新能源汽車800V高壓技術(shù)解析

新能源汽車在推廣過程中，面臨續(xù)駛里程短、充電難、充電慢的問題，通過加大電流及提升系統(tǒng)電壓的方式提升充電效率，大電流會(huì)造成部件熱損失高，因此通過提高系統(tǒng)電壓成為提高效率的主流選擇。而電驅(qū)系統(tǒng)作為新能源汽車的核心部件，是體現(xiàn)汽車產(chǎn)品性能與核心競爭力的關(guān)鍵，當(dāng)前國內(nèi)外品牌如：大眾、寶馬、奔馳、比亞迪、吉利、長城等在高壓平臺(tái)方面都有所布局，基于高壓平臺(tái)的800 V 電驅(qū)系統(tǒng)也成為行業(yè)重點(diǎn)研究的關(guān)鍵技術(shù)。

800V高壓電驅(qū)技術(shù)發(fā)展趨勢

2019年9月4日，保時(shí)捷發(fā)布首款純電動(dòng)跑車—全新Tayca。其中，首批發(fā)布的車型版本為全新Taycan(圖片|配置|詢價(jià)) Turbo S和全新Taycan Turbo，這2款車型均為“保時(shí)捷E驅(qū)高效動(dòng)力”(Porsche E-Performance)，代表保時(shí)捷純電動(dòng)量產(chǎn)車Taycan 系列的最高性能。目前，常見的電動(dòng)車系統(tǒng)電壓為400 V，全新保時(shí)捷Taycan 是第一款系統(tǒng)電壓達(dá)到800 V的量產(chǎn)車型。該車型采用雙電機(jī)四輪驅(qū)動(dòng)配置(表1)，其搭載了源自勒芒冠軍賽車919 Hybrid 的800 V技術(shù)配合雙永磁同步電機(jī)與后軸兩速變速器，兼顧性能與續(xù)駛里程雙優(yōu)的需求。800 V三電系統(tǒng)電耗低，內(nèi)置升壓器，提高持續(xù)輸出功率，增大充電功率，縮短充電時(shí)間，降低系統(tǒng)質(zhì)量，前后驅(qū)動(dòng)雙電機(jī)均采用交流永磁同步電機(jī)，采用HairPin發(fā)卡式繞組工藝，槽滿率高達(dá)70%，局部采用激光焊接。保時(shí)捷宣布Taycan可以支持連續(xù)10次以上的彈射起步，且不會(huì)出現(xiàn)轉(zhuǎn)矩輸出降額，其電機(jī)熱性能設(shè)計(jì)能力較好。

表1 保時(shí)捷Taycan電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)

2020年12月2日，現(xiàn)代汽車集團(tuán)全球首發(fā)了全新電動(dòng)汽車專用模塊化平臺(tái)E-GMP(Electric-Global Modular Platform，E-GMP)。平臺(tái)采用800 V電壓電氣架構(gòu)，雙向充電，充電功率可達(dá)350kW，18 min內(nèi)即可充電80%，充電5 min可行駛100km。現(xiàn)代汽車表示，其集成充電控制裝置(Integrated Charge Control Unit,ICCU)是全球首個(gè)通過電機(jī)和逆變器將400 V 提升到800 V，實(shí)現(xiàn)以400 V快速充電樁為800 V電池穩(wěn)定充電的專利技術(shù)。2021年，采埃孚、比亞迪、吉利、北汽、長安、廣汽、東風(fēng)、小鵬等相繼跟進(jìn)發(fā)布800 V 高壓平臺(tái)架構(gòu)，車型有望在2022年陸續(xù)啟動(dòng)量產(chǎn)。800 V高壓電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)即將迎來爆發(fā)式增長。

相比400V系統(tǒng)有什么優(yōu)勢?

第一，充電功率能做到更高，消除充電時(shí)間焦慮。業(yè)界一般認(rèn)為500A是車規(guī)級(jí)線束接插件的極限，更高電流的話電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)復(fù)雜度將大幅增加，這意味著400V系統(tǒng)下200kW左右的充電功率會(huì)成為很多車輛設(shè)計(jì)的極限;而800V高壓系統(tǒng)可以將極限突破到400kW，這種情況下如果按照長續(xù)航車輛電池100kWh@20%-80%充電，僅需9分鐘，基本等于傳統(tǒng)燃油車加油的時(shí)間，完全消除充電時(shí)間焦慮。

第二，快充系統(tǒng)成本低。市面上也出現(xiàn)基于400V系統(tǒng)的快充，但800V高壓系統(tǒng)可以在高功率充電應(yīng)用下做到更低的系統(tǒng)成本。表1顯示了400V系統(tǒng)和800V高壓系統(tǒng)車輛總成成本的定性比較，更進(jìn)一步體現(xiàn)為: 短期內(nèi)800V充電250kW以上充電功率段，長期看800V充電150kW以上充電功率段，800V高壓系統(tǒng)有明顯的系統(tǒng)成本優(yōu)勢。

表1 快充應(yīng)用下車輛總成成本

第三，快充充電損耗低。相比400V系統(tǒng)，800V高壓系統(tǒng)充電電流小，電池?fù)p耗，線束損耗以及充電樁損耗都可以降低，實(shí)現(xiàn)充電節(jié)能。

第四，車輛行駛環(huán)節(jié)能耗低，同等電池容量情況下實(shí)現(xiàn)更長的續(xù)航里程或者同等續(xù)航里程情況下可以實(shí)現(xiàn)電池容量削減以及總成成本降低。

相比400V系統(tǒng)，一者800V高壓系統(tǒng)電池、電驅(qū)以及其他高壓部件電流小，相關(guān)部件損耗和線束損耗以都可以降低;二者伴隨著第三代半導(dǎo)體碳化硅技術(shù)的引入，各高壓部件尤其是電驅(qū)部件的能耗可以大幅降低，實(shí)現(xiàn)車輛節(jié)能行駛。

從400V到800V，哪些零部件和元器件需要升級(jí)?

車企應(yīng)用800V平臺(tái)架構(gòu)，需要對(duì)其核心三電技術(shù)以及功率器件的耐壓、損耗、抗熱的要求更高：

1.電機(jī)方面

具體來看有以下幾點(diǎn)：

軸電壓的產(chǎn)生：電機(jī)控制器供電為變頻電源，含有高次諧波分量，逆變器、定子繞組、機(jī)殼形成回路，產(chǎn)生感應(yīng)電壓，稱為共模電壓，在此回路上產(chǎn)生高頻電流。由于電磁感應(yīng)原理，電機(jī)軸兩端形成感應(yīng)電壓，成為軸電壓，一般來說無法避免。

轉(zhuǎn)子、電機(jī)軸、軸承形成閉合回路，軸承滾珠與滾道內(nèi)表面為點(diǎn)接觸，若軸電壓過高，容易擊穿油膜后形成回路，軸電流出現(xiàn)導(dǎo)致軸承腐蝕。

800V的逆變器應(yīng)用SiC，導(dǎo)致電壓變化頻率高，軸電流增大，軸承防腐蝕要求增加。

同時(shí)，由于電壓/開關(guān)頻率增加，800V電機(jī)內(nèi)部的絕緣/EMC防護(hù)等級(jí)要求提升。

800V應(yīng)用SiC造成軸電流增加大而擊穿油膜風(fēng)險(xiǎn)增加

2.電控方面

以Si-IGBT為例，450V下其耐壓為650V，若汽車電氣架構(gòu)升級(jí)至800V，考慮開關(guān)電壓開關(guān)過載等因素，對(duì)應(yīng)功率半導(dǎo)體耐壓等級(jí)需達(dá)1200V，而高電壓下Si-IGBT的開關(guān)/導(dǎo)通損耗急劇升高，面臨成本上升而能效下降的問題。

除此以外，SiC功率器件還在車載充電器、充電樁等有所應(yīng)用，具有實(shí)現(xiàn)高功率密度與優(yōu)化系統(tǒng)總成本的優(yōu)點(diǎn)，其技術(shù)可以有效地提升800V電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)電機(jī)和電控的整體效率，滿足應(yīng)用的兼容性和可靠性要求。

車/樁上功率半導(dǎo)體均有望從Si基轉(zhuǎn)向SiC

3.電池方面

動(dòng)力電池快充性能的掣肘在于負(fù)極，一方面石墨材料的層狀結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致鋰離子只能從端面進(jìn)入，導(dǎo)致離子傳輸路徑長;另一方面石墨電極電位低，高倍率快充下石墨電極極化大，電位容易降到0V以下而析鋰。所以，對(duì)電池負(fù)極快充性能要求提升勢在必行。

4.連接器+線束

平臺(tái)架構(gòu)從400V升級(jí)至800V要求連接器重新選型，連接器數(shù)量可能增加(增加大功率快充接口);在同等功率條件下，電壓提高，電流減小，線纜耐壓性提高、體積減下。

5.濾波系統(tǒng)

主要包括電容和磁環(huán)，原濾波系統(tǒng)基于400V架構(gòu)設(shè)計(jì)，升級(jí)800V后EMC輻射量會(huì)變化，整車濾波系統(tǒng)需重新設(shè)計(jì)。

6.繼電器

升級(jí)800V平臺(tái)要求繼電器耐壓性提升，現(xiàn)有部分繼電器能夠兼容高電壓。

審核編輯：湯梓紅