800V高压系统
1.? 800V是什么
800V高壓系統(tǒng)的稱呼源自于整車電氣角度。當(dāng)前主流新能源整車高壓電氣系統(tǒng)電壓范圍一般為230V-450V，取中間值400V，籠統(tǒng)稱之為400V系統(tǒng)；而伴隨著快充應(yīng)用，整車高壓電氣系統(tǒng)電壓范圍達(dá)到550-930V，取中間值800V，可籠統(tǒng)稱之為800V系統(tǒng)。
800V高壓系統(tǒng)的典型特征在于電壓平臺。快充技術(shù)的核心在于提高整車充電功率，要提高整車充電功率，技術(shù)手段上要么加大充電流要么提高充電電壓，充電電流加大意味著更粗更重的線束、更多的發(fā)熱量以及更多附屬設(shè)備瓶頸，而充電電壓提升則有更大的設(shè)計(jì)自由度，這直接推動了400V電壓平臺向800V電壓平臺轉(zhuǎn)換。
400V電子電氣架構(gòu)（來源：EDC電驅(qū)未來）
800V電子電氣架構(gòu)（來源：EDC電驅(qū)未來）
400V分支下，大部分的標(biāo)桿企業(yè)已經(jīng)從150kW往200kW開始努力，而800V快充的設(shè)計(jì)，也開始從350A的分水嶺，往500-600A的更大電流去設(shè)計(jì)。
400V快充的進(jìn)化路徑（來源：旺材動力總成）
800V快充的進(jìn)化路徑（來源：旺材動力總成）
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2019 年 4 月保時(shí)捷 Taycan Turbo S 全球首發(fā)，800V全球首款純電動車型誕生。性能上，最大充電功率可達(dá)320kW即一般120kW快充樁的2~3倍；高壓動力電池，前驅(qū)動電機(jī)，后驅(qū)動電機(jī)，車載充電機(jī)和PTC部件均采用了800V電壓平臺。
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2020 年 12 月 2 日，現(xiàn)代汽車集團(tuán)全球首發(fā)了全新電動汽車專用平臺 “E-GMP”, 該平臺同樣可以實(shí)現(xiàn)800V功能。性能上，最大充電功率350kW，支持電池充電由10%到80%僅需18min；全部部件包括高壓動力電池，前驅(qū)動電機(jī)，后驅(qū)動電機(jī)，電池加熱器，座艙加熱器以及高壓空調(diào)，均采用了800V電壓平臺。
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2.? 800V優(yōu)勢
第一，充電功率能做到更高，消除充電時(shí)間焦慮。
新能源汽車普及過程中，續(xù)航和充電速度是兩大短板。相較于燃油車，大部分新能源汽車?yán)m(xù)航里程低于600公里，普遍低于燃油車的續(xù)航里程，較難滿足城際間長里程行駛需求。另一方面，現(xiàn)有的充電技術(shù)需要消費(fèi)者等待40分鐘甚至更久才可充滿，而燃油車的加油過程僅需要5分鐘，對比之下補(bǔ)能效率更低。400V系統(tǒng)下200kW左右的充電功率會成為很多車輛設(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。
不同電壓平臺的充電功率（來源：旺材動力總成）
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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。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。
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。根據(jù)功率、電壓、電流關(guān)系公式𝑄 = 𝑈𝐼，其他條件保持不變，充電電壓或電流其中任一提高即可提高充電效率。
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。
3.? 如何適應(yīng)800V高電壓平臺
3.1? SiC耐高壓、耐高溫、高頻的優(yōu)勢，簡直就是為800V平臺量身打造
為什么使用碳化硅半導(dǎo)體相比硅半導(dǎo)體更有什么優(yōu)勢？
碳化硅在功率半導(dǎo)體層級有顯著性能優(yōu)勢。相比硅半導(dǎo)體，碳化硅的禁帶寬度是硅的3倍，使其具備在高溫下穩(wěn)定工作的能力；碳化硅的電場強(qiáng)度是硅的15倍，使其導(dǎo)通阻抗低，導(dǎo)通能耗降低；碳化硅的電子飽和率是硅的2倍，可以有更快的開關(guān)速度，開關(guān)能耗降低；碳化硅的導(dǎo)熱系數(shù)是硅的3.5倍，帶來更好的散熱性能。
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這些優(yōu)勢有助于高壓部件設(shè)計(jì)優(yōu)化和整車優(yōu)化，主要體現(xiàn)在如下兩方面：
第一，碳化硅MOSFET可以大幅提升逆變器效率以及電驅(qū)效率，降低整車能耗。
相比400V系統(tǒng)硅IGBT，無論400V系統(tǒng)還是800V高壓系統(tǒng)，碳化硅MOSFET逆變器損耗均可以降低50%左右，提升電驅(qū)效率繼而降低整車能耗。不同級別車輛能耗分析(如圖2) 顯示：從A00級別到大型SUV級別，碳化硅MOSFET電驅(qū)產(chǎn)品可以實(shí)現(xiàn)整車電耗降低5%-7%即同等容量電池下續(xù)航增加至少5%，看數(shù)據(jù)可能有點(diǎn)繞，說人話就是省錢。
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第二，碳化硅MOSFET在800V高壓電驅(qū)系統(tǒng)應(yīng)用中具備幾乎無可替代的優(yōu)勢。
隨著高耐壓的IGBT阻抗升高，頻率性能下降，由400V系統(tǒng)升高到800V系統(tǒng)后，在同等頻率下，Si-IGBT器件的導(dǎo)通損耗、開關(guān)損耗都有顯著的上升，如果在800V高壓系統(tǒng)領(lǐng)域走硅IGBT技術(shù)路線的話，就會出現(xiàn)成本上升但效能下降的問題。所以在當(dāng)下800V高壓電驅(qū)領(lǐng)域，碳化硅MOSFET是高效電驅(qū)的唯一選項(xiàng)。
3.2? 800V高壓系統(tǒng)下汽車系統(tǒng)架構(gòu)會出現(xiàn)哪些變化？
有碳化硅技術(shù)加持的800V高壓系統(tǒng)有諸多優(yōu)勢，從趨勢上判斷800V高壓系統(tǒng)未來將成為大功率充電技術(shù)（>200kW）的主流方案。
但是，技術(shù)的發(fā)展不是一蹴而就的，受產(chǎn)業(yè)鏈慣性影響，800V充電樁以及800V車載高壓部件等配套短期內(nèi)還不完善，不足以支撐終極800V高壓系統(tǒng)的快速推廣，當(dāng)下需要重點(diǎn)考慮兩點(diǎn)：兼容400V充電樁和800V充電樁應(yīng)用；兼容某些400V車載部件應(yīng)用。這就衍生出五種不同的800V高壓系統(tǒng)下汽車系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)方案，如下表：
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3.3? 800V高壓系統(tǒng)架構(gòu)下三電系統(tǒng)是否有變化，如何保證安全可靠？
（1）三電部件共性耐壓絕緣設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)：
常規(guī)設(shè)計(jì)方面，一者電氣部件主功率回路相關(guān)的電氣間隙、爬電距離要重新設(shè)計(jì)；二者高低壓部件的信號隔離回路也需要重新設(shè)計(jì)以應(yīng)對耐壓絕緣問題；三者使用更高耐壓的絕緣材料。特殊設(shè)計(jì)方面，比如涉及到電氣、磁、熱、機(jī)械等多方面因素的電機(jī)部件，可能存在局部放電問題。
（2）電池包技術(shù)挑戰(zhàn)：
充電功率提升后，電芯充電倍率將由1C提升到>=3C。在高充電倍率下，一方面將造成活性物質(zhì)的損失，影響電池容量和壽命；另一方面，鋰枝晶一旦刺穿隔膜，將導(dǎo)致電池內(nèi)部短路，造成起火等安全風(fēng)險(xiǎn)。
（3）電機(jī)技術(shù)挑戰(zhàn)：
直流母線電壓提升后，電機(jī)的絕緣距離增加較多，需要考慮額外的絕緣設(shè)計(jì)，同時(shí)高電壓會導(dǎo)致“電暈”現(xiàn)象產(chǎn)生，如何保證全壽命電疲勞是一個(gè)對成本和技術(shù)的雙重考驗(yàn)。另外由于電壓的提升，改變了原400V電機(jī)功率扭矩配比，需要重新為800V設(shè)計(jì)電磁方案，勢必帶來產(chǎn)線投資的增加。除此之外還有軸電流導(dǎo)致的失效風(fēng)險(xiǎn)加劇的挑戰(zhàn)。綜合而言，在800V架構(gòu)下，如何以較低的成本來滿足客戶的扭矩、功率和效率要求，需要一定技術(shù)門檻，是個(gè)巨大挑戰(zhàn)。
（4）電機(jī)控制器技術(shù)挑戰(zhàn)：
首先，800V電機(jī)控制器設(shè)計(jì)必須考慮高功率密度、高耐熱、高頻率切換應(yīng)用下的產(chǎn)品可靠性。其次，伴隨著800V電壓以及碳化硅逆變器頻率的提升，逆變器內(nèi)部du/dt大幅提升，這帶來逆變器EMC設(shè)計(jì)的巨大挑戰(zhàn)。
（5）其他部件技術(shù)挑戰(zhàn)：
800V OBC、800V DCDC、800V電池高壓繼電器/熔斷器/連接器、充電樁等都需要進(jìn)行升級，這對汽車研發(fā)設(shè)計(jì)者帶來較大的挑戰(zhàn)。
參考：
1.旺材動力總成：解讀|高電壓平臺技術(shù)解析
2.旺材動力總成：800V高電壓平臺，能治好補(bǔ)能焦慮？
3.EDC電驅(qū)未來：電動汽車的800V高壓平臺技術(shù)
4.EDC電驅(qū)未來：800V高壓系統(tǒng)的驅(qū)動力和系統(tǒng)架構(gòu)分析——為什么是800V高壓系統(tǒng)，及其挑戰(zhàn)？
總結(jié)
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