【導(dǎo)讀】對(duì)于電動(dòng)汽車(chē)而言，為了縮短充電時(shí)間、解決車(chē)主的里程焦慮問(wèn)題，除了使用石墨烯電池和固態(tài)電池，我們還可以通過(guò)增加電壓或電流以增加流向電池的功率來(lái)達(dá)到縮短充電時(shí)間的目標(biāo)。當(dāng)使用增流方案時(shí)，車(chē)內(nèi)必須使用更粗的電纜，這樣一來(lái)，不僅車(chē)體變重，整體成本也會(huì)增加。而如果采用增加電壓的方案，隨著電流的降低，車(chē)內(nèi)的電纜就可以換成更輕更細(xì)的。這就是800V架構(gòu)為電動(dòng)汽車(chē)帶來(lái)的好處。800V架構(gòu)也因此被看作是最具前景的能有效縮短電動(dòng)汽車(chē)充電時(shí)間的解決方案。
原來(lái)1.5小時(shí)，現(xiàn)在只需20分鐘就能將電動(dòng)汽車(chē)（EV）從5%的荷電狀態(tài)（SoC）充電至80%，這樣的電動(dòng)汽車(chē)充電方案你喜歡嗎？好消息是，這已經(jīng)不是“畫(huà)大餅”，保時(shí)捷Taycan通過(guò)采用全新的800V系統(tǒng)，就已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了上述這個(gè)電動(dòng)汽車(chē)車(chē)主們心心念的愿望。
對(duì)于電動(dòng)汽車(chē)而言，為了縮短充電時(shí)間、解決車(chē)主的里程焦慮問(wèn)題，除了使用石墨烯電池和固態(tài)電池，我們還可以通過(guò)增加電壓或電流以增加流向電池的功率來(lái)達(dá)到縮短充電時(shí)間的目標(biāo)。當(dāng)使用增流方案時(shí)，車(chē)內(nèi)必須使用更粗的電纜，這樣一來(lái)，不僅車(chē)體變重，整體成本也會(huì)增加。而如果采用增加電壓的方案，隨著電流的降低，車(chē)內(nèi)的電纜就可以換成更輕更細(xì)的。這就是800V架構(gòu)為電動(dòng)汽車(chē)帶來(lái)的好處。800V架構(gòu)也因此被看作是最具前景的能有效縮短電動(dòng)汽車(chē)充電時(shí)間的解決方案。
圖1：擁有800V系統(tǒng)的保時(shí)捷Taycan（圖源：網(wǎng)絡(luò)）
800V架構(gòu)為什么優(yōu)于400V？
在電動(dòng)汽車(chē)行業(yè)，聽(tīng)到最多同時(shí)也是影響人們購(gòu)買(mǎi)意愿的最大障礙就是“里程焦慮”。電動(dòng)汽車(chē)駕駛員在需要充電之前，幾乎都想知道自己還能行駛多遠(yuǎn)，在車(chē)輛電池耗盡之前在哪里能找到充電站，事實(shí)上因充電站的缺乏常常會(huì)讓他們陷入里程焦慮。
隨著電動(dòng)汽車(chē)的普及，中國(guó)以及美國(guó)和歐洲等國(guó)家和地區(qū)一直在加速擴(kuò)大直流充電樁的覆蓋范圍，使得這種“焦慮癥”已有所緩解。然而，僅僅增加充電站本身并不能完全治愈電動(dòng)車(chē)主的里程焦慮，充電時(shí)間過(guò)長(zhǎng)也是個(gè)令人頭疼的問(wèn)題。以傳統(tǒng)的7kW充電樁為例，以60kWh電池的典型充電時(shí)間計(jì)算，接近8小時(shí)才能從空充到滿(mǎn)。事實(shí)上，大多數(shù)電動(dòng)車(chē)主渴望的是一種更接近于在加油站內(nèi)幾分鐘“加滿(mǎn)油”的充電體驗(yàn)。
今天，大多數(shù)電動(dòng)汽車(chē)都采用了400V架構(gòu)，該技術(shù)已相當(dāng)成熟。能有效縮短充電時(shí)間的800V架構(gòu)可以看作是對(duì)400V架構(gòu)的升級(jí)。那么，800V架構(gòu)究竟是一種什么技術(shù)？它又是如何解鎖更快的充電速度呢？這個(gè)話(huà)題要從著名的歐姆定律談起。
根據(jù)歐姆定律：電壓=電流*電阻。無(wú)論我們用任何代數(shù)的方式重新排列這個(gè)方程，結(jié)果都是相同的，即如果增加電壓，電流就會(huì)降低。在400V系統(tǒng)中，由于電流高，電纜電阻增大，帶來(lái)較大的能量損耗，在快速充電速度下效率不是很高。800V比400V的效率高，在消耗相同電量的情況下，能量損失更少，充電速度自然就加快了?？梢哉f(shuō)，800V架構(gòu)是治愈電動(dòng)車(chē)駕駛員“里程焦慮”的一項(xiàng)新技術(shù)。
相比400V架構(gòu)，800V的優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在兩方面：800V=更快的充電速度；800V=更輕、更高效的車(chē)輛。首先，因流向電池組的電壓加倍，理論上充電速度就可以提升至原來(lái)的兩倍，所以，800V架構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)更快的充電速度。其次，大電流是增加電池?zé)崃康闹匾獊?lái)源，直流快速充電器產(chǎn)生的熱量使400V架構(gòu)的電池過(guò)熱，這就是為什么充電速度在80%后會(huì)下降的原因。
另外，根據(jù)歐姆定律，800V架構(gòu)可將充電電流減半，意味著車(chē)輛中的電纜和電氣部件都將變得更薄、更小、更輕，800V架構(gòu)的車(chē)輛總質(zhì)量就會(huì)比400V的小，進(jìn)一步提高了車(chē)輛的性能和續(xù)航里程。還有一點(diǎn)也非常關(guān)鍵，在800V架構(gòu)中，電池單元是串聯(lián)連接的，這種調(diào)整提高了熱效率，防止電池在較高充電速度下過(guò)熱。800V架構(gòu)的這些優(yōu)勢(shì)決定了接下來(lái)它必定會(huì)成為400V架構(gòu)的升級(jí)版和繼承者。
電動(dòng)汽車(chē)充電現(xiàn)在有三個(gè)級(jí)別，分別是：
1級(jí)，為120V，常常針對(duì)簡(jiǎn)單的家用充電設(shè)備。 2級(jí)，208--240V，常見(jiàn)于公共充電設(shè)施。 3級(jí)，是指400--900V充電設(shè)施。
從中可以看出，800V架構(gòu)的優(yōu)勢(shì)僅在3級(jí)充電器（超高速充電器）上才能實(shí)現(xiàn)。事實(shí)上，我們現(xiàn)在談?wù)?00V架構(gòu)并非紙上談兵，一些車(chē)輛已經(jīng)具有800V架構(gòu)。保時(shí)捷Taycan是第一款配備800V系統(tǒng)的在產(chǎn)車(chē)輛。與保時(shí)捷共同歸屬大眾集團(tuán)的奧迪公司，其e-tron GT車(chē)型共享了Taycan的J1性能平臺(tái)，也配備了800V系統(tǒng)。也許有人會(huì)說(shuō)，那些高端車(chē)型并不適合普通消費(fèi)者。令人欣喜的是，800V架構(gòu)已走進(jìn)中端車(chē)型中，比如現(xiàn)代IONIQ 5和起亞EV6，它們都是擁有800V系統(tǒng)的電動(dòng)汽車(chē)。包括通用、雷克薩斯和豐田等，許多汽車(chē)制造商已經(jīng)宣布他們的800V電動(dòng)汽車(chē)很快就會(huì)問(wèn)世。
雖然800V架構(gòu)并不是一種全新的充電技術(shù)，但它是電動(dòng)汽車(chē)在下一個(gè)升級(jí)周期內(nèi)將經(jīng)歷的最大升級(jí)之一。不過(guò)，凡事都有兩面性，800V系統(tǒng)也有它的缺點(diǎn)，比如設(shè)計(jì)和工程成本高就是它的硬傷，并因此阻礙了該技術(shù)進(jìn)入廉價(jià)電動(dòng)汽車(chē)市場(chǎng)。
SiC器件是800V架構(gòu)前行的關(guān)鍵
電動(dòng)汽車(chē)剛開(kāi)始流行時(shí)，市場(chǎng)上以22kW充電器為主，車(chē)輛要想充滿(mǎn)電可能需要幾個(gè)小時(shí)，甚至在某些情況下需要通宵充電，這些設(shè)備通常安裝在家庭和工作場(chǎng)所。后來(lái)，在公共區(qū)域安裝了50kW的“快速充電”充電樁，但充電速度仍然不能令人滿(mǎn)意。
現(xiàn)在，使用800V、350kW的充電器，電動(dòng)車(chē)主完全可以在7分鐘內(nèi)將64kWh的電池從20%充電到80%。而一個(gè)50kW、400V的充電器要完成同樣的工作需要大約1.5小時(shí)。舉一個(gè)實(shí)際的例子，如果保時(shí)捷Taycan連接到能夠提供800V和最小300A的充電器，在22分鐘內(nèi)就能將電池電量從5%充到80%。
經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，電動(dòng)汽車(chē)取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，改進(jìn)的電池技術(shù)在電動(dòng)汽車(chē)銷(xiāo)量增長(zhǎng)中發(fā)揮了重要作用?，F(xiàn)在，碳化硅（SiC），一種強(qiáng)大的半導(dǎo)體技術(shù)，正在引領(lǐng)電動(dòng)汽車(chē)進(jìn)入一個(gè)性能更優(yōu)、操作更便捷以及性?xún)r(jià)比更高的新時(shí)代。與硅（Si）相比，SiC有很多優(yōu)勢(shì)，包括每個(gè)管芯面積提供的功率更大、開(kāi)關(guān)速度更高、能效更高、熱性能更好，從而產(chǎn)生更小、更輕、成本更低的功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，因此它能使電動(dòng)汽車(chē)的性能更好、價(jià)格更具競(jìng)爭(zhēng)力、充電速度更快、電池更小和/或車(chē)輛續(xù)航里程更大。
當(dāng)應(yīng)用于電動(dòng)汽車(chē)的直流快充方案時(shí)，SiC MOSFET和二極管可以降低多達(dá)30%的損耗、提供2—3倍的開(kāi)關(guān)速度，以及增加65%的功率密度。其他優(yōu)勢(shì)還包括減少30%的組件以及降低總體系統(tǒng)成本。隨著越來(lái)越多的汽車(chē)制造商將其設(shè)計(jì)平臺(tái)轉(zhuǎn)移到800V架構(gòu)，SiC器件在EV領(lǐng)域的應(yīng)用將更加廣泛。
IDTechEx的一份分析報(bào)告《Power Electronics for Electric Vehicles 2022–2032》表明，自2021年開(kāi)始，電動(dòng)汽車(chē)架構(gòu)向SiC MOSFET和800V以上高壓系統(tǒng)的過(guò)渡步伐不斷加快。雷諾（Renault）、比亞迪（BYD）和現(xiàn)代（Hyundai）等汽車(chē)制造商都宣布了新的800V車(chē)輛平臺(tái)，并將在其功率電子器件中采用SiC MOSFET。福特還與特斯拉、比亞迪和豐田一起推出了一款包含SiC電力電子器件的電動(dòng)汽車(chē)模型Mach E。
SiC功率器件在EV中主要應(yīng)用于主驅(qū)逆變器、OBC、DC/DC車(chē)載電源轉(zhuǎn)換器和大功率DC/DC充電器領(lǐng)域。隨著800V系統(tǒng)的推出，電機(jī)控制器的主驅(qū)逆變器很可能從硅基IGBT替換為SiC基MOS模塊?，F(xiàn)在，SiC已成為大功率電動(dòng)汽車(chē)傳動(dòng)系電子設(shè)備、車(chē)上和車(chē)下電池充電的首選技術(shù)。
針對(duì)功率高達(dá)或超過(guò)150kW的直流電動(dòng)汽車(chē)充電設(shè)計(jì)，Infineon有一系列高性?xún)r(jià)比的分立式和模塊產(chǎn)品可供選擇，其中包括600V CoolMOS超結(jié)MOSFET P7和CFD7系列、650V IGBT TRENCHSTOP 5和1200V CoolSiC MOSFET。CoolMOS和CoolSiC MOSFET的突出優(yōu)勢(shì)在于支持高頻運(yùn)行、功率密度高且開(kāi)關(guān)損耗低，能有效提高各類(lèi)電池充電系統(tǒng)的效率。
根據(jù)Infineon的測(cè)算，借助350kW的大功率直流充電系統(tǒng)，續(xù)航200公里需要充電大約7分鐘，非常有助于免除人們的續(xù)航里程焦慮。對(duì)于高達(dá)350kW的充電器，Infineon的CoolSiC MOSFET和二極管、功率模塊（例如CoolSiC Easy模塊）都能提供強(qiáng)有力的支撐。
其中，采用TO247-4封裝的CoolSiC 1200V MOSFET與IGBT和MOSFET等傳統(tǒng)硅（Si）基開(kāi)關(guān)相比具有諸多優(yōu)勢(shì)，包括1200V級(jí)開(kāi)關(guān)中超低的柵極電荷和器件電容電平、抗換向體二極管無(wú)反向恢復(fù)損耗、獨(dú)立于溫度的低開(kāi)關(guān)損耗以及無(wú)閾值導(dǎo)通特性，非常適用于硬開(kāi)關(guān)和諧振開(kāi)關(guān)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如功率因子校正（PFC）電路、雙向拓?fù)湟约癉C-DC轉(zhuǎn)換器或DC-AC逆變器。
圖2：Infineon CoolSiC 1200V溝槽式碳化硅MOSFET（圖源：Infineon）
采用了CoolSiC MOSFET、NTC溫度傳感器、PressFIT壓接工藝和氮化鋁陶瓷的Infineon EasyDUAL 2B 1200V、6mΩ半橋模塊，效率極高，冷卻要求很低，支持更高頻運(yùn)行以及高功率密度，模塊化設(shè)計(jì)有助于縮短直流快充設(shè)計(jì)人員的開(kāi)發(fā)周期。
圖3：Infineon EasyDUAL 2B 1200V模塊（圖源：Infineon）
800V架構(gòu)雖然很優(yōu)秀，但現(xiàn)在的公共基礎(chǔ)設(shè)施大多不支持800V直流快速充電。Vicor公司認(rèn)為，目前要將所有充電站進(jìn)行升級(jí)不是一個(gè)短期就能解決的方案，他們提出了一種投資相對(duì)較小、執(zhí)行容易、能快速緩解眼下困境的方案——車(chē)載轉(zhuǎn)換解決方案。該方案可以實(shí)現(xiàn)400V和800V電動(dòng)汽車(chē)電池與公共充電站之間的兼容性。 在Vicor的方案中，NBM6123在61 x 23mm CM ChiP封裝中提供6kW的400V和800V固定比率轉(zhuǎn)換，為電動(dòng)汽車(chē)電池和公共直流快速充電站之間的兼容性提供高密度可擴(kuò)展的車(chē)載解決方案。NBM6123是一個(gè)具有雙向能力的模塊，升壓或降壓轉(zhuǎn)換可使用相同的模塊來(lái)進(jìn)行，還可以在800V充電期間為空調(diào)和機(jī)艙電子設(shè)備提供400V電源。
圖4：可實(shí)現(xiàn)400V和800V固定比率轉(zhuǎn)換的Vicor高性能汽車(chē)電源模塊（圖源：Vicor）
其實(shí)，早在2019年9月，德?tīng)柛＞屯瞥隽丝闪慨a(chǎn)的800V碳化硅（SiC）AC/DC逆變器，該產(chǎn)品可以賦能電壓高達(dá)800V的電氣系統(tǒng)，相比如今400V系統(tǒng)，能大幅延長(zhǎng)電動(dòng)汽車(chē)（EV）的行駛里程并將充電時(shí)間縮短一半。該公司不久前與一家全球領(lǐng)先的OEM公司達(dá)成了一筆具有里程碑意義的27億美元訂單，用于在八年內(nèi)批量生產(chǎn)該技術(shù)。
強(qiáng)大的800V架構(gòu)還有哪些挑戰(zhàn)？
800V架構(gòu)很好，然而，它也有短板，最大的缺點(diǎn)是系統(tǒng)需要新的工程設(shè)計(jì)，800對(duì)400不是簡(jiǎn)單的數(shù)字翻倍。其次是在工程上的限制。對(duì)于接觸器、連接器以及電纜等部件而言，高電壓將會(huì)帶來(lái)安全和可靠性等一系列問(wèn)題。相比400V架構(gòu)，800V架構(gòu)需要滿(mǎn)足更嚴(yán)格的隔離和防護(hù)要求，而這會(huì)提高解決方案的成本。
此外，將電池電壓從400V增加至800V，不可避免地要增加系統(tǒng)中的電池傳感器件，即電池單元控制器（BCC）。而傳感器件的數(shù)量增加隨之會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)閷?duì)功能安全的挑戰(zhàn)。因此，現(xiàn)有的400V電動(dòng)汽車(chē)不能通過(guò)更換一些零件而轉(zhuǎn)換為800V系統(tǒng)。另一個(gè)不容忽視的問(wèn)題是，正在使用的大多數(shù)直流充電樁都不支持300kW以上的充電需求，尋找800V充電樁將是電動(dòng)汽車(chē)車(chē)主面臨的一個(gè)挑戰(zhàn)。
為了應(yīng)對(duì)上述大多數(shù)挑戰(zhàn)，NXP公司提供了一個(gè)頗具創(chuàng)新性的解決方案——可切換架構(gòu)，即：在電池充電時(shí)，將電壓從原來(lái)的400V轉(zhuǎn)變?yōu)?00V。該解決方案中，電池組由2個(gè)400V電池組成，這兩個(gè)電池在日常使用時(shí)并聯(lián)連接，并使用標(biāo)準(zhǔn)的400V傳動(dòng)系統(tǒng)組件，如逆變器和車(chē)載充電器，同時(shí)電池容量和里程不會(huì)受到影響。
在充電期間，系統(tǒng)中的BMS將這兩個(gè)電池切換至串聯(lián)配置，從而將電壓提升至800V，同時(shí)降低電流，縮短充電時(shí)間。2x400V / 800V可切換電池架構(gòu)為OEM提供了一個(gè)兩全其美的解決方案，既保證了更高的行駛里程，又能實(shí)現(xiàn)快速充電，并且不會(huì)產(chǎn)生額外的傳動(dòng)系統(tǒng)組件成本。
NXP S32K3系列控制器是一款高度可擴(kuò)展且應(yīng)用廣泛的可擴(kuò)展32位MCU，它基于工作頻率達(dá)240MHz的Arm Cortex-M7內(nèi)核，內(nèi)存可擴(kuò)展，最高支持8MB的Flash，符合ASIL B和D等級(jí)以及ISO26262功能安全標(biāo)準(zhǔn)和ISO 21434網(wǎng)絡(luò)安全標(biāo)準(zhǔn)。S32K3系列控制器支持400V和800V架構(gòu)以及新型可切換架構(gòu)。為了創(chuàng)建更靈活的高效架構(gòu)，設(shè)計(jì)人員可將NXP S32K3 BMS處理器與MC33665BMS收發(fā)器/網(wǎng)關(guān)IC結(jié)合使用。
圖5：用于400V轉(zhuǎn)變?yōu)?00V切換架構(gòu)的NXP S32K3系列控制器（圖源：NXP）
800V技術(shù)的未來(lái)展望
隨著世界各國(guó)立法最終禁止銷(xiāo)售汽油和柴油汽車(chē)，許多汽車(chē)公司正在加大電動(dòng)汽車(chē)的產(chǎn)量。福特公司承諾到2030年將其歐洲市場(chǎng)的所有乘用車(chē)轉(zhuǎn)向電動(dòng)。市場(chǎng)研究公司IHS Markit報(bào)告稱(chēng)，在汽車(chē)制造商和全球政府的支持下，到2025年，全球汽車(chē)產(chǎn)量的45%將實(shí)現(xiàn)電氣化。現(xiàn)在每年大約售出4,600萬(wàn)輛電動(dòng)汽車(chē)，IHS Markit估計(jì)到2030年，這一數(shù)字將增長(zhǎng)57%（約6,200萬(wàn)輛）。
石墨烯是一種新興材料，電動(dòng)汽車(chē)的800V架構(gòu)對(duì)于石墨烯電池來(lái)說(shuō)簡(jiǎn)直是天作之合。與充電速度更快的電池配對(duì)，理論上800V可以在10分鐘或更短的時(shí)間內(nèi)提供10—80%的電量。換言之，你可以在10分鐘內(nèi)達(dá)到200英里或更長(zhǎng)的行駛距離，這比現(xiàn)在的直流快充快多了。
根據(jù)國(guó)際能源署（IEA）的報(bào)告，2021年第一季度電動(dòng)汽車(chē)（EV）銷(xiāo)量同比增長(zhǎng)約140%。若要保持這一勢(shì)頭，關(guān)鍵是要讓電動(dòng)汽車(chē)用起來(lái)和傳統(tǒng)汽車(chē)一樣方便，而這正是大功率直流充電的用武之地。
首先，較高電壓的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)能夠以較小的電流提供相同的功率，最終的結(jié)果是車(chē)內(nèi)電纜更輕、車(chē)輛的總質(zhì)量更小，這就自然地增加了EV的續(xù)航里程。其次，如果電動(dòng)汽車(chē)具有800V充電系統(tǒng)，并且充電樁可以與之匹配，則充電時(shí)間會(huì)顯著縮短，甚至?xí)蛊?chē)充電速度提升2倍。
盡管現(xiàn)在大多數(shù)電動(dòng)汽車(chē)使用的是400V系統(tǒng)，但800V必將成為下一代電動(dòng)汽車(chē)技術(shù)；到2025年，大多數(shù)電動(dòng)汽車(chē)企業(yè)將轉(zhuǎn)向800V平臺(tái)。這些都是業(yè)界對(duì)800V技術(shù)寄予的期望。
(來(lái)源：貿(mào)澤電子)
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