導讀：自從上海車展北汽極狐發布搭載華為全棧高壓解決方案的阿爾法S車型之后，十多家車企已經推出或者正在推出能夠快充的車輛，800V高壓架構已經成為2021年多個行業論壇的核心主題。未來800V高壓架構將成為下一代電動汽車主流平臺，2022年將成為中國800V系統的一個元年。
2021年12月21號，在2021華為智能汽車解決方案生態論壇上，華為邀請產業界伙伴，探討如何協同推進高壓快充產業化進程，再次引發行業對高壓平臺的廣泛關注。
隨著電動汽車續航里程增加的邊際效應開始降低，從600公里到800公里比之前300到400和500公里帶來的體驗差異不大，同時對體積和重量的要求需要匹配更大的車輛，已經不是單純的比例關系。
快充就成為了下一步動力電池發展的必然方向，國內外車企都開始了充電5分鐘，加電200公里這樣的構想來迎合消費者對于快速補電的需求。
▲圖1.2021年主要的車企在高壓化架構方面的動向
一、提高充電速度的辦法
1、提高電動汽車充電功率的兩條路徑
從總體架構來看，提高電動汽車的充電功率主要包含幾個核心要素。我們能走的路徑只有兩條：
（1）提高電流：
如果我們保留其他的部件不變，選擇提升電流的路徑，主要的限制在于大電流產生的熱損失，這會導致整體的設計會有很大的差異。電路中的大電流會產生很高的熱損失，因為所有部件（連接器、電纜、電池的電連接、母線排等）的電阻都難免會發熱。針對電池在充電期間出現過熱的情況，則需要在設計導電元件和確定尺寸時考慮這些熱損失，以免發生過載、過熱或充電電流受控降額等問題。
（2）提高電壓：
由于上述電流的增大是有極限的，目前極限的電流一般定義為500A，所能達到的功率大約200kW（特斯拉在400V設計了600A以上的作為嘗試），增加電壓把400V系統切換成800V就是成為一個選擇。這個對于所有的用電部件，都是一個系統性的提升。里面核心的開關器件還有其他的部分都有了變化。
▲圖2.400V體系下快充的迭代路徑
▲圖3.800V快充的路徑
2、高壓快充架構
對于當前的車輛升級來看，很重要的是保持原有的系統不變的情況下，來提升快充的體驗。從400V到800V會有很大的改變，所以短期內圍繞400V來進行功率升級是一個選擇。當電流越大時，要想以相同的電壓水平傳輸功率而不會過熱，所需的電纜橫截面積就越大。
目前主要的高功率設計，目標是200kW，也就是持續5分鐘左右的500A電流，為了匹配這個電流，需要增大車內充電插座、充電插座到電池包的高壓線纜、快充接觸器和主正主負接觸器、主熔絲、模組接線排、電芯內部接線排的載流能力。
但是從長期來看，要實現5~10min快速充電，打造和加油一樣的充電體驗，需要400kW以上的充電功率，則整車電壓平臺必然要向800V及以上進行演進。而且在充電功率相同的情況下，高壓架構下電池系統散熱更少，熱管理難度低，線束直徑更小，成本也更低。
▲圖4.400V和800V電壓作比較
在這個領域，除了車廠以外，華為是特別積極的，而且以全棧高壓平臺解決方案的形式來做了個800V系統。包括OBC車充電，包括電池管理以及動力總成，車下高壓模塊，今年發布的方案是15分鐘以內的充滿30%-80%，兩年以后會再上市7.5分鐘的解決方案，2025年做到5分鐘。
▲圖5.800V系統的供應鏈對于高壓架構是準備好的
電池安全方面，結合大數據，電化學機理模型，AI模型等打造了云端電池安全方案AI BMS，基于AI算法的訓練，通過數字孿生的耦合不斷迭代，提升算法效果，做到更快、更準、更精確的預測電池熱失控，保障電池安全。
▲圖6.華為的AI閃充高壓系統平臺方案
當前，可匹配800V及以上高壓快充車型的高壓直流樁嚴重不足。高壓架構推廣初期可能需要在車端配備升壓功能。從400V到800V，解決升壓的問題。
800V系統帶來的挑戰和機會是多元化的，總體來看，它有這么幾個機會點：
從電壓拓撲來看，可以實現同電芯的梯度配置，也就是可以分為高配高電壓；低配低電壓的差異化配置。
從電流方向上面，從起始的350A、500A甚至未來的600A，也可以擴展的支持快充，不斷提高功率。
由SiC的導入，可以提高整體功率電子的效率和降低體積。
▲圖7.兼容低電壓樁充滿800V的問題
二、充電網絡建設
在整體產業里還有一塊最重要的拼圖，就是充電網絡的投資。目前主要的汽車企業比如大眾、特斯拉甚至是通用汽車，都要自己建立起一套快充網絡。在設施端已經開始考慮建立符合未來800V需求的充電設施。在這方面，華為是從充電模塊開始設計的， 200V-1000V的兼容，基于兩路的500V串聯輸出，同時實現全負載的高效。
從實際應用中，800V高壓平臺對電驅動也帶來不少難題，如絕緣、軸承電腐蝕和EMC等問題，華為在這方面做了不少的嘗試，通過專利高壓連接器，專利軸承導流防擊穿結構及EMC軟硬件抑制等核心創新技術，系統性地解決上述難題。以800V系統中軸承防腐蝕為例，它一直是業界電驅動產品未解決的難題，當前400V下的電機軸承并不是都會發生電腐蝕，但是800V下的系統，電機軸承發生電腐蝕的概率將會直接增加很多。
首先我們要注意的是電驅動系統中，共模電流產生的軸電壓。電動汽車里面的驅動電機軸電壓還是以「容性電壓」為主，它的源頭是PWM控制產生的共模電壓，經過層層寄生電容進行分壓，最終按照一定的比例分到軸承兩端。高頻感應軸電壓產生的機理包括定子繞組與機殼的寄生電容不對稱、共模電路中繞組和機殼之間的漏電流發生變化、在電機軸上等效出一個共模電流變化和相應的感應磁通。
通過創新的「富蘭克林」引流技術，可將軸承上的近60V~80V電壓的電流導出，較好的解決了其對軸承之間潤滑膜耐壓性能的沖擊，從而大幅降低軸承失效的風險。
三、小結
主流車企已經開始加大800V高壓投入，雖然高壓架構依然存在部分挑戰，但從總體來看，未來800V高壓架構將成為下一代電動汽車主流平臺，2022年將成為中國800V系統的一個元年。
來源：汽車電子設計 作者：朱玉龍
