功率提升、驱动功率提升以及碳化硅技术的极致发挥带来三电产品设计上的诸多挑战：

三电部件共性耐压绝缘设计挑战：

常规设计方面，一者电气部件主功率回路相关的电气间隙、爬电距离要重新设计；二者高低压部件的信号隔离回路也需要重新设计以应对耐压绝缘问题；三者使用更高耐压的绝缘材料。特殊设计方面，比如涉及到电气、磁、热、机械等多方面因素的电机部件，可能存在局部放电问题。

电池包技术挑战：

充电功率提升后，电芯充电倍率将由1C提升到>=3C。在高充电倍率下，一方面将造成活性物质的损失，影响电池容量和寿命；另一方面，锂枝晶一旦刺穿隔膜，将导致电池内部短路，造成起火等安全风险。

电机技术挑战：

直流母线电压提升后，电机的绝缘距离增加较多，需要考虑额外的绝缘设计，同时高电压会导致“电晕”现象产生，如何保证全寿命电疲劳是一个对成本和技术的双重考验。另外由于电压的提升，改变了原400V电机功率扭矩配比，需要重新为800V设计电磁方案，势必带来产线投资的增加。除此之外还有轴电流导致的失效风险加剧的挑战。综合而言，在800V架构下，如何以较低的成本来满足客户的扭矩、功率和效率要求，需要一定技术门槛，是个巨大挑战。

电机控制器技术挑战：

首先，800V电机控制器设计必须考虑高功率密度、高耐热、高频率切换应用下的产品可靠性。其次，伴随着800V电压以及碳化硅逆变器频率的提升，逆变器内部du/dt大幅提升，这带来逆变器EMC设计的巨大挑战。

其他部件技术挑战：

800V OBC、800V DCDC、800V电池高压继电器/熔断器/连接器、充电桩等都需要进行升级，这对汽车研发设计者带来较大的挑战。