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過去一年是新能源汽車市場(chǎng)爆發(fā)的一年，據(jù)中汽協(xié)數(shù)據(jù)，2021年新能源汽車銷售352萬輛，同比大幅增長(zhǎng)157.5%。新能源汽車技術(shù)發(fā)展迅速，暢銷車輛在動(dòng)力性能、智能化方面、使用成本等方面相對(duì)傳統(tǒng)燃油車已取得領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)。但“長(zhǎng)途出行續(xù)航不夠”和“充電不方便”是當(dāng)下新能源汽車消費(fèi)者兩大痛點(diǎn)，為了延長(zhǎng)續(xù)航里程，各大廠商紛紛采取加大電池容量的技術(shù)方案，并且提供快充方案能有效地解決充電及續(xù)航焦慮，新能源汽車800V高壓系統(tǒng)技術(shù)由此應(yīng)運(yùn)而生。

什么是800V高壓系統(tǒng)?

800V高壓系統(tǒng)的稱呼源自于整車電氣角度。當(dāng)前主流新能源整車高壓電氣系統(tǒng)電壓范圍一般為230V-450V，取中間值400V，籠統(tǒng)稱之為400V系統(tǒng)；而伴隨著快充應(yīng)用，整車高壓電氣系統(tǒng)電壓范圍達(dá)到550-930V，取中間值800V，可籠統(tǒng)稱之為800V系統(tǒng)。

800V高壓系統(tǒng)的典型特征在于電壓平臺(tái)?？斐浼夹g(shù)的核心在于提高整車充電功率，要提高整車充電功率，技術(shù)手段上要么加大充電流要么提高充電電壓，充電電流加大意味著更粗更重的線束、更多的發(fā)熱量以及更多附屬設(shè)備瓶頸，而充電電壓提升則有更大的設(shè)計(jì)自由度，這直接推動(dòng)了400V電壓平臺(tái)向800V電壓平臺(tái)轉(zhuǎn)換。

800V高壓系統(tǒng)長(zhǎng)什么樣，什么性能？我們可以從已經(jīng)批產(chǎn)的幾款800V電動(dòng)汽車中一窺真容。

 2019 年 4 月保時(shí)捷 Taycan Turbo S 全球首發(fā)，800V全球首款純電動(dòng)車型誕生。性能上，最大充電功率可達(dá)320kW即一般120kW快充樁的2~3倍；高壓動(dòng)力電池，前驅(qū)動(dòng)電機(jī)，后驅(qū)動(dòng)電機(jī)，車載充電機(jī)和PTC部件均采用了800V電壓平臺(tái)。

2020 年 12 月 2 日，現(xiàn)代汽車集團(tuán)全球首發(fā)了全新電動(dòng)汽車專用平臺(tái) “E-GMP”, 該平臺(tái)同樣可以實(shí)現(xiàn)800V功能。性能上，最大充電功率350kW，支持電池充電由10%到80%僅需18min；全部部件包括高壓動(dòng)力電池，前驅(qū)動(dòng)電機(jī)，后驅(qū)動(dòng)電機(jī)，電池加熱器，座艙加熱器以及高壓空調(diào)，均采用了800V電壓平臺(tái)。

采用800V高壓系統(tǒng)

比400V系統(tǒng)有什么優(yōu)勢(shì)？

第一，充電功率能做到更高，消除充電時(shí)間焦慮。業(yè)界一般認(rèn)為500A是車規(guī)級(jí)線束接插件的極限，更高電流的話電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)復(fù)雜度將大幅增加，這意味著400V系統(tǒng)下200kW左右的充電功率會(huì)成為很多車輛設(shè)計(jì)的極限；而800V高壓系統(tǒng)可以將極限突破到400kW，這種情況下如果按照長(zhǎng)續(xù)航車輛電池100kWh@20%-80%充電，僅需9分鐘，基本等于傳統(tǒng)燃油車加油的時(shí)間，完全消除充電時(shí)間焦慮。

第二，快充系統(tǒng)成本低。

市面上也出現(xiàn)基于400V系統(tǒng)的快充，但800V高壓系統(tǒng)可以在高功率充電應(yīng)用下做到更低的系統(tǒng)成本。表1顯示了400V系統(tǒng)和800V高壓系統(tǒng)車輛總成成本的定性比較，更進(jìn)一步體現(xiàn)為: 短期內(nèi)800V充電250kW以上充電功率段，長(zhǎng)期看800V充電150kW以上充電功率段，800V高壓系統(tǒng)有明顯的系統(tǒng)成本優(yōu)勢(shì)。

表1  快充應(yīng)用下車輛總成成本

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第三，快充充電損耗低。

相比400V系統(tǒng)，800V高壓系統(tǒng)充電電流小，電池?fù)p耗，線束損耗以及充電樁損耗都可以降低，實(shí)現(xiàn)充電節(jié)能。

第四，車輛行駛環(huán)節(jié)能耗低，同等電池容量情況下實(shí)現(xiàn)更長(zhǎng)的續(xù)航里程或者同等續(xù)航里程情況下可以實(shí)現(xiàn)電池容量削減以及總成成本降低。

相比400V系統(tǒng)，一者800V高壓系統(tǒng)電池、電驅(qū)以及其他高壓部件電流小，相關(guān)部件損耗和線束損耗也都可以降低；二者伴隨著第三代半導(dǎo)體碳化硅技術(shù)的引入，各高壓部件尤其是電驅(qū)部件的能耗可以大幅降低，實(shí)現(xiàn)車輛節(jié)能行駛。

為什么使用碳化硅半導(dǎo)體

相比硅半導(dǎo)體更有什么優(yōu)勢(shì)？

碳化硅在功率半導(dǎo)體層級(jí)有顯著性能優(yōu)勢(shì)。相比硅半導(dǎo)體，碳化硅的禁帶寬度是硅的3倍，使其具備在高溫下穩(wěn)定工作的能力；碳化硅的電場(chǎng)強(qiáng)度是硅的15倍，使其導(dǎo)通阻抗低，導(dǎo)通能耗降低；碳化硅的電子飽和率是硅的2倍，可以有更快的開關(guān)速度，開關(guān)能耗降低；碳化硅的導(dǎo)熱系數(shù)是硅的3.5倍，帶來更好的散熱性能（見圖1）。

圖1  半導(dǎo)體級(jí)別下SiC和Si的比較

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這些優(yōu)勢(shì)有助于高壓部件設(shè)計(jì)優(yōu)化和整車優(yōu)化，主要體現(xiàn)在如下兩方面：

第一，碳化硅MOSFET可以大幅提升逆變器效率以及電驅(qū)效率，降低整車能耗。

相比400V系統(tǒng)硅IGBT，無論400V系統(tǒng)還是800V高壓系統(tǒng)，碳化硅MOSFET逆變器損耗均可以降低50%左右，提升電驅(qū)效率繼而降低整車能耗。不同級(jí)別車輛能耗分析(如圖2) 顯示：從A00級(jí)別到大型SUV級(jí)別，碳化硅MOSFET電驅(qū)產(chǎn)品可以實(shí)現(xiàn)整車電耗降低5%-7%即同等容量電池下續(xù)航增加至少5%，看數(shù)據(jù)可能有點(diǎn)繞，說人話就是省錢。

圖2  碳化硅電驅(qū)技術(shù)對(duì)整車能耗影響分析

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第二，碳化硅MOSFET在800V高壓電驅(qū)系統(tǒng)應(yīng)用中具備幾乎無可替代的優(yōu)勢(shì)。

隨著高耐壓的IGBT阻抗升高，頻率性能下降，由400V系統(tǒng)升高到800V系統(tǒng)后，在同等頻率下，Si-IGBT器件的導(dǎo)通損耗、開關(guān)損耗都有顯著的上升，如果在800V高壓系統(tǒng)領(lǐng)域走硅IGBT技術(shù)路線的話，就會(huì)出現(xiàn)成本上升但效能下降的問題。所以在當(dāng)下800V高壓電驅(qū)領(lǐng)域，碳化硅MOSFET是高效電驅(qū)的唯一選項(xiàng)。

800V高壓系統(tǒng)備受業(yè)界關(guān)注，原因簡(jiǎn)要概括有二：以高功率快充實(shí)現(xiàn)為市場(chǎng)賣點(diǎn)，以低成本和高效率系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)為技術(shù)賣點(diǎn)。然而這只是回答了Why, 實(shí)際800V應(yīng)用下有哪些整車電氣系統(tǒng)架構(gòu)，孰優(yōu)孰劣？相關(guān)800V產(chǎn)品技術(shù)實(shí)現(xiàn)的挑戰(zhàn)有哪些？合適的產(chǎn)品有哪些？

800V高壓系統(tǒng)下

汽車系統(tǒng)架構(gòu)會(huì)出現(xiàn)哪些變化？

有碳化硅技術(shù)加持的800V高壓系統(tǒng)有諸多優(yōu)勢(shì)，從趨勢(shì)上判斷800V高壓系統(tǒng)未來將成為大功率充電技術(shù)（>200kW）的主流方案。

但是，技術(shù)的發(fā)展不是一蹴而就的，受產(chǎn)業(yè)鏈慣性影響，800V充電樁以及800V車載高壓部件等配套短期內(nèi)還不完善，不足以支撐終極800V高壓系統(tǒng)的快速推廣，當(dāng)下需要重點(diǎn)考慮兩點(diǎn)：兼容400V充電樁和800V充電樁應(yīng)用；兼容某些400V車載部件應(yīng)用。這就衍生出五種不同的800V高壓系統(tǒng)下汽車系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)方案，如下表：

圖1 常見800V高壓系統(tǒng)架構(gòu)綜合比較圖

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• 第一種方案：車載部件全系800V，電驅(qū)升壓兼容400V直流樁方案。其典型特征是：直流快充、交流慢充、電驅(qū)動(dòng)、動(dòng)力電池、高壓部件均為800V；通過電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)升壓，兼容400V 直流充電樁。

圖2 第一種800V高壓系統(tǒng)架構(gòu)圖

• 第二種方案：車載部件全系800V，新增DCDC兼容400V直流樁方案。其典型特征是：直流快充、交流慢充、電驅(qū)動(dòng)、動(dòng)力電池、高壓部件均為800V；通過新增400V-800V DCDC升壓，兼容400V 直流充電樁。

圖3 第二種800V高壓系統(tǒng)架構(gòu)圖

• 第三種方案：車載部件全系800V，動(dòng)力電池靈活輸出400V和800V，兼容400V直流樁方案。其典型特征是：直流快充、交流慢充、電驅(qū)動(dòng)、動(dòng)力電池、高壓部件均為800V；2個(gè)400V動(dòng)力電池串并聯(lián)，通過繼電器切換靈活輸出400V和800V，兼容400V直流充電樁。

圖4 第三種800V高壓系統(tǒng)架構(gòu)圖

• 第四種方案：僅直流快充相關(guān)部件為800V，其余部件維持400V，新增DCDC部件進(jìn)行電壓轉(zhuǎn)換器方案。其典型特征是：僅直流快充和動(dòng)力電池為800V；交流慢充、電驅(qū)動(dòng)、高壓部件均為400V；新增400V-800V DCDC，實(shí)現(xiàn)400V部件與800V動(dòng)力電池之間的電壓轉(zhuǎn)換，兼容400V 直流充電樁。

圖5 第四種800V高壓系統(tǒng)架構(gòu)圖

• 第五種方案：僅直流快充相關(guān)部件為800V，其余部件維持400V，動(dòng)力電池靈活輸出400V和800V方案。其典型特征是：僅直流快充為800V；交流慢充、電驅(qū)動(dòng)、負(fù)載均為400V；2個(gè)400V動(dòng)力電池串并聯(lián)，通過繼電器切換靈活輸出400V和800V，兼容400V和800V 直流充電樁。

圖6 第五種800V高壓系統(tǒng)架構(gòu)圖

以上五種800V高壓系統(tǒng)架構(gòu)方案在實(shí)際整車上都有一定適用性，通過更詳細(xì)的性能、系統(tǒng)成本以及整車改造工作量評(píng)估，我們認(rèn)為方案一800V高壓系統(tǒng)架構(gòu)方案即“車載部件全系800V，電驅(qū)升壓兼容400V直流樁方案”擁有綜合優(yōu)勢(shì)，預(yù)測(cè)短期內(nèi)能夠快速推廣。

800V高壓系統(tǒng)架構(gòu)下

三電系統(tǒng)是否有變化，如何保證安全可靠？

整車400V系統(tǒng)升級(jí)到800V高壓系統(tǒng)，直接的影響是電氣電壓提升帶來耐壓和絕緣的可靠性設(shè)計(jì)問題，這個(gè)是對(duì)所有三電部件的共性問題；潛在的影響有充電功率提升、驅(qū)動(dòng)功率提升以及碳化硅技術(shù)的極致發(fā)揮帶來三電產(chǎn)品設(shè)計(jì)上的諸多挑戰(zhàn)：

三電部件共性耐壓絕緣設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)：

常規(guī)設(shè)計(jì)方面，一者電氣部件主功率回路相關(guān)的電氣間隙、爬電距離要重新設(shè)計(jì)；二者高低壓部件的信號(hào)隔離回路也需要重新設(shè)計(jì)以應(yīng)對(duì)耐壓絕緣問題；三者使用更高耐壓的絕緣材料。特殊設(shè)計(jì)方面，比如涉及到電氣、磁、熱、機(jī)械等多方面因素的電機(jī)部件，可能存在局部放電問題。

電池包技術(shù)挑戰(zhàn)：

充電功率提升后，電芯充電倍率將由1C提升到>=3C。在高充電倍率下，一方面將造成活性物質(zhì)的損失，影響電池容量和壽命；另一方面，鋰枝晶一旦刺穿隔膜，將導(dǎo)致電池內(nèi)部短路，造成起火等安全風(fēng)險(xiǎn)。

電機(jī)技術(shù)挑戰(zhàn)：

直流母線電壓提升后，電機(jī)的絕緣距離增加較多，需要考慮額外的絕緣設(shè)計(jì)，同時(shí)高電壓會(huì)導(dǎo)致“電暈”現(xiàn)象產(chǎn)生，如何保證全壽命電疲勞是一個(gè)對(duì)成本和技術(shù)的雙重考驗(yàn)。另外由于電壓的提升，改變了原400V電機(jī)功率扭矩配比，需要重新為800V設(shè)計(jì)電磁方案，勢(shì)必帶來產(chǎn)線投資的增加。除此之外還有軸電流導(dǎo)致的失效風(fēng)險(xiǎn)加劇的挑戰(zhàn)。綜合而言，在800V架構(gòu)下，如何以較低的成本來滿足客戶的扭矩、功率和效率要求，需要一定技術(shù)門檻，是個(gè)巨大挑戰(zhàn)。

電機(jī)控制器技術(shù)挑戰(zhàn)：

首先，800V電機(jī)控制器設(shè)計(jì)必須考慮高功率密度、高耐熱、高頻率切換應(yīng)用下的產(chǎn)品可靠性。其次，伴隨著800V電壓以及碳化硅逆變器頻率的提升，逆變器內(nèi)部du/dt大幅提升，這帶來逆變器EMC設(shè)計(jì)的巨大挑戰(zhàn)。

其他部件技術(shù)挑戰(zhàn)：

800V OBC、800V DCDC、800V電池高壓繼電器/熔斷器/連接器、充電樁等都需要進(jìn)行升級(jí)，這對(duì)汽車研發(fā)設(shè)計(jì)者帶來較大的挑戰(zhàn)。