电动汽车的800V高压平台

电力电子技术与新能源 2022-08-17 21:08

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2022年,即将成为800V高压快充元年,各家主机厂纷纷布局。
目前小鹏汽车、广汽埃安、比亚迪e平台、吉利极氪、理想汽车、北汽极狐等车企已经布局了 800V快充技术。

800V高压平台解决续航、充电焦虑问题

电车电动车 800V 高压平台正逐步落地。
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:1918 年,蓄电池首次引入汽车;1920年得到普及,电压仅为6V。随着车载电器增多,车企相继推出12V-48V等系统,适配以内燃机为主要动力源的车型。

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。

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:
1)电池是所有电器的供电单元,PDU对电池、电路起保护作用;
2)驱动电机及控制器是动力源,将电能转化为机械能;
3)DC/DC 对高低压进行转化,满足车内低电压器件用电需求;
4)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


800V电子电器架构



800V高压平台车型出现后 , 国内车企从技术迭代角度开始进跟进800V架构 。保时捷Taycan是首款800V高压平台的量产车型,已将最大充电功率提升至 350KW,可以在大约23分钟内,把动力电池从5%充至80%,相当于300公里的续航能力。同等功率下,当电压从400V提升到800V后,工作电流将降低一半,进而线束体积、功率损耗均有下降。国内车企目前纷纷跟进800V高压平台架构,有望在2022年陆续实现量产:


国内车企800V快充技术布局



800V方案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。

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。




提高补能效率 ,主流解决方案有两种 :换电、大功率快充 。
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)高电流低电压(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。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的峰值充电功率,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。




高电流推广难度同样较大。高电流推广难度同样较大。根据焦耳定律Q= I*I*R*t,当通电时间与电阻不变,热量与电流的二次方成正比,大电流快充将大幅增加充电过程中的热量。特斯拉 V3 超充桩峰值工作电流超过600A,需要使用更粗的线束,同时对散热技术要求更高。与电流的二次方成正比,大电流快充将大幅增加充电过程中的热量。特斯拉 V3 超充桩峰值工作电流超过 600A,需要使用更粗的线束,同时对散热技术要求更高。




目前国内车厂并没有在散热方案上做大幅定制化改动。大电流充电桩同样极度依赖自建体系,推广成本高。另外,目前的大电流模式仅能在10%-20%SOC 进行最大功率充电,在其他区间充电功率也有明显下降,高效充电并非全程覆盖。




3)高电压(800V )低电流充电:目前整车普遍使用400V架构,切换 800V 架构能够使充电时间减少一半。保时捷 Taycan 是第一台量产的 800V 架构电动车;小鹏最新发布的G9是国内首款基于 800V 高压 SiC(碳化硅)平台的量产车,可实现充电 5分钟,续航 200 公里。

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。

800V平台下,涉及高压系统部件都需升级

400V与800V 电压下整车系统架构基本一致,或增电源部件。高压电气系统下400V与800V拓扑结构基本一致,没有太大变化。但若800V电压平台的电车能够使用之前400V的直流快充桩,则需要在车端增加额外的DC/DC转换器进行升压,达到800V及以上才能够对动力电池进行充电。在800V的情况下,整车成本及充电装置将会更昂贵,800V部件在应用初期更适用于高档跑车/SUV 等,中低端车型在较长时间内采取400V电压平台仍将是较为经济的选择。


此外高压零部件及元器件需更提升耐压等级,要求明显提升。


除去可能新增 DC/DC升压部件之外,在原本的整车高压电气架构中直接与高压系统直接连接的子系统部件如:动力电池系统、动力系统(电机、电机控制器)、电源系统( DC/DC 、 OBC 、 PDU )以及车内的空调压缩机、加热系统等需要提升部件耐压等级。在这些子系统部件提升耐压等级从400V平台升至800V平台后,其所采用的元器件及材料如:线缆、连接器、继电器、保险丝、电容、电阻、电感及功率半导体等耐压等级需提升至800V及以上。为了保证产品的质量,在应用初期设计时将有可能需要更高的耐压等级的部件来满足绝缘安全冗余度的要求。


800V趋势下快充电池的需求将会加速。


在400V电压平台下,当前 E/E 电气架构下较难突破500A ,即200kW 以上的快充。但升级到800V电压之后200kW快充电流可减少一半至250A , 800V电压平台有望使快充功率突破至350kW 。同时,根据 Future eDrive- - Technologies 的测算, 在800V平台下100kwh 的电池有望减重达25kg , 减重的效果较为明显。




我们认为在800V电压平台应用的趋势下,快充将会成为纯电动车重要的功能,从400V转向800V可以通过更多的电池串联在一起解决电压提升问题,但更重要的是电池能够承受大功率充电(2.2C 以上)的同时保持较长的寿命,以及大功率充电下的散热问题,这都有较大的挑战。


车载电源行业或充分受益于新增的DC/DC升压产品及 SiC 的应用。


因为动力电池电压平台已经升级到800V ,当前的OBC 、 DC/DC 及 PDU 等电源产品都需要从400V等级提升至符合 800V 电压平台的应用, SiC 器件由于其优异的特性也将开始大规模的应用。除此之外,直流快充桩原本输出电压等级为400V,可直接给动力电池充电, 但动力电池为800V 后其电压
不再能够继续充电,因此需要一个额外的升压产品使400V电压能够上升到 800V ,进而给动力电池进行直流快充。在此技术方案下,这个器件需要能够满足大功率充电的功率,因此其价值量相比传统DC/DC 要更大,而电源企业也将充分受益于此升压 DC/DC 产品的配置。


电机控制器在800V平台下由于 SiC 的应用,价值量将有较大提升。


在800V电压平台下,根据 ST 测试数据, SiC 器件损耗显著低于 IGBT ,在常用的25% 的负载下其损耗低于IGBT 80% 。碳化硅器件在 800V 电压平台下具有显著的优势,将会很快的推展开来。此外,由于目前SiC MOSFET 单管器件的价格仍为Si IGBT价格的3-5倍,而功率器件是电机控制器中最重要的器件之一,因此也会带来电机控制器价值量的提升。




在新能源汽车电机控制器当中,电力转换是通过控制IGBT的开关来实现的。IGBT 受材料本身的局限,较难工作在200℃以上。高功率密度的电机控制器需要高效的电力转换效率和更高的工作温度,这对功率器件也提出了更高的要求,如:更低的导通损耗、耐高温、高导热能力等。而基于碳化硅( SiC )单晶材料的功率器件,具有高频率、高效率、小体积等优点(比 IGBT 功率器件小70%- 80% ),已经在特斯拉 Model 3 车型中得到了应用。


SiC单晶材料功率器件的优势



根据 ST 意法半导体资料, SiC器件相比硅基的 IGBT 能够有更小的体积。
在400V电压平台下, SiC能够比 IGBT 器件拥有2 - 4% 的效率提升 ,而在 750V电压平台下其 提升幅度则可增大至3.5%- 8%。




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