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【解析】800V高压系统备受业界关注的主要原因

发布时间:2023年11月3日 | 文章来源:旺材电机与电控 | 浏览次数:434 | 访问原文

过去一年是新能源汽车市场爆发的一年,据中汽协数据,2021年新能源汽车销售352万辆,同比大幅增长157.5%。新能源汽车技术发展迅速,畅销车辆在动力性能、智能化方面、使用成本等方面相对传统燃油车已取得领先优势。但“长途出行续航不够”和“充电不方便”是当下新能源汽车消费者两大痛点,为了延长续航里程,各大厂商纷纷采取加大电池容量的技术方案,并且提供快充方案能有效的解决充电及续航焦虑,新能源汽车800V高压系统技术由此应运而生。
Q
什么是800V高压系统?
800V高压系统的称呼源自于整车电气角度。当前主流新能源整车高压电气系统电压范围一般为230V-450V,取中间值400V,笼统称之为400V系统;而伴随着快充应用,整车高压电气系统电压范围达到550-930V,取中间值800V,可笼统称之为800V系统。800V高压系统的典型特征在于电压平台。快充技术的核心在于提高整车充电功率,要提高整车充电功率,技术手段上要么加大充电流要么提高充电电压,充电电流加大意味着更粗更重的线束、更多的发热量以及更多附属设备瓶颈,而充电电压提升则有更大的设计自由度,这直接推动了400V电压平台向800V电压平台转换。

800V高压系统长什么样,什么性能?我们可以从已经批产的几款800V电动汽车中一窥真容。

2019 年 4 月保时捷 Taycan Turbo S 全球首发,800V全球首款纯电动车型诞生。性能上,最大充电功率可达320kW即一般120kW快充桩的2~3倍;高压动力电池,前驱动电机,后驱动电机,车载充电机和PTC部件均采用了800V电压平台。

1力电池,前驱动电机,后驱动电机,电池加热器,座舱加热器以及高压空调,均采用了800V电压平台。
国内车厂方面,造车新势力和传统汽车厂商的智能电动品牌几乎纷纷“入场”,包括小鹏、理想、零跑、比亚迪e平台3.0、长城沙龙、东风岚图、吉利极氪、北汽极狐、广汽埃安等,如上表所示。
Q
采用800V高压系统比400V系统有什么优势?

第一,充电功率能做到更高,消除充电时间焦虑业界一般认为500A是车规级线束接插件的极限,更高电流的话电气系统设计复杂度将大幅增加,这意味着400V系统下200kW左右的充电功率会成为很多车辆设计的极限;而800V高压系统可以将极限突破到400kW,这种情况下如果按照长续航车辆电池100kWh@20%-80%充电,仅需9分钟,基本等于传统燃油车加油的时间,完全消除充电时间焦虑。

第二,快充系统成本低

市面上也出现基于400V系统的快充,但800V高压系统可以在高功率充电应用下做到更低的系统成本。表1显示了400V系统和800V高压系统车辆总成成本的定性比较,更进一步体现为: 短期内800V充电250kW以上充电功率段,长期看800V充电150kW以上充电功率段,800V高压系统有明显的系统成本优势。

表1  快充应用下车辆总成成本第三,快充充电损耗低

相比400V系统,800V高压系统充电电流小,电池损耗,线束损耗以及充电桩损耗都可以降低,实现充电节能。

第四,车辆行驶环节能耗低

同等电池容量情况下实现更长的续航里程或者同等续航里程情况下可以实现电池容量削减以及总成成本降低。

相比400V系统,一者800V高压系统电池、电驱以及其他高压部件电流小,相关部件损耗和线束损耗以都可以降低;二者伴随着第三代半导体碳化硅技术的引入,各高压部件尤其是电驱部件的能耗可以大幅降低,实现车辆节能行驶。

Q
为什么使用碳化硅半导体相比硅半导体更有什么优势?

碳化硅在功率半导体层级有显著性能优势。相比硅半导体,碳化硅的禁带宽度是硅的3倍,使其具备在高温下稳定工作的能力;碳化硅的电场强度是硅的15倍,使其导通阻抗低,导通能耗降低;碳化硅的电子饱和率是硅的2倍,可以有更快的开关速度,开关能耗降低;碳化硅的导热系数是硅的3.5倍,带来更好的散热性能(见图1)。
图1  半导体级别下SiC和Si的比较这些优势有助于高压部件设计优化和整车优化,主要体现在如下两方面:

第一,碳化硅MOSFET可以大幅提升逆变器效率以及电驱效率,降低整车能耗。

相比400V系统硅IGBT,无论400V系统还是800V高压系统,碳化硅MOSFET逆变器损耗均可以降低50%左右,提升电驱效率继而降低整车能耗。不同级别车辆能耗分析(如图2) 显示:从A00级别到大型SUV级别,碳化硅MOSFET电驱产品可以实现整车电耗降低5%-7%即同等容量电池下续航增加至少5%,看数据可能有点绕,说人话就是省钱。

图2  碳化硅电驱技术对整车能耗影响分析第二,碳化硅MOSFET在800V高压电驱系统应用中具备几乎无可替代的优势。

随着高耐压的IGBT阻抗升高,频率性能下降,由400V系统升高到800V系统后,在同等频率下,Si-IGBT器件的导通损耗、开关损耗都有显著的上升,如果在800V高压系统领域走硅IGBT技术路线的话,就会出现成本上升但效能下降的问题。所以在当下800V高压电驱领域,碳化硅MOSFET是高效电驱的唯一选项。

800V高压系统备受业界关注,原因简要概括有二:

① 以高功率快充实现为市场卖点,

② 以低成本和高效率系统实现为技术卖点。

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