電動(dòng)汽車采用更高電池電壓的推動(dòng)因素

許多國家和地區(qū)正在頒布立法以增加電動(dòng)汽車(EV)的數(shù)量，目標(biāo)是逐步淘汰或最終禁止使用汽油和柴油汽車。雖然早期嘗鮮者可能出于環(huán)保效益而購車，但市場(chǎng)上仍有相當(dāng)一部分人還關(guān)注電動(dòng)汽車的續(xù)航里程限制和充電時(shí)間。

汽車行業(yè)正面臨著不斷提供能吸引更多受眾的創(chuàng)新解決方案的挑戰(zhàn)，而這正推動(dòng)著提高電池電壓的發(fā)展趨勢(shì)。當(dāng)前，道路上的大多數(shù)乘用電動(dòng)汽車都采用400V電池。電動(dòng)巴士和電動(dòng)卡車是600V級(jí)別的車輛，乘用車正開始采用800V電池。

相較于現(xiàn)有的400V系統(tǒng)，800V系統(tǒng)的推出是一大進(jìn)步，并且其推出速度比許多人預(yù)期的要快。800V系統(tǒng)有何優(yōu)勢(shì)？它們?nèi)绾螏椭鉀Q一些對(duì)消費(fèi)者構(gòu)成障礙并減緩電動(dòng)汽車推廣的問題？

800V電池如何影響車輛設(shè)計(jì)？

無刷直流電機(jī)的核心元件是產(chǎn)生直流磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)子（通常是永磁體或直流電樞繞組）和包含銅繞組的定子（交流電流從中通過）。運(yùn)動(dòng)依賴于轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)與由定子繞組中時(shí)間控制的電流產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的相互作用。在給定的輸入功率下，隨著電機(jī)工作電壓的增加，輸入RMS電流減小，定子繞組銅損耗也隨之減小。使用800V電源與400V電源相比，損耗通常會(huì)減少4倍。這就提供了減小銅繞組線徑的機(jī)會(huì)，既減小總體積，又提高包裝效率，使電機(jī)更小。800V系統(tǒng)具有同樣較低的電流要求，不僅能降低電機(jī)銅損耗，還能降低整個(gè)系統(tǒng)接線器的損耗，從而帶來重量、空間和成本的節(jié)省。

800V系統(tǒng)通常也從硅基IGBT轉(zhuǎn)向碳化硅(SiC) MOSFET。SiC器件可提供更高的開關(guān)速度，因此開關(guān)損耗更低。這有助于提高工作頻率，由于諧波電流減小，進(jìn)一步降低電機(jī)損耗。

更輕的重量可提高操控性和加速性，這在高端跑車市場(chǎng)很有價(jià)值。加上損耗降低，可以增加與電池直接相關(guān)的續(xù)航里程，從而降低車輛相關(guān)成本。騰出的空間可用來增加電池組的尺寸，以增加續(xù)航里程，或者可以分配給增加的乘客艙空間。想要更大的后備箱嗎？較小的電機(jī)對(duì)此也有幫助。值得注意的是，更大的電池組也會(huì)增加充電時(shí)間，但800V能發(fā)揮充電優(yōu)勢(shì)。

重量、體積和損耗的減小為車輛設(shè)計(jì)人員提供了選擇機(jī)會(huì)，可以根據(jù)特定細(xì)分市場(chǎng)在成本、性能和續(xù)航里程之間進(jìn)行平衡。成本的降低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)，續(xù)航里程是關(guān)鍵決定因素之一。對(duì)一些人來說，這是一個(gè)方便性問題，希望使長途旅行更容易。對(duì)于商用車而言，增加續(xù)航里程意味著更高效的配送路線、更多的上路時(shí)間、更少的車輛覆蓋相同區(qū)域以及更低的運(yùn)營成本。

800V系統(tǒng)可縮短充電時(shí)間

充電時(shí)間對(duì)消費(fèi)者和商用車來說都是一個(gè)挑戰(zhàn)。對(duì)于城市司機(jī)和通勤者來說，在家過夜充電通常就足夠了。然而，當(dāng)計(jì)劃一次長途旅行時(shí)，特別是當(dāng)路程超出了車輛的續(xù)航里程時(shí)，還需要規(guī)劃一條能在適當(dāng)時(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)等待，這是難以接受的。對(duì)于商用車來說，問題就更復(fù)雜了，因?yàn)榉祷卣军c(diǎn)充電，或者讓車輛在現(xiàn)場(chǎng)充電時(shí)閑置90分鐘，會(huì)降低生產(chǎn)力并直接影響企業(yè)的利潤。

800V系統(tǒng)架構(gòu)如何幫助破解難題？正如我們之前提到的，在相同功率下，將電壓加倍會(huì)將電流減半。在充電過程中，散熱對(duì)充電電纜以及汽車充電機(jī)入口和內(nèi)部布線都是一個(gè)限制。從400V升級(jí)到800V，可以在相同損耗的情況下將充電速率提高一倍。這有幾個(gè)方面的好處。第一個(gè)好處非常簡(jiǎn)單，那就是減少充電時(shí)間。如果充電功率增加一倍，則充電時(shí)間將減少一半，但實(shí)際上改善幅度較小。不那么明顯的好處是，充電站利用率的提高。如果充電車輛的停留時(shí)間減半，則可以使用給定充電機(jī)的車輛數(shù)量會(huì)增加一倍。  

保時(shí)捷和起亞已推出新款全電動(dòng)汽車，其續(xù)航里程開始接近汽油車的中位數(shù)，而且充電時(shí)間更接近于在加油站加油時(shí)快速停車取貨的用時(shí)。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)來說綽綽有余。

保時(shí)捷的全電動(dòng)跑車Taycan的續(xù)航里程為420公里（260英里）。它采用800V電池架構(gòu)，在300A (240kW)的快速充電站上僅需22.5分鐘即可將電量從5%充電至80%。它仍然能夠使用400V充電站，這需要大約90分鐘。起亞已宣布推出EV6 800V架構(gòu)汽車，該車在18分鐘內(nèi)從10%充電至80%，最大功率為239kW，增程版可行駛480公里（300英里）。

快速充電時(shí)間對(duì)商用車輛至關(guān)重要，因?yàn)樯逃密囕v可以通過快速充電來延長工作時(shí)間，并將返回站點(diǎn)進(jìn)行完全充電的時(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至40分鐘的休息時(shí)間。

800V架構(gòu)的采用速度快于預(yù)期

汽車市場(chǎng)采用800V架構(gòu)的速度比最初預(yù)期的要快。保時(shí)捷一路領(lǐng)先，但不只是跑車 - 起亞和幾家中國制造商現(xiàn)在提供800V汽車。正如汽車市場(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)實(shí)惠，慢慢地進(jìn)入大眾市場(chǎng)。800V系統(tǒng)帶來的好處包括節(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這些成本。

隨著汽車市場(chǎng)采用800V架構(gòu)，我們無疑將看到各公司進(jìn)一步推動(dòng)更高電壓系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)。這些優(yōu)勢(shì)不斷擴(kuò)大，因此900V及更高電壓可以進(jìn)一步增加這些優(yōu)勢(shì)，甚至更多地推動(dòng)續(xù)航里程、重量和充電時(shí)間的改進(jìn)?；A(chǔ)設(shè)施將需要跟上步伐；新的400kW充電站已經(jīng)在促成這一方向。

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)通常需要一個(gè)高壓到低壓的電源。提高到800V需要更高的隔離度和電壓額定值。

電動(dòng)汽車電池組由許多以串聯(lián)/并聯(lián)組合方式連接的單體電池構(gòu)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)，大約有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)期間電壓升高的影響，通常會(huì)增加20V至30V的電壓，使最大電壓達(dá)到865V。電源內(nèi)部開關(guān)的額定值必須明顯高于該電壓。對(duì)于反激式變換器，必須額外增加150V至200V的電壓，使開關(guān)應(yīng)力達(dá)到1065V。應(yīng)用通常的20%降額，可得到至少1.33kV的規(guī)格。

另一個(gè)重要的設(shè)計(jì)要點(diǎn)是需要低電壓?jiǎn)?dòng)，通常為30V至40V。車輛安全系統(tǒng)需要首先上電，以確保在任何東西開始移動(dòng)或可能發(fā)生故障之前，所有的控制電子裝置都能運(yùn)作。設(shè)計(jì)一個(gè)工作電壓介于30V到>900V的電源可能具有挑戰(zhàn)性。

Power Integrations的創(chuàng)新高壓解決方案

Power Integrations (PI)近日發(fā)布了兩款新的符合AEC-Q100標(biāo)準(zhǔn)、額定耐壓1700V的IC，為其InnoSwitch?3-AQ產(chǎn)品系列再添新成員。這兩款新器件解決了800V系統(tǒng)所面臨的上述設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)，為汽車領(lǐng)域帶來一系列有價(jià)值的功能，并為未來設(shè)計(jì)提供了通向更高電壓的途徑。

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

這款簡(jiǎn)單的反激式變換器設(shè)計(jì)集成了碳化硅開關(guān)以及初級(jí)和次級(jí)控制器。InnoSwitch3-AQ IC使用FluxLink?進(jìn)行隔離，可讓次級(jí)控制器成為主控制器。這種不尋常的架構(gòu)意味著次級(jí)側(cè)決定何時(shí)進(jìn)行初級(jí)開關(guān)操作，實(shí)現(xiàn)同步整流而沒有通常的缺點(diǎn)（例如，開關(guān)時(shí)間不正確），并能對(duì)所有故障做出響應(yīng)。

圖2 額定耐壓1700V的InnoSwitch3-AQ無需額外的外部元件

InnoSwitch3-AQ具有30V啟動(dòng)電壓，這對(duì)于為汽車應(yīng)用中的安全系統(tǒng)上電至關(guān)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)，這需要付出相當(dāng)高的成本。連接到高壓母線的每個(gè)元件都必須針對(duì)多種故障模式進(jìn)行測(cè)試，因此PI器件的高集成度優(yōu)勢(shì)可以節(jié)省系統(tǒng)成本，最多可減少50%的測(cè)試用例。

減少元件數(shù)量對(duì)電動(dòng)汽車來說至關(guān)重要。由于元件更少，因元件本身而導(dǎo)致的故障率隨之降低，而且焊點(diǎn)也更少，可靠性更高。電路板面積的節(jié)省更為顯著，因?yàn)檫@減輕了重量并提高了功率密度，可騰出更多的內(nèi)部空間，這些都是電動(dòng)汽車市場(chǎng)上的重要優(yōu)勢(shì)。

InnoSwitch3-AQ IC的獨(dú)特架構(gòu)使其可以位于安規(guī)隔離帶上，而這里是PCB上通常無法使用的空間。實(shí)際上，它可以放置在變壓器下方。這種設(shè)計(jì)不占用PCB空間，這對(duì)設(shè)計(jì)工程師來說意義重大。

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

由于具有非常高的輸出控制精度，因此無需額外的DC-DC變換器來產(chǎn)生更多母線 - 器件本身可以提供。由于采用FluxLink架構(gòu)且具有±2%的控制精度，只需要兩個(gè)開關(guān)周期就能從零負(fù)載達(dá)到滿載狀態(tài)，并將輸出功率從零增至最大值。這意味著輸出電容也小得多。由于效率超過90%，散熱量大幅減少，足以省去外部散熱片。這些特性可進(jìn)一步縮減尺寸、空間和元件數(shù)量，以及其他更多好處。

空載功耗通常不是一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)，但對(duì)于始終連接電池的電動(dòng)汽車而言，車輛長時(shí)間停放后電池很容易耗盡電量。新的InnoSwitch3-AQ器件的空載功耗小于15mW，可確保乘客在機(jī)場(chǎng)返回他們的汽車時(shí)不會(huì)被擱淺在那里。

隨著新的50W和70W輸出功率器件的加入，Power Integrations的InnoSwitch3-AQ產(chǎn)品系列現(xiàn)在已更為豐富，可為電動(dòng)汽車提供400V、600V、800V及更高母線電壓的設(shè)計(jì)方案。

圖4 適用于400V、600V和800V系統(tǒng)的完整器件系列