纯电动汽车800V平台技术解析

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纯电动汽车800V平台技术解析 [复制链接]

充电慢，充电难一直是新能源汽车所面临的难题，而高电压平台技术和与之配套的超级充电桩则是目前最被看好的解决方案之一。

 

那么，电压平台升高的量变如何使电动车实现便利性媲美燃油车的质变呢？

 

电动车800V高压平台

 

因动力源差异，燃油车和电动车的电压平台差异大。燃油车动力源来自内燃机，车用电器对输出功率要求不高，低电压平台即可满足。

 

而纯电车型动力源是电机和电池，需要较大的输入/输出功率，车内电压平台通常高于燃油车，纯电乘用车电压通常在200-400V之间。

 

 

 

 

1.400V高压系统

 

400V高压系统通常包括：电池、电机、电控、充电机（OBC）、高低压转换器（DC/DC）、高压控制盒(PDU)、连接器及线束、电机/电池热管理相关零部件。从核心部件功能上看：

 

• 电池是所有电器的供电单元，PDU对电池、电路起保护作用；

• 驱动电机及控制器是动力源，将电能转化为机械能；
• DC/DC对高低压进行转化，满足车内低电压器件用电需求；
• OBC将充电桩的交流电转换成直流电进而通过分线盒给电池充电。

 

 

 

 

400V电子电器架构

 

2.800V高压系统

 

• 高压线束规格下降，用量减少，降本减重，在电压翻倍、充电功率增幅不翻倍的情形下，串联增加，高压线束电流变小。

 

• SiC逆变器使得电源频率增加，电机转速增加，相同功率下转矩减小，体积减小。电机电压翻倍，相同功率下电流减半，因此铜线细（但匝数增加，因此用铜量未减小），电流密度小，转矩变小。若需提升功率，额定电流仅需从400V电机额定电流的一半开始增加。

 

 

 

800V电子电器架构

 

为什么至少是800V？

 

为了向上兼容电池容量大的高端车，电池充电速度以电流倍率（C）衡量。实际应用中的限制条件是：

 

• 充电枪有最大充电电流限制；

• 不同EV有不同的电池容量，均要实现相当的快充时间。

 

做一个简单的算术：

 

假设忽略电池包内部电芯连接方式，容量75/100kWh的电池包，要求同样要实现7.5min充满（<4min30%-80%SOC），即4C的最高倍率，最大电流为500A充电枪下，根据容量=电流*电压*充电时间，75/100kWh电池包母线电压将达到600/800V。

 

因此，为了向上兼容电池容量大高端车快充性能，在设计之初就将整车电压水平定在800V，电池包内部电芯亦以800V为标准设计串并联拓扑，最后确定电芯容量。

 

例如：400V体系下，如果是三元电芯，需要400/3.6=112个串联节点；若4个电芯并联，则一共需要448个电芯。电池包容量是100kWh，则单个NCM电芯容量为62Ah，对应电芯连接方式是4并112串。800V体系下，若电芯规格不变，电芯连接方式则变为2并224串。

 

800V是降低续航及充电焦虑的主流选择

 

新能源汽车普及过程中，续航和充电速度是两大短板。相较于燃油车，大部分新能源汽车续航里程低于600公里，普遍低于燃油车的续航里程，较难满足城际间长里程行驶需求。

 

另一方面，现有的充电技术需要消费者等待40分钟甚至更久才可充满，而燃油车的加油过程仅需要5分钟，对比之下补能效率更低。续航里程和充电速度是两大短板，制约新能源汽车对燃油车的替代。车企的解决方案包括：提升带电量、提高补能效率。

 

1.提升带电量

 

提升带电量能够缓解续航问题 ，但边际效益递减。HEV、PHEV、EREV车型通过燃油的方式提高续航水平。

 

纯电车型可通过增加电池带电量实现高续航目的，目前特斯拉Model 3高性能版CLTC标准的续航里程达675公里。

 

但电池是新能源车价值量最高的部件，带电量提升会导致边际成本和整车重量增加，购车成本与整车功耗也将随之增加。

 

2.提高补能效率

 

（1）换电：换电把新能源车充电时间替换成换电时间，代表企业有蔚来汽车，其二代换电站换电效率已提升至约5分钟/车，接近于普通燃油车一次加油的水平。

 

但各品牌车型电池规格不同，换电技术的推广极度依赖于车企自建的换电体系，大规模推广的成本及难度较高。

 

（2）高电流低压（400V）充电：根据功率、电压、电流关系公式𝑄=𝑈𝐼，其他条件保持不变，充电电压或电流其中任一提高即可提高充电效率。

 

特斯拉、极氪是大电流超充的代表品牌，其中特斯拉V3超充桩能在400V电压的条件下达到250kW的保持不变，充电电压或电流其中任一提高即可提高充电效率，15分钟可补充Model 3约250公里续航所需电量。峰值充电功率，15分钟可补充Model 3约250公里续航所需电量。

 

（3）高电压（800V）低电流充电：800V架构使整车具有更高的效率，800V电压平台推出后，相较于400V平台，工作电流更小，进而节省线束体积、降低电路内阻损耗，变相提升了功率密度和能量使用效率。

 

在功率不变前提下，预计800V平台的推出，续航里程将增加10%、充电速度将提升一倍以上。当然，实际快充技术的普及需要充电桩功率和电池充电倍率的同步匹配。

 

从400V到800V，哪些零部件和元器件需要升级？

 

车企应用800V平台架构，需要对其核心三电技术以及功率器件的耐压、损耗、抗热的要求更高：

 

1.电机方面

 

具体来看有以下几点：

 

• 轴电压的产生：电机控制器供电为变频电源，含有高次谐波分量，逆变器、定子绕组、机壳形成回路，产生感应电压，称为共模电压，在此回路上产生高频电流。由于电磁感应原理，电机轴两端形成感应电压，成为轴电压，一般来说无法避免。

   

• 转子、电机轴、轴承形成闭合回路，轴承滚珠与滚道内表面为点接触，若轴电压过高，容易击穿油膜后形成回路，轴电流出现导致轴承腐蚀。

   

• 800V的逆变器应用SiC，导致电压变化频率高，轴电流增大，轴承防腐蚀要求增加。

   

• 同时，由于电压/开关频率增加，800V电机内部的绝缘/EMC防护等级要求提升。

 

 

 

800V应用SiC造成轴电流增加大而击穿油膜风险增加

 

2.电控方面

 

以Si-IGBT为例，450V下其耐压为650V，若汽车电气架构升级至800V，考虑开关电压开关过载等因素，对应功率半导体耐压等级需达1200V，而高电压下Si-IGBT的开关/导通损耗急剧升高，面临成本上升而能效下降的问题。

 

除此以外， SiC功率器件还在车载充电器、充电桩等有所应用，具有实现高功率密度与优化系统总成本的优点，其技术可以有效地提升800V电驱动系统电机和电控的整体效率，满足应用的兼容性和可靠性要求。

 

 

 

车/桩上功率半导体均有望从Si基转向SiC

 

3.电池方面

 

动力电池快充性能的掣肘在于负极，一方面石墨材料的层状结构，导致锂离子只能从端面进入，导致离子传输路径长；另一方面石墨电极电位低，高倍率快充下石墨电极极化大，电位容易降到0V以下而析锂。 所以，对电池负极快充性能要求提升势在必行。

 

4.连接器+线束

 

平台架构从400V升级至800V要求连接器重新选型，连接器数量可能增加（增加大功率快充接口）；在同等功率条件下，电压提高，电流减小，线缆耐压性提高、体积减下。

 

5.滤波系统

 

主要包括电容和磁环，原滤波系统基于400V架构设计，升级800V后EMC辐射量会变化，整车滤波系统需重新设计。

 

6.继电器

 

升级800V平台要求继电器耐压性提升，现有部分继电器能够兼容高电压。

 

800V高压快充技术布局

 

2022年作为800V高压快充元年，各家主机厂纷纷布局：

 

1.国外方面

 

在高电压平台方面，第一个吃螃蟹的是2019年上市的保时捷Taycan。出于对充电速度和持续性能的追求，Taycan率先量产了800V电压平台。

 

对于仅能支持400V平台的空调压缩机，保时捷配备了一个800转400V的转换器专门用于其供电，以保证车型整体的开发进度，采取了800V空调压缩机量产后再升级替代的路线。

 

对于如何兼容现有的400V充电桩问题，Taycan选择了额外搭载一台直流OBC，首先将400V充电桩输出的充电电压升至800V后再对电池充电。

 

 

 

保时捷Taycan高压架构解析

 

不惜在车上增加如此复杂的电压转换设备，保时捷Taycan最主要的目的就是要缩短用户在充电上付出的时间成本。

 

而在其他高压部件以及电池快充能力取得进步之后，保时捷Taycan及其后续车型还有望在350kW充电功率的基础上，进一步发掘出800V电压平台的潜力。

 

2.国内方面

 

国内方面，比亚迪是较早布局相关技术的厂商。借助高压IGBT方案，比亚迪将e平台旗下车型的电压提升至了600V以上，唐更是达到了700V。

 

在汉EV上，已经配备了比亚迪自研的SiC功率器件。所以对于比亚迪来说，接下来推出800V甚至1000V平台的车型也只是水到渠成的事情。

 

吉利SEA浩瀚架构也明确表示，将引入800V平台和SiC功率器件，并配备800V高压快充，可实现“充电5分钟，续航120km”，基于该架构的车型也将会在今年实现量产。

 

 

 

 

此前专注于增程式方案的理想汽车，也计划在高压纯电动平台上推出多款纯电动车型，通过对400kW充电桩的支持，实现10分钟提升300-500km续航的补能速度。可以说，国内厂商在高电压平台方向上的开发工作也并不落后。

 

总结

 

虽然电压平台的升高，意味着电动车诸多零部件的重新开发设计，以及高压充电网络从无到有的布局建设，让我们距离产品的普及还有很长一段距离要走。

 

但就像快充技术改变了大家使用智能手机的习惯，电动车高电压平台技术的落地也会对电动车产品的技术走向和使用体验产生巨大的影响。当基于电压平台升高的量变，使电动车的便利性达到了媲美燃油车的质变，那么取代燃油车的那一天还会远吗？

素材整理来自：优能工程师

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