800V電動(dòng)汽車開發(fā)：如何選好“料”，烹小鮮？

全球范圍內(nèi)，電動(dòng)汽車（EV）行業(yè)正處在一個(gè)快速成長(zhǎng)期。根據(jù)麥肯錫的預(yù)測(cè)，在2021至2030的十年間，全球乘用車的總銷量預(yù)計(jì)約為8億臺(tái)，其中電動(dòng)汽車的銷量將達(dá)到約2.2億臺(tái)，其滲透力可謂勢(shì)不可擋。

但伴隨著迅速增長(zhǎng)的市場(chǎng)規(guī)模，還有越來(lái)越多的“吐槽”。這主要是因?yàn)殡妱?dòng)汽車作為一個(gè)“新物種”，縱有千般優(yōu)點(diǎn)，在現(xiàn)階段面對(duì)已歷經(jīng)百年發(fā)展歷程的傳統(tǒng)燃油車，用戶體驗(yàn)上還是差強(qiáng)人意，這就使得用戶難于實(shí)現(xiàn)完美而無(wú)憂的“平替”。而槽點(diǎn)主要集中在續(xù)航和補(bǔ)能（充電）方面。

800V高壓充電時(shí)代來(lái)臨

為了實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車的快充，優(yōu)化用戶的駕乘體驗(yàn)，核心的要義只有一條——提升功率；而在“如何提升功率”技術(shù)路徑的選擇上，則有“大電流”和“高電壓”兩個(gè)不同的技術(shù)流派。

“大電流”派的思路是在不改變當(dāng)前電動(dòng)汽車400V電壓架構(gòu)的前提下，通過(guò)增大電流來(lái)提升充電功率。特斯拉就是這個(gè)流派的“帶頭大哥”，其超級(jí)充電樁工作電流峰值高達(dá)600A，可提供250kW的功率。

不過(guò)“大電流”快充方案有兩個(gè)先天的短板：一是大電流會(huì)在整個(gè)功率傳輸鏈路上產(chǎn)生更高的熱損耗，需要額外的散熱系統(tǒng)，這無(wú)疑會(huì)增加系統(tǒng)不確定性；二是為了提供更大的載流能力，需要采用更粗（也更重）的線束，以及體積更大的連接器等配套元器件，這對(duì)于空間有限且對(duì)控制自重有嚴(yán)苛要求的汽車應(yīng)用是不小的挑戰(zhàn)。因此，業(yè)內(nèi)普遍的認(rèn)識(shí)是，“大電流”的快充方案更容易碰到性能提升的“天花板”。

而與之相比，“高電壓”方案的思路是將電動(dòng)汽車充電電壓從傳統(tǒng)的400V提高到800V，無(wú)需大幅提升電流也能達(dá)到更理想的快充效果，且不需要更換更粗的線束和相關(guān)元器件。而且有研究表明，采用800V高壓模式的快充支持30%-80% SoC最大功率充電，而低壓大電流模式僅能在10%-20% SoC進(jìn)行最大功率充電，也就是說(shuō)800V高壓模式能支持更長(zhǎng)時(shí)間的快充。

2019年保時(shí)捷發(fā)布了全球首款采用800V高壓系統(tǒng)的Taycan車型，僅用23分鐘就能將電池電量從5%充至80%，這算是給大家打了個(gè)樣，此后越來(lái)越多的車企都加入到了這個(gè)“800V快充系統(tǒng)”俱樂(lè)部，“充電5分鐘，續(xù)航200公里”推廣語(yǔ)的聲浪也越來(lái)越大。

雖然800V高壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)仍面臨著諸多挑戰(zhàn)，不過(guò)越來(lái)越多的人都認(rèn)同“高電壓”的技術(shù)路線終將勝出，我們正在邁入800V電動(dòng)汽車的時(shí)代。

大功率下的車用元器件

當(dāng)然，電壓從400V提高到800V這個(gè)升級(jí)并不簡(jiǎn)單。從系統(tǒng)級(jí)的角度看，這關(guān)系到整個(gè)電動(dòng)汽車的動(dòng)力系統(tǒng)，涉及逆變器、電機(jī)驅(qū)動(dòng)、DC-DC、車載充電器（OBC）等很多組件子系統(tǒng)的同步升級(jí)，可謂牽一發(fā)動(dòng)全身，這就需要設(shè)計(jì)出新的系統(tǒng)架構(gòu)去滿足綜合性價(jià)比的要求。

從元器件級(jí)來(lái)看，在更大功率的電動(dòng)車系統(tǒng)中，必然要求基礎(chǔ)的元器件能夠經(jīng)得住考驗(yàn)，跟上市場(chǎng)發(fā)展的要求。盡管通過(guò)一些巧妙的系統(tǒng)設(shè)計(jì)上的優(yōu)化，很多400V系統(tǒng)中的元器件在800V系統(tǒng)中仍然可以使用，但是根據(jù)技術(shù)趨勢(shì)進(jìn)行預(yù)判，未雨綢繆，提供未來(lái)更大功率所需的車用元器件，仍然是元器件供應(yīng)商在面對(duì)快速發(fā)展的電動(dòng)汽車市場(chǎng)時(shí)的必修課。

綜合來(lái)看，大功率場(chǎng)景中的車用元器件除了要滿足基本的車規(guī)要求外，還需要在以下幾個(gè)方面進(jìn)行“修煉”，建立優(yōu)勢(shì)能力：

更高的功率密度

更高的功率往往伴隨著更高的功率損耗和熱量耗散，因此就需要元器件在高效率、低能耗方面有過(guò)人之處。與此同時(shí)，車用環(huán)境對(duì)空間的敏感性，也使得元器件外形封裝要盡量緊湊。兩個(gè)因素疊加，具有更高功率密度的元器件，顯然更有競(jìng)爭(zhēng)力。

更高的安全性

功率更高，意味著在控制和傳輸功率時(shí)要確保更高的安全性和可靠性。比如800V架構(gòu)由于電壓更高，在控制和保護(hù)電路中產(chǎn)生損壞電弧的幾率也更大，因此必須要滿足更嚴(yán)格的隔離要求。

更精準(zhǔn)的感測(cè)

想要實(shí)現(xiàn)更精準(zhǔn)的大功率控制和管理，一個(gè)前提就是要增加系統(tǒng)中的感測(cè)元器件，能夠準(zhǔn)確測(cè)量電池、負(fù)載等對(duì)象的電信號(hào)并將其傳輸?shù)娇刂苽?cè)。而元器件數(shù)量和系統(tǒng)復(fù)雜性的增加，會(huì)提高失效率（FIT），這也會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)閷?duì)功能安全的新挑戰(zhàn)。

顯而易見，只有不斷豐富和優(yōu)化自己的產(chǎn)品組合，滿足上面這些設(shè)計(jì)要求，元器件廠商才能夠從容應(yīng)對(duì)大功率汽車應(yīng)用開發(fā)中的諸多挑戰(zhàn)。

Vishay的電動(dòng)汽車解決方案

車用元器件一直是Vishay的優(yōu)勢(shì)領(lǐng)域。在電動(dòng)汽車時(shí)代，Vishay也在進(jìn)一步鞏固這一優(yōu)勢(shì)，不斷推出能夠滿足電動(dòng)汽車大功率應(yīng)用開發(fā)所需的元器件產(chǎn)品和解決方案。下面就是其中一些代表性的產(chǎn)品。

SQJ汽車用MOSFET

功率MOSFET是大功率汽車應(yīng)用中最為關(guān)鍵的半導(dǎo)體器件之一，隨著電動(dòng)汽車電源架構(gòu)的升級(jí)，更低損耗、更高效率、更高耐壓、更高可靠性的器件自然成為了大家追求的目標(biāo)。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，一方面人們?cè)诜e極推動(dòng)SiC MOSFET這類新型器件的發(fā)展和應(yīng)用，以期獲得性能的全面提升；另一方面也在對(duì)傳統(tǒng)的Si MOSFET深度挖潛，提供更具性價(jià)比的解決方案。

Vishay / Siliconix的SQJ汽車用MOSFET，是TrenchFET Gen IV N溝道30V_DS至100V_DS功率MOSFET，這些MOSFET符合AEC-Q101標(biāo)準(zhǔn)，且100%經(jīng)過(guò)R_g和無(wú)鉗位電感開關(guān)（UIS）測(cè)試，R_DS(on)低至0.7 mΩ，且具有行業(yè)先進(jìn)水平的FOM參數(shù)，進(jìn)一步優(yōu)化了開關(guān)特性。SQJ汽車用MOSFET具有非常低的R_DS(on)，在低功耗方面也很有優(yōu)勢(shì)。該功率MOSFET采用PowerPAK SO-8L封裝，支持很寬的結(jié)溫范圍（-55°C至175°C），能夠適應(yīng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)、電池管理等嚴(yán)苛的電動(dòng)汽車應(yīng)用的要求。

圖1：SQJ汽車用MOSFET

（圖源：Vishay）

VOA300汽車級(jí)線性光耦合器

在電動(dòng)汽車電池管理系統(tǒng)（BMS）的開發(fā)中，一方面需要完成電池電壓檢測(cè)和信號(hào)傳輸，另一方面還要在高壓電池側(cè)和低壓控制側(cè)之間實(shí)現(xiàn)可靠的隔離，這時(shí)就需要一款高性能的光耦合器來(lái)?yè)?dān)負(fù)這個(gè)重要角色。

Vishay的VOA300汽車級(jí)線性光耦合器專門設(shè)計(jì)用于BMS中的電壓檢測(cè)，器件內(nèi)部?jī)啥朔謩e集成了一個(gè)紅外發(fā)射、一個(gè)隔離反饋和一個(gè)輸出的PIN光電二極管，具有1.4MHz寬帶寬，與其他標(biāo)準(zhǔn)光耦合器相比，在快速響應(yīng)（1.2μs數(shù)據(jù)傳輸）、增益穩(wěn)定性（±0.005% /°C）和隔離電壓（5300V_RMS）等方面都實(shí)現(xiàn)了更高的性能。VOA300符合AEC-Q102標(biāo)準(zhǔn)，除了BMS，在車載充電器（OBC）電壓監(jiān)測(cè)、DC/DC轉(zhuǎn)換器和AC/DC逆變器級(jí)電壓監(jiān)測(cè)方面也可一展身手。

圖2：VOA300汽車級(jí)線性光耦合器

（圖源：Vishay）

WSLP3921和WSLP5931大功率電阻器

在為功率系統(tǒng)提供準(zhǔn)確的電流測(cè)量時(shí)，需要用到高性能和高可靠性的大功率分流電阻器，在這方面Vishay有一款非常值得稱道的產(chǎn)品。

Vishay / Dale的WSLP3921和WSLP5931大功率電阻器可以支持高達(dá)15W的功率，由于其是由單個(gè)金屬條制成，因此具有極低的電阻值（低至0.1mΩ），以及0.5nH至5nH的超低電感值。這些表面貼裝Power Metal Strip功率電阻提供3921和5931外殼尺寸，采用全焊接結(jié)構(gòu)，非常適合用于電流感應(yīng)、分壓和脈沖應(yīng)用。符合AEC-Q200標(biāo)準(zhǔn)的WSLP3921和WSLP5931電阻器，在大功率汽車應(yīng)用上顯然也是游刃有余。

圖3：WSLP3921和WSLP5931大功率電阻器

（圖源：Vishay）

MKP1848Se DC-Link薄膜電容器

在大功率電動(dòng)汽車系統(tǒng)中，各種元器件無(wú)疑會(huì)經(jīng)受更嚴(yán)苛的考驗(yàn)，這時(shí)高可靠性、高穩(wěn)定性的物料肯定是優(yōu)選方案。具體到電容器，薄膜電容器憑借其耐高壓、抗紋波能力強(qiáng)、可靠性和安全性高、性能穩(wěn)定、壽命長(zhǎng)、無(wú)極性等優(yōu)點(diǎn)，在電動(dòng)汽車應(yīng)用上頗受青睞，應(yīng)用廣泛。

在這個(gè)產(chǎn)品線上，Vishay / Roederstein的MKP1848Se DC-Link薄膜電容器很值得推薦。該系列汽車級(jí)金屬化聚丙烯直流支撐（DC-Link）薄膜電容器具有高紋波電流、低ESR和ESL等特性，而且其在額定 UNDC 條件下經(jīng)受56天60°C、93%相對(duì)濕度的THB測(cè)試，具有高達(dá)105°C的工作溫度，可靠性和耐用性出眾。同時(shí)，該系列薄膜電容器的高度僅有12mm，因此十分適合空間受限的汽車應(yīng)用。MKP1848Se系列薄膜電容器提供1μF至75μF的額定電容值，容值精度有5%和10%，額定電壓為500V至1,200V，符合AEC-Q200標(biāo)準(zhǔn)，在電動(dòng)汽車中的典型應(yīng)用包括電源轉(zhuǎn)換器、板載和感應(yīng)充電系統(tǒng)、HVAC系統(tǒng)和電機(jī)驅(qū)動(dòng)器等。

圖4：MKP1848Se DC-Link薄膜電容器

（圖源：Vishay）

打造完整參考設(shè)計(jì)

對(duì)于真正的電動(dòng)汽車大功率系統(tǒng)開發(fā)來(lái)講，認(rèn)識(shí)了上述這些適用元器件僅是完成了“選料”的第一步，如何在設(shè)計(jì)中將它們整合在一起，形成完整、可商用的產(chǎn)品或方案，才是更大的挑戰(zhàn)。

幸運(yùn)的是，Vishay已經(jīng)搶先一步意識(shí)到這一點(diǎn)，所以近年來(lái)一直在基于這些高性能車用元器件，針對(duì)電動(dòng)汽車大功率應(yīng)用的“痛點(diǎn)”打造完整的參考設(shè)計(jì)。這些參考設(shè)計(jì)包括完整的設(shè)計(jì)文件和BOM，以及其他相關(guān)的設(shè)計(jì)資源，可以大大加速相關(guān)功能組件的評(píng)估和研發(fā)工作。

比如下面這款Vishay新近推出的800V_DC/ 50A雙向eFuse參考設(shè)計(jì)，它是采用半導(dǎo)體器件設(shè)計(jì)的可恢復(fù)電子保險(xiǎn)絲（efuse），可取代機(jī)械繼電器和接觸器以及傳統(tǒng)的不可恢復(fù)保險(xiǎn)絲，代表著高功率應(yīng)用中控制和保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的新趨勢(shì)。

圖5：800V_DC/ 50A雙向eFuse參考設(shè)計(jì)

（圖源：Vishay）

這個(gè)在雙面四層PCB（FR4）上構(gòu)建的eFuse參考設(shè)計(jì)，采用先進(jìn)的SiC MOSFET作為主開關(guān)，能夠在動(dòng)力電池組的高壓電源與各種類型的車用負(fù)載之間實(shí)現(xiàn)快速安全的開關(guān)操作，可支持最高50A的工作電流，應(yīng)對(duì)高達(dá)40kW的連續(xù)功率。值得一提的是，其在全功率下連續(xù)運(yùn)行時(shí)損耗小于25W，因此不需要主動(dòng)冷卻裝置，由此可見其在高能效設(shè)計(jì)方面表現(xiàn)十分出眾。

除了大功率開關(guān)控制，這個(gè)800V_DC雙向eFuse參考設(shè)計(jì)還具有可靠的保護(hù)功能。如果電流超過(guò)預(yù)定限制，負(fù)載將快速?gòu)碾姵亟M斷開，以保護(hù)電池組和用戶。該eFuse還設(shè)計(jì)有預(yù)載、連續(xù)電流監(jiān)測(cè)和過(guò)流保護(hù)功能，故障后關(guān)機(jī)僅需2.5μs。

圖6：800V_DC/ 50A雙向eFuse參考設(shè)計(jì)電路板

（圖源：Vishay）

在該參考設(shè)計(jì)的BOM中，可以看到很多Vishay車用元器件的身影，比如我們上文介紹的VOA300汽車級(jí)線性光耦合器，就負(fù)責(zé)在高壓側(cè)和控制側(cè)之間提供可靠的隔離，同時(shí)提供高達(dá)200kHz的數(shù)字信號(hào)傳輸，使得電壓和電流測(cè)量信號(hào)能夠“穿過(guò)”隔離屏障進(jìn)行傳輸。同時(shí)，WSLP3921功率電阻器在這個(gè)eFuse中作為電流感測(cè)分流電阻，也是精確測(cè)量負(fù)載電流不可或缺的一顆料。

總之，通過(guò)這樣的參考設(shè)計(jì)，Vishay將各種元器件整合成一個(gè)完整的解決方案，呈現(xiàn)在用戶面前，為大家?guī)?lái)更直觀的功能和開發(fā)體驗(yàn)，藉此也讓自己的技術(shù)優(yōu)勢(shì)得以充分展現(xiàn)。如需了解更多800V、50A 雙向 eFuse 參考設(shè)計(jì)，請(qǐng)點(diǎn)擊文末“閱讀原文”。

本文小結(jié)

向更大功率系統(tǒng)演進(jìn)，提供更佳的用戶體驗(yàn)，已經(jīng)成為電動(dòng)汽車開發(fā)中的大趨勢(shì)。800V架構(gòu)及其他大功率的應(yīng)用開發(fā)，對(duì)于很多開發(fā)者來(lái)說(shuō)也是一個(gè)全新的嘗試，這個(gè)過(guò)程就像是“烹小鮮”，需要選擇合適的“食材”（元器件），料理出一道“美味”（解決方案）。

Vishay不僅能夠?yàn)槟闾峁┧璧暮谩傲稀?，還親自“下廚”，用這些好“料”打造出完整的參考設(shè)計(jì)，讓大家能夠搶“鮮”品嘗到創(chuàng)新科技帶來(lái)的全新體驗(yàn)。這些在800V電動(dòng)汽車時(shí)代選好“料”、烹小鮮的訣竅，歡迎大家一起來(lái)圍觀——

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