新能源汽車800V高壓技術解析

新能源汽車在推廣過程中，面臨續駛里程短、充電難、充電慢的問題，通過加大電流及提升系統電壓的方式提升充電效率，大電流會造成部件熱損失高，因此通過提高系統電壓成為提高效率的主流選擇。而電驅系統作為新能源汽車的核心部件，是體現汽車產品性能與核心競爭力的關鍵，當前國內外品牌如：大眾、寶馬、奔馳、比亞迪、吉利、長城等在高壓平臺方面都有所布局，基于高壓平臺的800 V 電驅系統也成為行業重點研究的關鍵技術。

01  800V高壓電驅技術發展趨勢

2019年9月4日，保時捷發布首款純電動跑車—全新Tayca。其中，首批發布的車型版本為全新Taycan(圖片|配置|詢價) Turbo S和全新Taycan Turbo，這2款車型均為“保時捷E驅高效動力”（Porsche E-Performance），代表保時捷純電動量產車Taycan 系列的最高性能。目前，常見的電動車系統電壓為400 V，全新保時捷Taycan 是第一款系統電壓達到800 V的量產車型。該車型采用雙電機四輪驅動配置（表1），其搭載了源自勒芒冠軍賽車919 Hybrid 的800 V技術配合雙永磁同步電機與后軸兩速變速器，兼顧性能與續駛里程雙優的需求。800 V三電系統電耗低，內置升壓器，提高持續輸出功率，增大充電功率，縮短充電時間，降低系統質量，前后驅動雙電機均采用交流永磁同步電機，采用HairPin發卡式繞組工藝，槽滿率高達70%，局部采用激光焊接。保時捷宣布Taycan可以支持連續10次以上的彈射起步，且不會出現轉矩輸出額，其電機熱性能設計能力較好。

表1 保時捷Taycan電驅動系統技術指標

2020年12月2日，現代汽車集團全球首發了全新電動汽車專用模塊化平臺E-GMP（Electric-Global Modular Platform，E-GMP）。平臺采用800 V電壓電氣架構，雙向充電，充電功率可達350kW，18 min內即可充電80%，充電5 min可行駛100km?，F代汽車表示，其集成充電控制裝置（Integrated Charge Control Unit,ICCU）是全球首個通過電機和逆變器將400 V 提升到800 V，實現以400 V快速充電樁為800 V電池穩定充電的專利技術。2021年，采埃孚、比亞迪、吉利、北汽、長安、廣汽、東風、小鵬等相繼跟進發布800 V 高壓平臺架構，車型有望在2022年陸續啟動量產。800 V高壓電驅動系統即將迎來爆發式增長。

02  相比400V系統有什么優勢？

第一，充電功率能做到更高，消除充電時間焦慮。業界一般認為500A是車規級線束接插件的極限，更高電流的話電氣系統設計復雜度將大幅增加，這意味著400V系統下200kW左右的充電功率會成為很多車輛設計的極限；而800V高壓系統可以將極限突破到400kW，這種情況下如果按照長續航車輛電池100kWh@20%-80%充電，僅需9分鐘，基本等于傳統燃油車加油的時間，完全消除充電時間焦慮。

第二，快充系統成本低。市面上也出現基于400V系統的快充，但800V高壓系統可以在高功率充電應用下做到更低的系統成本。表1顯示了400V系統和800V高壓系統車輛總成成本的定性比較，更進一步體現為: 短期內800V充電250kW以上充電功率段，長期看800V充電150kW以上充電功率段，800V高壓系統有明顯的系統成本優勢。

表1  快充應用下車輛總成成本

第三，快充充電損耗低。相比400V系統，800V高壓系統充電電流小，電池損耗，線束損耗以及充電樁損耗都可以降低，實現充電節能。

第四，車輛行駛環節能耗低，同等電池容量情況下實現更長的續航里程或者同等續航里程情況下可以實現電池容量削減以及總成成本降低。

相比400V系統，一者800V高壓系統電池、電驅以及其他高壓部件電流小，相關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體碳化硅技術的引入，各高壓部件尤其是電驅部件的能耗可以大幅降低，實現車輛節能行駛。

03  從400V到800V，哪些零部件和元器件需要升級？

車企應用800V平臺架構，需要對其核心三電技術以及功率器件的耐壓、損耗、抗熱的要求更高：

1. 電機方面

具體來看有以下幾點：

軸電壓的產生：電機控制器供電為變頻電源，含有高次諧波分量，逆變器、定子繞組、機殼形成回路，產生感應電壓，稱為共模電壓，在此回路上產生高頻電流。由于電磁感應原理，電機軸兩端形成感應電壓，成為軸電壓，一般來說無法避免。

轉子、電機軸、軸承形成閉合回路，軸承滾珠與滾道內表面為點接觸，若軸電壓過高，容易擊穿油膜后形成回路，軸電流出現導致軸承腐蝕。

800V的逆變器應用SiC，導致電壓變化頻率高，軸電流增大，軸承防腐蝕要求增加。

同時，由于電壓/開關頻率增加，800V電機內部的絕緣/EMC防護等級要求提升。

800V應用SiC造成軸電流增加大而擊穿油膜風險增加

2.電控方面

以Si-IGBT為例，450V下其耐壓為650V，若汽車電氣架構升級至800V，考慮開關電壓開關過載等因素，對應功率半導體耐壓等級需達1200V，而高電壓下Si-IGBT的開關/導通損耗急劇升高，面臨成本上升而能效下降的問題。

除此以外，SiC功率器件還在車載充電器、充電樁等有所應用，具有實現高功率密度與優化系統總成本的優點，其技術可以有效地提升800V電驅動系統電機和電控的整體效率，滿足應用的兼容性和可靠性要求。

車/樁上功率半導體均有望從Si基轉向SiC

3.電池方面

動力電池快充性能的掣肘在于負極，一方面石墨材料的層狀結構，導致鋰離子只能從端面進入，導致離子傳輸路徑長；另一方面石墨電極電位低，高倍率快充下石墨電極極化大，電位容易降到0V以下而析鋰。所以，對電池負極快充性能要求提升勢在必行。

4.連接器+線束

平臺架構從400V升級至800V要求連接器重新選型，連接器數量可能增加（增加大功率快充接口）；在同等功率條件下，電壓提高，電流減小，線纜耐壓性提高、體積減下。

5.濾波系統

主要包括電容和磁環，原濾波系統基于400V架構設計，升級800V后EMC輻射量會變化，整車濾波系統需重新設計。

6.繼電器

升級800V平臺要求繼電器耐壓性提升，現有部分繼電器能夠兼容高電壓。