新能源汽車800V高壓系統(tǒng)技術(shù)

過(guò)去一年是新能源汽車市場(chǎng)爆發(fā)的一年，據(jù)中汽協(xié)數(shù)據(jù)，2021年新能源汽車銷售352萬(wàn)輛，同比大幅增長(zhǎng)157.5%。新能源汽車技術(shù)發(fā)展迅速，暢銷車輛在動(dòng)力性能、智能化方面、使用成本等方面相對(duì)傳統(tǒng)燃油車已取得領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)。但“長(zhǎng)途出行續(xù)航不夠”和“充電不方便”是當(dāng)下新能源汽車消費(fèi)者兩大痛點(diǎn)，為了延長(zhǎng)續(xù)航里程，各大廠商紛紛采取加大電池容量的技術(shù)方案，并且提供快充方案能有效的解決充電及續(xù)航焦慮，新能源汽車800V高壓系統(tǒng)技術(shù)由此應(yīng)運(yùn)而生。

什么是800V高壓系統(tǒng)?

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(tái)?？斐浼夹g(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(dòng)了400V電壓平臺(tái)向800V電壓平臺(tái)轉(zhuǎn)換。

800V高壓系統(tǒng)長(zhǎng)什么樣，什么性能？我們可以從已經(jīng)批產(chǎn)的幾款800V電動(dòng)汽車中一窺真容。

2019 年 4 月保時(shí)捷 Taycan Turbo S 全球首發(fā)，800V全球首款純電動(dòng)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(dòng)力電池，前驅(qū)動(dòng)電機(jī)，后驅(qū)動(dòng)電機(jī)，車載充電機(jī)和PTC部件均采用了800V電壓平臺(tái)。

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)汽車專用平臺(tái) “E-GMP”, 該平臺(tái)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(dòng)力電池，前驅(qū)動(dòng)電機(jī)，后驅(qū)動(dòng)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(tái)。

采用800V高壓系統(tǒng)比400V系統(tǒng)有什么優(yōu)勢(shì)？

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(zhǎng)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(zhǎng)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(shì)。

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(zhǎng)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。

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(shì)？

碳化硅在功率半導(dǎo)體層級(jí)有顯著性能優(yōu)勢(shì)。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(chǎng)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(kāi)關(guān)速度，開(kāi)關(guān)能耗降低；碳化硅的導(dǎo)熱系數(shù)是硅的3.5倍，帶來(lái)更好的散熱性能（見(jiàn)圖1）。

圖1 半導(dǎo)體級(jí)別下SiC和Si的比較

這些優(yōu)勢(shì)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(wú)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(jí)別車輛能耗分析(如圖2) 顯示：從A00級(jí)別到大型SUV級(jí)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(shuō)人話就是省錢。

圖2 碳化硅電驅(qū)技術(shù)對(duì)整車能耗影響分析

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(wú)可替代的優(yōu)勢(shì)。

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(kāi)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(huì)出現(xiàn)成本上升但效能下降的問(wèn)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)。

800V高壓系統(tǒng)備受業(yè)界關(guān)注，原因簡(jiǎn)要概括有二：以高功率快充實(shí)現(xiàn)為市場(chǎng)賣點(diǎn)，以低成本和高效率系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)為技術(shù)賣點(diǎn)。然而這只是回答了Why, 有碳化硅技術(shù)加持的800V高壓系統(tǒng)，在實(shí)際車輛落地實(shí)現(xiàn)時(shí)會(huì)碰到哪些挑戰(zhàn)呢？我們下回分解。

審核編輯 ：李倩