800V架構電動汽車極速充電設計挑戰

樓佳烽

（上萬清源智動車有限公司（萬向集團），浙江 杭州 310016）

電動汽車（EV）被視為傳統內燃機（ICE）汽車未來重要的發展方向，為了使EV具備更好的競爭力，OEM廠家不斷進行設計優化以此解決EV用戶對于續航里程以及充電焦慮的出行痛點，并推出更高動力性能以及更具成本優勢的EV產品。

為了克服純電動汽車（BEV）的續航里程焦慮，增加BEV的市場滲透率，一種有效的可能途徑是通過提升充電功率來加快充電時間，比如將目前普遍120kW最大充電功率增加至400kW實現極速快充（Extreme fast charging，XFC）［1］。其對比見表1。

表1 BEV現狀與BEV XFC對比

然而，充電速率的大幅提高將會給動力電池、電氣架構設計以及充電基礎設計帶來一些技術問題。

1 車輛實現XFC的電氣架構

電動汽車實現XFC需要在技術可行性以及商業行為之間進行權衡，并實施創新的電力電子架構，以下為幾種主要的方案［2-3］。

1）目前主流的面向輕型乘用車市場的電動汽車動力系統電壓等級為400V，由于充電基礎設施和車輛之間的高壓連接組件（如充電插頭、插座、電纜等）受電流的物理限制，提升車輛充電功率的一種有效方式是提高電池電壓（如800V）。如圖1所示，采用現有的BEV架構，將動力電池以及各高壓組件升級支持800V系統。

圖1 800V電池&800V動力系統

2）考慮電動汽車XFC規模經濟以及成本因素，為了更靈活地利用現有的400V電壓等級下的零部件平臺以及充電基礎設施，在車輛充電接口與動力電池之間或動力電池與高壓組件之間增加DCDC組件，如圖2、圖3所示。

圖2 800V電池&400V動力系統

圖3 400V電池&400V動力系統

以上兩種方案需要配置額外的DCDC裝置，對車輛布置空間、輕量化以及成本約束造成挑戰。另外，對于圖2方案，增加DCDC裝置將影響車輛系統轉換效率，導致續駛里程的降低。

3）通過電池的串/并聯分配，靈活設計可配置的動力電池系統，串聯時提供800V充電電壓，并聯時提供400V的電壓驅動，如圖4所示。該方案需要較復雜的電池管理系統以及額外的控制電路，并且需要解決并聯電池組之間SOC不平衡現象。

圖4 2x400V電池&800V動力系統

2 電壓等級對高壓組件的設計影響

為了實現電動汽車XFC目標，隨著車輛電氣架構變革，將要求使用800V或甚至更高電壓的電力電子硬件，這將對行業標準、電力電子組件設計帶來挑戰。

1）電動汽車標準

相比較目前400V（乘用車）以及650V（商用車）電壓等級的電動汽車，如果將電壓提升至800V或1000V以上，并實現大功率充電，則對操作安全性的要求也將隨之提高，相應電動汽車相關法規標準需要重新修訂或完善，包括電氣安全、充電規格等。

2）動力電池

對于電池高C速率充電，電池壽命以及熱管理系統均有影響［4］；另外，更高的系統電壓意味著動力電池PACK串聯更多單體電池，這將增加額外的監控通道［5-6］，且為了滿足大電流充電時的冷卻需求，需要擴大車載熱管理系統功率或者與充電基礎設施關聯協作設計冷卻系統。

3）電力電子部件

目前，1000V以上功率電力電子部件供應商成熟產品以及應用實踐有限，在很大程度上，開關器件的耐壓等級限制了電池的開路電壓，為此汽車制造商將承擔額外的開發工作和成本。

另外，更高的電池額定電壓將影響所有電力電子部件的電氣隔離水平，須考慮電氣間隙和爬電距離要求［7］。對于功率電子組件，較高的電壓會降低開關的傳導損耗，但較高的電壓可能會導致整個工作區域內更高的開關損耗，因此功率組件需要選擇合適的開關類型、開關頻率。類似地，對于電機而言，電壓等級的增加會增加電壓梯度d v/d t，而電壓梯度的增加將導致更高的電磁輻射以及影響電機局部放電電壓［8］，電機的結構設計將需要改變，以適應系統高電壓。

4）電纜連接

系統中較高的電壓有利于不同電氣組件之間的連接，800V系與400V系統相比，在相同功率水平下所需的電流減少了一半。系統電流降低減小了電池以及電氣連接的熱損失，導線截面積的減小使銅材成本降低并易于布線。

然而，為了實現XFC，充電功率超過200kW通常需要液冷式充電電纜，但目前還沒有關于如何將液冷電纜納入電氣規范的既定協議。另外，液冷式充電電纜連接過于笨重，將給客戶使用帶來麻煩。針對此問題，實現XFC的充電連接的其他選擇可能是使用機器人或無線充電［5］。

5）DC-Link

EV復雜的高壓系統架構顯示出與低壓直流電網相似的架構特性［9］。800V車輛的DC充電可能發生在標稱電壓為400V和800V的充電站上，充電功能的多樣性挑戰了車輛高壓系統在不同充電條件下的魯棒性［10］。

6）充電設施

未來的充電基礎設施將需要在電壓和電流方面比現有充電設備更加靈活，以同時滿足新舊車輛互操作性的需求。

3 總結

在車輛開發過程中，小型緊湊型汽車電量較少，實現800V快速充電意義甚微，現有充電功率（50～120kW）已滿足基本適用。對于需要更高動力以及更快充電的車輛類型，則800V系統解決方案具有重要的現實意義。對于電動汽車800V系統，則需要克服一些困難，并在技術方案可行性以及商業影響之間取得平衡。