【導讀】對于電動汽車而言，為了縮短充電時間、解決車主的里程焦慮問題，除了使用石墨烯電池和固態(tài)電池，我們還可以通過增加電壓或電流以增加流向電池的功率來達到縮短充電時間的目標。當使用增流方案時，車內(nèi)必須使用更粗的電纜，這樣一來，不僅車體變重，整體成本也會增加。而如果采用增加電壓的方案，隨著電流的降低，車內(nèi)的電纜就可以換成更輕更細的。這就是800V架構(gòu)為電動汽車帶來的好處。800V架構(gòu)也因此被看作是最具前景的能有效縮短電動汽車充電時間的解決方案。
原來1.5小時，現(xiàn)在只需20分鐘就能將電動汽車（EV）從5%的荷電狀態(tài)（SoC）充電至80%，這樣的電動汽車充電方案你喜歡嗎？好消息是，這已經(jīng)不是“畫大餅”，保時捷Taycan通過采用全新的800V系統(tǒng)，就已經(jīng)實現(xiàn)了上述這個電動汽車車主們心心念的愿望。
對于電動汽車而言，為了縮短充電時間、解決車主的里程焦慮問題，除了使用石墨烯電池和固態(tài)電池，我們還可以通過增加電壓或電流以增加流向電池的功率來達到縮短充電時間的目標。當使用增流方案時，車內(nèi)必須使用更粗的電纜，這樣一來，不僅車體變重，整體成本也會增加。而如果采用增加電壓的方案，隨著電流的降低，車內(nèi)的電纜就可以換成更輕更細的。這就是800V架構(gòu)為電動汽車帶來的好處。800V架構(gòu)也因此被看作是最具前景的能有效縮短電動汽車充電時間的解決方案。
圖1：擁有800V系統(tǒng)的保時捷Taycan（圖源：網(wǎng)絡）
800V架構(gòu)為什么優(yōu)于400V？
在電動汽車行業(yè)，聽到最多同時也是影響人們購買意愿的最大障礙就是“里程焦慮”。電動汽車駕駛員在需要充電之前，幾乎都想知道自己還能行駛多遠，在車輛電池耗盡之前在哪里能找到充電站，事實上因充電站的缺乏常常會讓他們陷入里程焦慮。
隨著電動汽車的普及，中國以及美國和歐洲等國家和地區(qū)一直在加速擴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車主的里程焦慮，充電時間過長也是個令人頭疼的問題。以傳統(tǒng)的7kW充電樁為例，以60kWh電池的典型充電時間計算，接近8小時才能從空充到滿。事實上，大多數(shù)電動車主渴望的是一種更接近于在加油站內(nèi)幾分鐘“加滿油”的充電體驗。
今天，大多數(shù)電動汽車都采用了400V架構(gòu)，該技術(shù)已相當成熟。能有效縮短充電時間的800V架構(gòu)可以看作是對400V架構(gòu)的升級。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？這個話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。無論我們用任何代數(shù)的方式重新排列這個方程，結(jié)果都是相同的，即如果增加電壓，電流就會降低。在400V系統(tǒng)中，由于電流高，電纜電阻增大，帶來較大的能量損耗，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。可以說，800V架構(gòu)是治愈電動車駕駛員“里程焦慮”的一項新技術(shù)。
相比400V架構(gòu)，800V的優(yōu)勢體現(xiàn)在兩方面：800V=更快的充電速度；800V=更輕、更高效的車輛。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的兩倍，所以，800V架構(gòu)可以實現(xiàn)更快的充電速度。其次，大電流是增加電池熱量的重要來源，直流快速充電器產(chǎn)生的熱量使400V架構(gòu)的電池過熱，這就是為什么充電速度在80%后會下降的原因。
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)的車輛總質(zhì)量就會比400V的小，進一步提高了車輛的性能和續(xù)航里程。還有一點也非常關(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熱。800V架構(gòu)的這些優(yōu)勢決定了接下來它必定會成為400V架構(gòu)的升級版和繼承者。
電動汽車充電現(xiàn)在有三個級別，分別是：
1級，為120V，常常針對簡單的家用充電設備。 2級，208--240V，常見于公共充電設施。 3級，是指400--900V充電設施。
從中可以看出，800V架構(gòu)的優(yōu)勢僅在3級充電器（超高速充電器）上才能實現(xiàn)。事實上，我們現(xiàn)在談論800V架構(gòu)并非紙上談兵，一些車輛已經(jīng)具有800V架構(gòu)。保時捷Taycan是第一款配備800V系統(tǒng)的在產(chǎn)車輛。與保時捷共同歸屬大眾集團的奧迪公司，其e-tron GT車型共享了Taycan的J1性能平臺，也配備了800V系統(tǒng)。也許有人會說，那些高端車型并不適合普通消費者。令人欣喜的是，800V架構(gòu)已走進中端車型中，比如現(xiàn)代IONIQ 5和起亞EV6，它們都是擁有800V系統(tǒng)的電動汽車。包括通用、雷克薩斯和豐田等，許多汽車制造商已經(jīng)宣布他們的800V電動汽車很快就會問世。
雖然800V架構(gòu)并不是一種全新的充電技術(shù)，但它是電動汽車在下一個升級周期內(nèi)將經(jīng)歷的最大升級之一。不過，凡事都有兩面性，800V系統(tǒng)也有它的缺點，比如設計和工程成本高就是它的硬傷，并因此阻礙了該技術(shù)進入廉價電動汽車市場。
SiC器件是800V架構(gòu)前行的關(guān)鍵
電動汽車剛開始流行時，市場上以22kW充電器為主，車輛要想充滿電可能需要幾個小時，甚至在某些情況下需要通宵充電，這些設備通常安裝在家庭和工作場所。后來，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意。
現(xiàn)在，使用800V、350kW的充電器，電動車主完全可以在7分鐘內(nèi)將64kWh的電池從20%充電到80%。而一個50kW、400V的充電器要完成同樣的工作需要大約1.5小時。舉一個實際的例子，如果保時捷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)過幾十年的發(fā)展，電動汽車取得了長足的進步，改進的電池技術(shù)在電動汽車銷量增長中發(fā)揮了重要作用?，F(xiàn)在，碳化硅（SiC），一種強大的半導體技術(shù)，正在引領電動汽車進入一個性能更優(yōu)、操作更便捷以及性價比更高的新時代。與硅（Si）相比，SiC有很多優(yōu)勢，包括每個管芯面積提供的功率更大、開關(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)，因此它能使電動汽車的性能更好、價格更具競爭力、充電速度更快、電池更小和/或車輛續(xù)航里程更大。
當應用于電動汽車的直流快充方案時，SiC MOSFET和二極管可以降低多達30%的損耗、提供2—3倍的開關(guān)速度，以及增加65%的功率密度。其他優(yōu)勢還包括減少30%的組件以及降低總體系統(tǒng)成本。隨著越來越多的汽車制造商將其設計平臺轉(zhuǎn)移到800V架構(gòu)，SiC器件在EV領域的應用將更加廣泛。
IDTechEx的一份分析報告《Power Electronics for Electric Vehicles 2022–2032》表明，自2021年開始，電動汽車架構(gòu)向SiC MOSFET和800V以上高壓系統(tǒng)的過渡步伐不斷加快。雷諾（Renault）、比亞迪（BYD）和現(xiàn)代（Hyundai）等汽車制造商都宣布了新的800V車輛平臺，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汽車模型Mach E。
SiC功率器件在EV中主要應用于主驅(qū)逆變器、OBC、DC/DC車載電源轉(zhuǎn)換器和大功率DC/DC充電器領域。隨著800V系統(tǒng)的推出，電機控制器的主驅(qū)逆變器很可能從硅基IGBT替換為SiC基MOS模塊?，F(xiàn)在，SiC已成為大功率電動汽車傳動系電子設備、車上和車下電池充電的首選技術(shù)。
針對功率高達或超過150kW的直流電動汽車充電設計，Infineon有一系列高性價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)勢在于支持高頻運行、功率密度高且開關(guān)損耗低，能有效提高各類電池充電系統(tǒng)的效率。
根據(jù)Infineon的測算，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。對于高達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）基開關(guān)相比具有諸多優(yōu)勢，包括1200V級開關(guān)中超低的柵極電荷和器件電容電平、抗換向體二極管無反向恢復損耗、獨立于溫度的低開關(guān)損耗以及無閾值導通特性，非常適用于硬開關(guān)和諧振開關(guān)拓撲結(jié)構(gòu)，如功率因子校正（PFC）電路、雙向拓撲以及DC-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，支持更高頻運行以及高功率密度，模塊化設計有助于縮短直流快充設計人員的開發(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)在的公共基礎設施大多不支持800V直流快速充電。Vicor公司認為，目前要將所有充電站進行升級不是一個短期就能解決的方案，他們提出了一種投資相對較小、執(zhí)行容易、能快速緩解眼下困境的方案——車載轉(zhuǎn)換解決方案。該方案可以實現(xiàn)400V和800V電動汽車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，為電動汽車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展的車載解決方案。NBM6123是一個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進行，還可以在800V充電期間為空調(diào)和機艙電子設備提供400V電源。
圖4：可實現(xiàn)400V和800V固定比率轉(zhuǎn)換的Vicor高性能汽車電源模塊（圖源：Vicor）
其實，早在2019年9月，德爾福就推出了可量產(chǎn)的800V碳化硅（SiC）AC/DC逆變器，該產(chǎn)品可以賦能電壓高達800V的電氣系統(tǒng)，相比如今400V系統(tǒng)，能大幅延長電動汽車（EV）的行駛里程并將充電時間縮短一半。該公司不久前與一家全球領先的OEM公司達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，最大的缺點是系統(tǒng)需要新的工程設計，800對400不是簡單的數(shù)字翻倍。其次是在工程上的限制。對于接觸器、連接器以及電纜等部件而言，高電壓將會帶來安全和可靠性等一系列問題。相比400V架構(gòu)，800V架構(gòu)需要滿足更嚴格的隔離和防護要求，而這會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)量增加隨之會轉(zhuǎn)變?yōu)閷δ馨踩奶魬?zhàn)。因此，現(xiàn)有的400V電動汽車不能通過更換一些零件而轉(zhuǎn)換為800V系統(tǒng)。另一個不容忽視的問題是，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充電樁將是電動汽車車主面臨的一個挑戰(zhàn)。
為了應對上述大多數(shù)挑戰(zhàn)，NXP公司提供了一個頗具創(chuàng)新性的解決方案——可切換架構(gòu)，即：在電池充電時，將電壓從原來的400V轉(zhuǎn)變?yōu)?00V。該解決方案中，電池組由2個400V電池組成，這兩個電池在日常使用時并聯(lián)連接，并使用標準的400V傳動系統(tǒng)組件，如逆變器和車載充電器，同時電池容量和里程不會受到影響。
在充電期間，系統(tǒng)中的BMS將這兩個電池切換至串聯(lián)配置，從而將電壓提升至800V，同時降低電流，縮短充電時間。2x400V / 800V可切換電池架構(gòu)為OEM提供了一個兩全其美的解決方案，既保證了更高的行駛里程，又能實現(xiàn)快速充電，并且不會產(chǎn)生額外的傳動系統(tǒng)組件成本。
NXP S32K3系列控制器是一款高度可擴展且應用廣泛的可擴展32位MCU，它基于工作頻率達240MHz的Arm Cortex-M7內(nèi)核，內(nèi)存可擴展，最高支持8MB的Flash，符合ASIL B和D等級以及ISO26262功能安全標準和ISO 21434網(wǎng)絡安全標準。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)，設計人員可將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)的未來展望
隨著世界各國立法最終禁止銷售汽油和柴油汽車，許多汽車公司正在加大電動汽車的產(chǎn)量。福特公司承諾到2030年將其歐洲市場的所有乘用車轉(zhuǎn)向電動。市場研究公司IHS Markit報告稱，在汽車制造商和全球政府的支持下，到2025年，全球汽車產(chǎn)量的45%將實現(xiàn)電氣化?，F(xiàn)在每年大約售出4,600萬輛電動汽車，IHS Markit估計到2030年，這一數(shù)字將增長57%（約6,200萬輛）。
石墨烯是一種新興材料，電動汽車的800V架構(gòu)對于石墨烯電池來說簡直是天作之合。與充電速度更快的電池配對，理論上800V可以在10分鐘或更短的時間內(nèi)提供10—80%的電量。換言之，你可以在10分鐘內(nèi)達到200英里或更長的行駛距離，這比現(xiàn)在的直流快充快多了。
根據(jù)國際能源署（IEA）的報告，2021年第一季度電動汽車（EV）銷量同比增長約140%。若要保持這一勢頭，關(guān)鍵是要讓電動汽車用起來和傳統(tǒng)汽車一樣方便，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)果是車內(nèi)電纜更輕、車輛的總質(zhì)量更小，這就自然地增加了EV的續(xù)航里程。其次，如果電動汽車具有800V充電系統(tǒng)，并且充電樁可以與之匹配，則充電時間會顯著縮短，甚至會使汽車充電速度提升2倍。
盡管現(xiàn)在大多數(shù)電動汽車使用的是400V系統(tǒng)，但800V必將成為下一代電動汽車技術(shù)；到2025年，大多數(shù)電動汽車企業(yè)將轉(zhuǎn)向800V平臺。這些都是業(yè)界對800V技術(shù)寄予的期望。
(來源：貿(mào)澤電子)
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