電動汽車的800V高壓平臺

孫鳳明 2021-12-05

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即將到來的2022年，即將成為800V高壓快充元年，各家主機廠紛紛布局。

目前小鵬汽車、廣汽埃安、比亞迪e平臺、吉利極氪、理想汽車、北汽極狐等車企已經(jīng)布局了 800V快充技術。

800V高壓平臺解決續(xù)航、充電焦慮問題

電車電動車 800V 高壓平臺正逐步落地。

因動力源差異，燃油車和電動車的電壓平臺差異大。燃油車動力源來自內燃機，車用電器對輸出功率要求不高，低電壓平臺即可滿足：1918 年，蓄電池首次引入汽車；1920年得到普及，電壓僅為6V。隨著車載電器增多，車企相繼推出12V-48V等系統(tǒng)，適配以內燃機為主要動力源的車型。

而純電車型動力源是電機和電池，需要較大的輸入/輸出功率，車內電壓平臺通常高于燃油車。純電乘用車電壓通常在200-400V 之間。

400V高壓系統(tǒng)通常包括：電池、電機、電控、充電機（OBC）、高低壓轉換器（DC/DC）、高壓控制盒(PDU)、連接器及線束、電機/電池熱管理相關零部件。從核心部件功能上看：

1）電池是所有電器的供電單元，PDU對電池、電路起保護作用；

2）驅動電機及控制器是動力源，將電能轉化為機械能；

3）DC/DC 對高低壓進行轉化，滿足車內低電壓器件用電需求；

4）OBC 將充電樁的交流電轉換成直流電進而通過分線盒給電池充電。

400V電子電器架構

800V電子電器架構

800V高壓平臺車型出現(xiàn)后，國內車企從技術迭代角度開始進跟進800V架構。保時捷Taycan是首款800V高壓平臺的量產(chǎn)車型，已將最大充電功率提升至 350KW，可以在大約23分鐘內，把動力電池從5%充至80%，相當于300公里的續(xù)航能力。同等功率下，當電壓從400V提升到800V后，工作電流將降低一半，進而線束體積、功率損耗均有下降。國內車企目前紛紛跟進800V高壓平臺架構，有望在2022年陸續(xù)實現(xiàn)量產(chǎn)：

國內車企800V快充技術布局

800V方案是降低續(xù)航及充電焦慮的主流選擇。

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，大部分新能源汽車續(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)有的充電技術需要消費者等待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，對比之下補能效率更低。續(xù)航里程和充電速度是兩大短板，制約新能源汽車對燃油車的替代。車企的解決方案包括：提升帶電量、提高補能效率。

提升帶電量能夠緩解續(xù)航問題，但邊際效益遞減。HEV、PHEV、EREV 車型通過燃油的方式提高續(xù)航水平。純電車型可通過增加電池帶電量實現(xiàn)高續(xù)航目的，目前特斯拉Model 3高性能版CLTC標準的續(xù)航里程達675公里。但電池是新能源車價值量最高的部件，帶電量提升會導致邊際成本和整車重量增加，購車成本與整車功耗也將隨之增加。

提高補能效率，主流解決方案有兩種：換電、大功率快充。

1) 換電：換電把新能源車充電時間替換成換電時間，代表企業(yè)有蔚來汽車，其二代換電站換電效率已提升至約5分鐘/車，接近于普通燃油車一次加油的水平。但各品牌車型電池規(guī)格不同，換電技術的推廣極度依賴于車企自建的換電體系，大規(guī)模推廣的成本及難度較高。

2)高電流低電壓（400V）充電：根據(jù)功率、電壓、電流關系公式?? = ????，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。特斯拉、極氪是大電流超充的代表品牌，其中特斯拉V3超充樁能在400V電壓的條件下達到250kW的保持不變，充電電壓或電流其中任一提高即可提高充電效率。特斯拉、極氪是大電流超充的代表品牌，其中特斯拉V3超充樁能在400V電壓的條件下達到250kW的峰值充電功率，15分鐘可補充 Model 3約250公里續(xù)航所需電量。峰值充電功率，15分鐘可補充 Model 3約 250公里續(xù)航所需電量。

高電流推廣難度同樣較大。高電流推廣難度同樣較大。根據(jù)焦耳定律Q= I*I*R*t，當通電時間與電阻不變，熱量與電流的二次方成正比，大電流快充將大幅增加充電過程中的熱量。特斯拉 V3 超充樁峰值工作電流超過600A，需要使用更粗的線束，同時對散熱技術要求更高。與電流的二次方成正比，大電流快充將大幅增加充電過程中的熱量。特斯拉 V3 超充樁峰值工作電流超過 600A，需要使用更粗的線束，同時對散熱技術要求更高。

目前國內車廠并沒有在散熱方案上做大幅定制化改動。大電流充電樁同樣極度依賴自建體系，推廣成本高。另外，目前的大電流模式僅能在10%-20%SOC 進行最大功率充電，在其他區(qū)間充電功率也有明顯下降，高效充電并非全程覆蓋。

3)高電壓（800V ）低電流充電：目前整車普遍使用400V架構，切換 800V 架構能夠使充電時間減少一半。保時捷 Taycan 是第一臺量產(chǎn)的 800V 架構電動車；小鵬最新發(fā)布的G9是國內首款基于 800V 高壓 SiC（碳化硅）平臺的量產(chǎn)車，可實現(xiàn)充電 5分鐘，續(xù)航 200 公里。

800V架構使整車具有更高的效率。800V電壓平臺推出后，相較于400V 平臺，工作電流更小，進而節(jié)省線束體積、降低電路內阻損耗，變相提升了功率密度和能量使用效率。在功率不變前提下，預計 800V 平臺的推出，續(xù)航里程將增加 10%、充電速度將提升一倍以上。當然，實際快充技術的普及需要充電樁功率和電池充電倍率的同步匹配。

800V平臺下，涉及高壓系統(tǒng)部件都需升級

400V與800V 電壓下整車系統(tǒng)架構基本一致，或增電源部件。高壓電氣系統(tǒng)下400V與800V拓撲結構基本一致，沒有太大變化。但若800V電壓平臺的電車能夠使用之前400V的直流快充樁，則需要在車端增加額外的DC/DC轉換器進行升壓，達到800V及以上才能夠對動力電池進行充電。在800V的情況下，整車成本及充電裝置將會更昂貴，800V部件在應用初期更適用于高檔跑車/SUV 等，中低端車型在較長時間內采取400V電壓平臺仍將是較為經(jīng)濟的選擇。

此外高壓零部件及元器件需更提升耐壓等級，要求明顯提升。

除去可能新增 DC/DC升壓部件之外，在原本的整車高壓電氣架構中直接與高壓系統(tǒng)直接連接的子系統(tǒng)部件如：動力電池系統(tǒng)、動力系統(tǒng)（電機、電機控制器）、電源系統(tǒng)（ DC/DC 、 OBC 、 PDU ）以及車內的空調壓縮機、加熱系統(tǒng)等需要提升部件耐壓等級。在這些子系統(tǒng)部件提升耐壓等級從400V平臺升至800V平臺后，其所采用的元器件及材料如：線纜、連接器、繼電器、保險絲、電容、電阻、電感及功率半導體等耐壓等級需提升至800V及以上。為了保證產(chǎn)品的質量，在應用初期設計時將有可能需要更高的耐壓等級的部件來滿足絕緣安全冗余度的要求。

800V趨勢下快充電池的需求將會加速。

在400V電壓平臺下，當前 E/E 電氣架構下較難突破500A ，即200kW 以上的快充。但升級到800V電壓之后200kW快充電流可減少一半至250A ， 800V電壓平臺有望使快充功率突破至350kW 。同時，根據(jù) Future eDrive- - Technologies 的測算，在800V平臺下100kwh 的電池有望減重達25kg ，減重的效果較為明顯。

我們認為在800V電壓平臺應用的趨勢下，快充將會成為純電動車重要的功能，從400V轉向800V可以通過更多的電池串聯(lián)在一起解決電壓提升問題，但更重要的是電池能夠承受大功率充電（2.2C 以上）的同時保持較長的壽命，以及大功率充電下的散熱問題，這都有較大的挑戰(zhàn)。

車載電源行業(yè)或充分受益于新增的DC/DC升壓產(chǎn)品及 SiC 的應用。

因為動力電池電壓平臺已經(jīng)升級到800V ，當前的OBC 、 DC/DC 及 PDU 等電源產(chǎn)品都需要從400V等級提升至符合 800V 電壓平臺的應用， SiC 器件由于其優(yōu)異的特性也將開始大規(guī)模的應用。除此之外，直流快充樁原本輸出電壓等級為400V，可直接給動力電池充電，但動力電池為800V 后其電壓

不再能夠繼續(xù)充電，因此需要一個額外的升壓產(chǎn)品使400V電壓能夠上升到 800V ，進而給動力電池進行直流快充。在此技術方案下，這個器件需要能夠滿足大功率充電的功率，因此其價值量相比傳統(tǒng)DC/DC 要更大，而電源企業(yè)也將充分受益于此升壓 DC/DC 產(chǎn)品的配置。

電機控制器在800V平臺下由于 SiC 的應用，價值量將有較大提升。

在800V電壓平臺下，根據(jù) ST 測試數(shù)據(jù)， SiC 器件損耗顯著低于 IGBT ，在常用的25% 的負載下其損耗低于IGBT 80% 。碳化硅器件在 800V 電壓平臺下具有顯著的優(yōu)勢，將會很快的推展開來。此外，由于目前SiC MOSFET 單管器件的價格仍為Si IGBT價格的3-5倍，而功率器件是電機控制器中最重要的器件之一，因此也會帶來電機控制器價值量的提升。

在新能源汽車電機控制器當中，電力轉換是通過控制IGBT的開關來實現(xiàn)的。IGBT 受材料本身的局限，較難工作在200℃以上。高功率密度的電機控制器需要高效的電力轉換效率和更高的工作溫度，這對功率器件也提出了更高的要求，如：更低的導通損耗、耐高溫、高導熱能力等。而基于碳化硅（ SiC ）單晶材料的功率器件，具有高頻率、高效率、小體積等優(yōu)點（比 IGBT 功率器件小70%- 80% ），已經(jīng)在特斯拉 Model 3 車型中得到了應用。