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電動(dòng)汽車采用更高電池電壓的驅(qū)動(dòng)因素

（2025年5月21日更新）

許多國(guó)家和地區(qū)正在頒布增加電動(dòng)汽車的立法(EV)目標(biāo)是逐步淘汰或最終禁止使用汽油和柴油汽車。雖然早期品嘗者可能會(huì)因?yàn)榄h(huán)保效益而購(gòu)買汽車，但市場(chǎng)上仍有相當(dāng)多的人關(guān)注電動(dòng)汽車的里程限制和充電時(shí)間。

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汽車行業(yè)面臨著不斷提供創(chuàng)新的解決方案來(lái)吸引更多的觀眾，這正在推動(dòng)提高電池電壓的發(fā)展趨勢(shì)。目前，道路上的乘用車大多使用400輛V電池。電動(dòng)巴士和電動(dòng)卡車是600V乘用車開(kāi)始使用800級(jí)車輛V電池。

與現(xiàn)有的400相比V系統(tǒng)，800V系統(tǒng)的推出是一個(gè)很大的進(jìn)步，推出速度比很多人預(yù)期的要快。V該系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是什么？它們?nèi)绾螏椭鉀Q一些阻礙消費(fèi)者和減緩電動(dòng)汽車推廣的問(wèn)題？

800V電池如何影響車輛設(shè)計(jì)？

無(wú)刷直流電機(jī)的核心部件是產(chǎn)生直流磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)子(通常是永磁體或直流電樞繞組)和含銅繞組的定子(通過(guò)交流電流)。運(yùn)動(dòng)取決于轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)與定子繞組中時(shí)間控制的電流產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的相互作用。隨著電機(jī)工作電壓的增加，在給定的輸入功率下輸入RMS電流減少，定子繞組銅損耗減少。使用800V電源與400V與電源相比，損減少4倍。這為降低銅繞組線徑提供了機(jī)會(huì)，既降低了總體積，又提高了包裝效率，使電機(jī)更小。800V該系統(tǒng)具有相同較低的電流要求，不僅可以減少電機(jī)銅的損耗，還可以減少整個(gè)系統(tǒng)接線器的損耗，從而節(jié)省重量、空間和成本。

800V該系統(tǒng)通常來(lái)自硅基IGBT轉(zhuǎn)向碳化硅(SiC) MOSFET。SiC由于諧波電流供更高的開(kāi)關(guān)速度，因此開(kāi)關(guān)損耗更低。由于諧波電流的減少，這有助于提高工作頻率，進(jìn)一步減少電機(jī)損耗。

在高端跑車市場(chǎng)提高操控性和加速性，在高端跑車市場(chǎng)非常有價(jià)值。此外，減少損失可以增加與電池直接相關(guān)的范圍，從而降低車輛的相關(guān)成本。騰出的空間可以用來(lái)增加電池組的大小，以增加續(xù)航里程或分配給增加的客艙空間。想要更大的后備箱嗎？小電機(jī)也有幫助。值得注意的是，更大的電池組也會(huì)增加充電時(shí)間，但800V充電優(yōu)勢(shì)可以發(fā)揮。

減輕重量、體積和損失為車輛設(shè)計(jì)師提供了選擇，可以根據(jù)特定的細(xì)分市場(chǎng)平衡成本、性能和范圍。降低成本使解決方案更容易被中端消費(fèi)市場(chǎng)所接受，而不僅僅是高性能車輛。

在考慮轉(zhuǎn)向電動(dòng)汽車時(shí)，里程是關(guān)鍵的決定因素之一。對(duì)一些人來(lái)說(shuō)，這是一個(gè)方便的問(wèn)題，希望使長(zhǎng)途旅行更容易。對(duì)于商用車來(lái)說(shuō)，增加里程意味著更高效的配送路線、更多的道路時(shí)間、更少的車輛覆蓋同一區(qū)域和更低的運(yùn)營(yíng)成本。

800V該系統(tǒng)可縮短充電時(shí)間

給消費(fèi)者充電時(shí)間AKM代理商用車都是挑戰(zhàn)。對(duì)于城市司機(jī)和通勤者來(lái)說(shuō)，在家過(guò)夜充電通常就足夠了。然而，當(dāng)計(jì)劃長(zhǎng)途旅行時(shí)，特別是當(dāng)距離超過(guò)車輛范圍時(shí)，需要計(jì)劃一條可以在適當(dāng)?shù)臅r(shí)間提供充電站的路線。雖然充電樁通常放置在附近的便利設(shè)施中，但仍可能需要排隊(duì)，這是不可接受的。對(duì)于商用車來(lái)說(shuō)，問(wèn)題更為復(fù)雜，因?yàn)榉祷剀囌境潆娀蜃屲囕v在現(xiàn)場(chǎng)充電時(shí)閑置90分鐘會(huì)降低生產(chǎn)力，直接影響企業(yè)利潤(rùn)。

800V如何幫助系統(tǒng)架構(gòu)解決問(wèn)題？正如我們之前提到的，在相同的功率下加倍電壓會(huì)減半電流。在充電過(guò)程中，散熱限制了充電電纜、汽車充電機(jī)入口和內(nèi)部布線。從400V升級(jí)到800V，充電速率可以在相同損耗的情況下翻倍。有幾個(gè)好處。第一個(gè)好處很簡(jiǎn)單，就是減少充電時(shí)間。若充電功率增加一倍，則充電時(shí)間將減少一半，但實(shí)際上改善幅度較小。不明顯的好處是充電站利用率的提高。如果充電車輛的停留時(shí)間減半，使用給定充電機(jī)的車輛數(shù)量將翻倍。

保時(shí)捷和起亞推出了新的全電動(dòng)汽車，其范圍開(kāi)始接近汽油車的中位數(shù)，充電時(shí)間更接近在加油站加油時(shí)快速停車和提貨的時(shí)間。最新部署的一系列充電站的最大額定功率為400kW，對(duì)于800V架構(gòu)綽綽有余。

全電動(dòng)跑車保時(shí)捷Taycan續(xù)航里程420公里(260英里)。它采用800V電池架構(gòu)，300A (240kW)在快速充電站上，從5%充電到80%只需22.5分鐘。還能用4000V充電站，大約需要90分鐘。起亞已宣布推出EV6 800V架構(gòu)車，18分鐘內(nèi)從10%充電到80%，最大功率為239kW，可行駛480公里(300英里)的增程版。

快速充電時(shí)間對(duì)商用車非常重要，因?yàn)樯逃密嚳梢酝ㄟ^(guò)快速充電延長(zhǎng)工作時(shí)間，并將返回車站的完全充電時(shí)間推遲到晚上。重要的是，這些更快的充電時(shí)間也符合許多地區(qū)規(guī)定的30到40分鐘的休息時(shí)間。

800V架構(gòu)的使用速度快于預(yù)期

800汽車市場(chǎng)V架構(gòu)的速度比期的要快。保時(shí)捷一路領(lǐng)先，但不僅僅是跑車 - 起亞和幾家中國(guó)制造商現(xiàn)在提供8000家V汽車。就像汽車市場(chǎng)的典型情況一樣，創(chuàng)新始于高端汽車，隨著技術(shù)變得更加經(jīng)濟(jì)，慢慢進(jìn)入大眾市場(chǎng)。V該系統(tǒng)的處包括節(jié)約成本，中端消費(fèi)市場(chǎng)可以比最初想象的更快地利用成本。

隨著汽車市場(chǎng)的8000，V在架構(gòu)上，我們無(wú)疑會(huì)看到各公司進(jìn)一步推動(dòng)更高電壓系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)。這些優(yōu)勢(shì)正在擴(kuò)大，所以900V更高的電壓可以進(jìn)一步增加這些優(yōu)勢(shì)，甚至更多地促進(jìn)續(xù)航里程、重量和充電時(shí)間的改善。基礎(chǔ)設(shè)施將跟上步伐；新的400kW充電站已經(jīng)朝著這個(gè)方向發(fā)展。

800V系統(tǒng)中電源解決方案的設(shè)計(jì)要點(diǎn)

電動(dòng)汽車中的高壓連接子系統(tǒng)通常需要從高壓到低壓的電源。增加到800V隔離度和電壓額定值較高。

電動(dòng)汽車電池組由許多串聯(lián)/并聯(lián)連接的單體電池組成。每個(gè)單體電池的工作電壓范圍為3.1V至4.2V。對(duì)于標(biāo)稱800V系統(tǒng)約有198個(gè)串聯(lián)電池，總電池組電壓為610V至835V。由于再生制動(dòng)過(guò)程中電壓升高的影響，通常會(huì)增加20V至30V最大電壓為865V。電源內(nèi)部開(kāi)關(guān)的額定值必須明顯高于電壓。對(duì)于反激變換器，必須加150V至200V電壓使開(kāi)關(guān)應(yīng)力達(dá)到1065V。通常的20%降額應(yīng)用至少可以得到1.33kV的規(guī)格。

另一個(gè)重要的設(shè)計(jì)點(diǎn)是需要低壓?jiǎn)?dòng)，通常是30V至40V。車輛安全系統(tǒng)需要先通電，以確保所有控制電子設(shè)備都能在任何東西開(kāi)始移動(dòng)或可能出現(xiàn)故障之前運(yùn)行。工作電壓介于30V到>900V電源可能具有挑戰(zhàn)性。

Power Integrations創(chuàng)新高壓解決方案

Power Integrations (PI)最近發(fā)布了兩個(gè)新的符合AEC-Q額定耐壓1700標(biāo)準(zhǔn)V的IC，為其InnoSwitch3-AQ產(chǎn)品系列增加了新成員。這兩個(gè)新設(shè)備解決了800個(gè)問(wèn)題V上述設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)為汽車領(lǐng)域帶來(lái)了一系列有價(jià)值的功能，為未來(lái)的設(shè)計(jì)提供了更高的電壓。

圖1 InnoSwitch3-AQ 1700V裝置可實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、加強(qiáng)絕緣的汽車電源

這種簡(jiǎn)單的反激變換器設(shè)計(jì)集成了碳化硅開(kāi)關(guān)和初級(jí)和次級(jí)控制器。InnoSwitch3-AQ IC使用FluxLink隔離可以使二次控制器成為主控制器。這種不尋常的結(jié)構(gòu)意味著二次側(cè)決定何時(shí)進(jìn)行初級(jí)開(kāi)關(guān)操作，實(shí)現(xiàn)同步整流，沒(méi)有通常的缺點(diǎn)（如開(kāi)關(guān)時(shí)間不正確），并能響應(yīng)所有故障。

圖2 額定耐壓1700V的InnoSwitch3-AQ沒(méi)有額外的外部元件

InnoSwitch3-AQ具有30V對(duì)于汽車應(yīng)用中的安全系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，啟動(dòng)電壓非常重要。分立解決方案需要在初級(jí)側(cè)添加額外的元件才能實(shí)現(xiàn)30V啟動(dòng)需要相當(dāng)高的成本。連接到高壓母線的每個(gè)元件都必須測(cè)試各種故障模式，因此PI設(shè)備集成度高的優(yōu)點(diǎn)可節(jié)省系統(tǒng)成本，測(cè)試用例最多可減少50%。

減少部件數(shù)量對(duì)電動(dòng)汽車至關(guān)重要。由于部件較少，部件本身導(dǎo)致的故障率降低，焊點(diǎn)較少，可靠性較高。電路板面積的節(jié)省更為明顯，因?yàn)樗鼫p輕了重量，提高了功率密度，可以騰出更多的內(nèi)部空間，這是電動(dòng)汽車市場(chǎng)的重要優(yōu)勢(shì)。

InnoSwitch3-AQ IC獨(dú)特的結(jié)構(gòu)使其位于安全隔離帶上，在這里PCB通常不能使用的空間。實(shí)際上，它可以放在變壓器下面。這種設(shè)計(jì)不占用PCB這對(duì)設(shè)計(jì)工程師來(lái)說(shuō)意義重大。

圖3 可擴(kuò)展性允許相同的設(shè)計(jì)以微小的變化提供不同的功率水平

由于輸出控制精度很高，不需要額外的DC-DC產(chǎn)生更多母線的轉(zhuǎn)換器 - 可以提供設(shè)備本身。由于采用FluxLink架構(gòu)且具有±2%的控制精度，從零負(fù)載到滿載只需要兩個(gè)開(kāi)關(guān)周期，輸出功率從零增加到最大值。這意味著輸出電容也要小得多。由于效率超過(guò)90%，散熱量大大降低，足以節(jié)省外部散熱器。這些特性可以進(jìn)一步減少尺寸、空間和組件的數(shù)量，以及其他更多的好處。

空載功耗通常不是一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)，但對(duì)于總是連接電池的電動(dòng)汽車來(lái)說(shuō)，電池時(shí)間停放后很容易耗盡功耗。InnoSwitch3-AQ裝置的空載功耗小于15mW，確保乘客在機(jī)場(chǎng)返回汽車時(shí)不會(huì)被擱淺。

隨著新的50W和70W添加輸出功率器件，Power Integrations的InnoSwitch3-AQ現(xiàn)在產(chǎn)品系列比較豐富，可以為電動(dòng)汽車提供400輛V、600V、800V設(shè)計(jì)更高的母線電壓。