作者: Peter Vaughan，Power Integrations™業(yè)務(wù)發(fā)展總監

許多國家和地區正在頒布立法以增加電動(dòng)汽車(chē)(EV)的數量，目標是逐步淘汰或最終禁止使用汽油和柴油汽車(chē)。雖然早期嘗鮮者可能出于環(huán)保效益而購車(chē)，但市場(chǎng)上仍有相當一部分人還關(guān)注電動(dòng)汽車(chē)的續航里程限制和充電時(shí)間。 

汽車(chē)行業(yè)正面臨著(zhù)不斷提供能吸引更多受眾的創(chuàng )新解決方案的挑戰，而這正推動(dòng)著(zhù)提高電池電壓的發(fā)展趨勢。當前，道路上的大多數乘用電動(dòng)汽車(chē)都采用400V電池。電動(dòng)巴士和電動(dòng)卡車(chē)是600V級別的車(chē)輛，乘用車(chē)正開(kāi)始采用800V電池。 

相較于現有的400V系統，800V系統的推出是一大進(jìn)步，并且其推出速度比許多人預期的要快。800V系統有何優(yōu)勢？它們如何幫助解決一些對消費者構成障礙并減緩電動(dòng)汽車(chē)推廣的問(wèn)題？

800V電池如何影響車(chē)輛設計？

無(wú)刷直流電機的核心元件是產(chǎn)生直流磁場(chǎng)的轉子（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(guò)）。運動(dòng)依賴(lài)于轉子磁場(chǎng)與由定子繞組中時(shí)間控制的電流產(chǎn)生的旋轉磁場(chǎng)的相互作用。在給定的輸入功率下，隨著(zhù)電機工作電壓的增加，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(xiàn)徑的機會(huì )，既減小總體積，又提高包裝效率，使電機更小。800V系統具有同樣較低的電流要求，不僅能降低電機銅損耗，還能降低整個(gè)系統接線(xiàn)器的損耗，從而帶來(lái)重量、空間和成本的節省。
 
800V系統通常也從硅基IGBT轉向碳化硅(SiC) MOSFET。SiC器件可提供更高的開(kāi)關(guān)速度，因此開(kāi)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)一步降低電機損耗。
更輕的重量可提高操控性和加速性，這在高端跑車(chē)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)的續航里程，從而降低車(chē)輛相關(guān)成本。騰出的空間可用來(lái)增加電池組的尺寸，以增加續航里程，或者可以分配給增加的乘客艙空間。想要更大的后備箱嗎？較小的電機對此也有幫助。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。

重量、體積和損耗的減小為車(chē)輛設計人員提供了選擇機會(huì )，可以根據特定細分市場(chǎng)在成本、性能和續航里程之間進(jìn)行平衡。成本的降低使解決方案更容易被中端消費市場(chǎng)所接受，而不僅僅是高性能車(chē)輛。

在考慮轉向電動(dòng)汽車(chē)時(shí)，續航里程是關(guān)鍵決定因素之一。對一些人來(lái)說(shuō)，這是一個(gè)方便性問(wèn)題，希望使長(cháng)途旅行更容易。對于商用車(chē)而言，增加續航里程意味著(zhù)更高效的配送路線(xiàn)、更多的上路時(shí)間、更少的車(chē)輛覆蓋相同區域以及更低的運營(yíng)成本。
 
800V系統可縮短充電時(shí)間

充電時(shí)間對消費者和商用車(chē)來(lái)說(shuō)都是一個(gè)挑戰。對于城市司機和通勤者來(lái)說(shuō)，在家過(guò)夜充電通常就足夠了。然而，當計劃一次長(cháng)途旅行時(shí)，特別是當路程超出了車(chē)輛的續航里程時(shí)，還需要規劃一條能在適當時(shí)間提供充電站的路線(xiàn)。雖然充電樁通常放置在附近的便利設施中，但仍可能需要排隊等待，這是難以接受的。對于商用車(chē)來(lái)說(shuō)，問(wèn)題就更復雜了，因為返回站點(diǎn)充電，或者讓車(chē)輛在現場(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系統架構如何幫助破解難題？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(guò)程中，散熱對充電電纜以及汽車(chē)充電機入口和內部布線(xiàn)都是一個(gè)限制。從400V升級到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(chē)輛的停留時(shí)間減半，則可以使用給定充電機的車(chē)輛數量會(huì )增加一倍。
   
保時(shí)捷和起亞已推出新款全電動(dòng)汽車(chē)，其續航里程開(kāi)始接近汽油車(chē)的中位數，而且充電時(shí)間更接近于在加油站加油時(shí)快速停車(chē)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，對于800V架構來(lái)說(shuō)綽綽有余。 

保時(shí)捷的全電動(dòng)跑車(chē)Taycan的續航里程為420公里（260英里）。它采用800V電池架構，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架構汽車(chē)，該車(chē)在18分鐘內從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)間對商用車(chē)輛至關(guān)重要，因為商用車(chē)輛可以通過(guò)快速充電來(lái)延長(cháng)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)間也符合許多地區規定的30至40分鐘的休息時(shí)間。 

800V架構的采用速度快于預期

汽車(chē)市場(chǎng)采用800V架構的速度比最初預期的要快。保時(shí)捷一路領(lǐng)先，但不只是跑車(chē) - 起亞和幾家中國制造商現在提供800V汽車(chē)。正如汽車(chē)市場(chǎng)的典型情況一樣，創(chuàng )新始于高端汽車(chē)，隨著(zhù)技術(shù)變得更加經(jīng)濟實(shí)惠，慢慢地進(jìn)入大眾市場(chǎng)。800V系統帶來(lái)的好處包括節約成本，中端消費市場(chǎng)可以比最初想象的更快地利用這些成本。 

隨著(zhù)汽車(chē)市場(chǎng)采用800V架構，我們無(wú)疑將看到各公司進(jìn)一步推動(dòng)更高電壓系統的優(yōu)勢。這些優(yōu)勢不斷擴大，因此900V及更高電壓可以進(jìn)一步增加這些優(yōu)勢，甚至更多地推動(dòng)續航里程、重量和充電時(shí)間的改進(jìn)�；�礎設施將需要跟上步伐；新的400kW充電站已經(jīng)在促成這一方向。 

800V系統中電源解決方案的設計要點(diǎn)

電動(dòng)汽車(chē)中的高壓連接子系統通常需要一個(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(chē)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成。每個(gè)單體電池的工作電壓范圍為3.1V至4.2V。對于標稱(chēng)800V系統，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，使最大電壓達到865V。電源內部開(kāi)關(guān)的額定值必須明顯高于該電壓。對于反激式變換器，必須額外增加150V至200V的電壓，使開(kāi)關(guān)應力達到1065V。應用通常的20%降額，可得到至少1.33kV的規格。

另一個(gè)重要的設計要點(diǎn)是需要低電壓?jiǎn)��?dòng)，通常為30V至40V。車(chē)輛安全系統需要首先上電，以確保在任何東西開(kāi)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作。設計一個(gè)工作電壓介于30V到>900V的電源可能具有挑戰性。 

Power Integrations的創(chuàng )新高壓解決方案

Power Integrations (PI)發(fā)布了兩款新的符合AEC-Q100標準、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系統所面臨的上述設計挑戰，為汽車(chē)領(lǐng)域帶來(lái)一系列有價(jià)值的功能，并為未來(lái)設計提供了通向更高電壓的途徑。 

圖1：InnoSwitch3-AQ 1700V器件可實(shí)現簡(jiǎn)單、加強絕緣的汽車(chē)電源

這款簡(jiǎn)單的反激式變換器設計集成了碳化硅開(kāi)關(guān)以及初級和次級控制器。InnoSwitch3-AQ IC使用FluxLink™進(jìn)行隔離，可讓次級控制器成為主控制器。這種不尋常的架構意味著(zhù)次級側決定何時(shí)進(jìn)行初級開(kāi)關(guān)操作，實(shí)現同步整流而沒(méi)有通常的缺點(diǎn)（例如，開(kāi)關(guān)時(shí)間不正確），并能對所有故障做出響應。 

圖2：額定耐壓1700V的InnoSwitch3-AQ無(wú)需額外的外部元件

InnoSwitch3-AQ具有30V啟動(dòng)電壓，這對于為汽車(chē)應用中的安全系統上電至關(guān)重要。分立解決方案需要在初級側添加額外的元件，才能實(shí)現30V啟動(dòng)，這需要付出相當高的成本。連接到高壓母線(xiàn)的每個(gè)元件都必須針對多種故障模式進(jìn)行測試，因此PI器件的高集成度優(yōu)勢可以節省系統成本，最多可減少50%的測試用例。 

減少元件數量對電動(dòng)汽車(chē)來(lái)說(shuō)至關(guān)重要。由于元件更少，因元件本身而導致的故障率隨之降低，而且焊點(diǎn)也更少，可靠性更高。電路板面積的節省更為顯著(zhù)，因為這減輕了重量并提高了功率密度，可騰出更多的內部空間，這些都是電動(dòng)汽車(chē)市場(chǎng)上的重要優(yōu)勢。
 
InnoSwitch3-AQ IC的獨特架構使其可以位于安規隔離帶上，而這里是PCB上通常無(wú)法使用的空間。實(shí)際上，它可以放置在變壓器下方。這種設計不占用PCB空間，這對設計工程師來(lái)說(shuō)意義重大。 

圖3：可擴展性允許相同的設計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(wú)需額外的DC-DC變換器來(lái)產(chǎn)生更多母線(xiàn) - 器件本身可以提供。由于采用FluxLink架構且具有±2%的控制精度，只需要兩個(gè)開(kāi)關(guān)周期就能從零負載達到滿(mǎn)載狀態(tài)，并將輸出功率從零增至最大值。這意味著(zhù)輸出電容也小得多。由于效率超過(guò)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，但對于始終連接電池的電動(dòng)汽車(chē)而言，車(chē)輛長(cháng)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，可確保乘客在機場(chǎng)返回他們的汽車(chē)時(shí)不會(huì )被擱淺在那里。

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

圖4： 適用于400V、600V和800V系統的完整器件系列