【導讀】對于電動汽車而言，為了縮短充電時間、解決車主的里程焦慮問題，除了使用石墨烯電池和固態電池，我們還可以通過增加電壓或電流以增加流向電池的功率來達到縮短充電時間的目標。當使用增流方案時，車內必須使用更粗的電纜，這樣一來，不僅車體變重，整體成本也會增加。而如果采用增加電壓的方案，隨著電流的降低，車內的電纜就可以換成更輕更細的。這就是800V架構為電動汽車帶來的好處。800V架構也因此被看作是最具前景的能有效縮短電動汽車充電時間的解決方案。
原來1.5小時，現在只需20分鐘就能將電動汽車（EV）從5%的荷電狀態（SoC）充電至80%，這樣的電動汽車充電方案你喜歡嗎？好消息是，這已經不是“畫大餅”，保時捷Taycan通過采用全新的800V系統，就已經實現了上述這個電動汽車車主們心心念的愿望。
對于電動汽車而言，為了縮短充電時間、解決車主的里程焦慮問題，除了使用石墨烯電池和固態電池，我們還可以通過增加電壓或電流以增加流向電池的功率來達到縮短充電時間的目標。當使用增流方案時，車內必須使用更粗的電纜，這樣一來，不僅車體變重，整體成本也會增加。而如果采用增加電壓的方案，隨著電流的降低，車內的電纜就可以換成更輕更細的。這就是800V架構為電動汽車帶來的好處。800V架構也因此被看作是最具前景的能有效縮短電動汽車充電時間的解決方案。
圖1：擁有800V系統的保時捷Taycan（圖源：網絡）
800V架構為什么優于400V？
在電動汽車行業，聽到最多同時也是影響人們購買意愿的最大障礙就是“里程焦慮”。電動汽車駕駛員在需要充電之前，幾乎都想知道自己還能行駛多遠，在車輛電池耗盡之前在哪里能找到充電站，事實上因充電站的缺乏常常會讓他們陷入里程焦慮。
隨著電動汽車的普及，中國以及美國和歐洲等國家和地區一直在加速擴大直流充電樁的覆蓋范圍，使得這種“焦慮癥”已有所緩解。然而，僅僅增加充電站本身并不能完全治愈電動車主的里程焦慮，充電時間過長也是個令人頭疼的問題。以傳統的7kW充電樁為例，以60kWh電池的典型充電時間計算，接近8小時才能從空充到滿。事實上，大多數電動車主渴望的是一種更接近于在加油站內幾分鐘“加滿油”的充電體驗。
今天，大多數電動汽車都采用了400V架構，該技術已相當成熟。能有效縮短充電時間的800V架構可以看作是對400V架構的升級。那么，800V架構究竟是一種什么技術？它又是如何解鎖更快的充電速度呢？這個話題要從著名的歐姆定律談起。
根據歐姆定律：電壓=電流*電阻。無論我們用任何代數的方式重新排列這個方程，結果都是相同的，即如果增加電壓，電流就會降低。在400V系統中，由于電流高，電纜電阻增大，帶來較大的能量損耗，在快速充電速度下效率不是很高。800V比400V的效率高，在消耗相同電量的情況下，能量損失更少，充電速度自然就加快了。可以說，800V架構是治愈電動車駕駛員“里程焦慮”的一項新技術。
相比400V架構，800V的優勢體現在兩方面：800V=更快的充電速度；800V=更輕、更高效的車輛。首先，因流向電池組的電壓加倍，理論上充電速度就可以提升至原來的兩倍，所以，800V架構可以實現更快的充電速度。其次，大電流是增加電池熱量的重要來源，直流快速充電器產生的熱量使400V架構的電池過熱，這就是為什么充電速度在80%后會下降的原因。
另外，根據歐姆定律，800V架構可將充電電流減半，意味著車輛中的電纜和電氣部件都將變得更薄、更小、更輕，800V架構的車輛總質量就會比400V的小，進一步提高了車輛的性能和續航里程。還有一點也非常關鍵，在800V架構中，電池單元是串聯連接的，這種調整提高了熱效率，防止電池在較高充電速度下過熱。800V架構的這些優勢決定了接下來它必定會成為400V架構的升級版和繼承者。
電動汽車充電現在有三個級別，分別是：
1級，為120V，常常針對簡單的家用充電設備。 2級，208--240V，常見于公共充電設施。 3級，是指400--900V充電設施。
從中可以看出，800V架構的優勢僅在3級充電器（超高速充電器）上才能實現。事實上，我們現在談論800V架構并非紙上談兵，一些車輛已經具有800V架構。保時捷Taycan是第一款配備800V系統的在產車輛。與保時捷共同歸屬大眾集團的奧迪公司，其e-tron GT車型共享了Taycan的J1性能平臺，也配備了800V系統。也許有人會說，那些高端車型并不適合普通消費者。令人欣喜的是，800V架構已走進中端車型中，比如現代IONIQ 5和起亞EV6，它們都是擁有800V系統的電動汽車。包括通用、雷克薩斯和豐田等，許多汽車制造商已經宣布他們的800V電動汽車很快就會問世。
雖然800V架構并不是一種全新的充電技術，但它是電動汽車在下一個升級周期內將經歷的最大升級之一。不過，凡事都有兩面性，800V系統也有它的缺點，比如設計和工程成本高就是它的硬傷，并因此阻礙了該技術進入廉價電動汽車市場。
SiC器件是800V架構前行的關鍵
電動汽車剛開始流行時，市場上以22kW充電器為主，車輛要想充滿電可能需要幾個小時，甚至在某些情況下需要通宵充電，這些設備通常安裝在家庭和工作場所。后來，在公共區域安裝了50kW的“快速充電”充電樁，但充電速度仍然不能令人滿意。
現在，使用800V、350kW的充電器，電動車主完全可以在7分鐘內將64kWh的電池從20%充電到80%。而一個50kW、400V的充電器要完成同樣的工作需要大約1.5小時。舉一個實際的例子，如果保時捷Taycan連接到能夠提供800V和最小300A的充電器，在22分鐘內就能將電池電量從5%充到80%。
經過幾十年的發展，電動汽車取得了長足的進步，改進的電池技術在電動汽車銷量增長中發揮了重要作用。現在，碳化硅（SiC），一種強大的半導體技術，正在引領電動汽車進入一個性能更優、操作更便捷以及性價比更高的新時代。與硅（Si）相比，SiC有很多優勢，包括每個管芯面積提供的功率更大、開關速度更高、能效更高、熱性能更好，從而產生更小、更輕、成本更低的功率轉換系統，因此它能使電動汽車的性能更好、價格更具競爭力、充電速度更快、電池更小和/或車輛續航里程更大。
當應用于電動汽車的直流快充方案時，SiC MOSFET和二極管可以降低多達30%的損耗、提供2—3倍的開關速度，以及增加65%的功率密度。其他優勢還包括減少30%的組件以及降低總體系統成本。隨著越來越多的汽車制造商將其設計平臺轉移到800V架構，SiC器件在EV領域的應用將更加廣泛。
IDTechEx的一份分析報告《Power Electronics for Electric Vehicles 2022–2032》表明，自2021年開始，電動汽車架構向SiC MOSFET和800V以上高壓系統的過渡步伐不斷加快。雷諾（Renault）、比亞迪（BYD）和現代（Hyundai）等汽車制造商都宣布了新的800V車輛平臺，并將在其功率電子器件中采用SiC MOSFET。福特還與特斯拉、比亞迪和豐田一起推出了一款包含SiC電力電子器件的電動汽車模型Mach E。
SiC功率器件在EV中主要應用于主驅逆變器、OBC、DC/DC車載電源轉換器和大功率DC/DC充電器領域。隨著800V系統的推出，電機控制器的主驅逆變器很可能從硅基IGBT替換為SiC基MOS模塊。現在，SiC已成為大功率電動汽車傳動系電子設備、車上和車下電池充電的首選技術。
針對功率高達或超過150kW的直流電動汽車充電設計，Infineon有一系列高性價比的分立式和模塊產品可供選擇，其中包括600V CoolMOS超結MOSFET P7和CFD7系列、650V IGBT TRENCHSTOP 5和1200V CoolSiC MOSFET。CoolMOS和CoolSiC MOSFET的突出優勢在于支持高頻運行、功率密度高且開關損耗低，能有效提高各類電池充電系統的效率。
根據Infineon的測算，借助350kW的大功率直流充電系統，續航200公里需要充電大約7分鐘，非常有助于免除人們的續航里程焦慮。對于高達350kW的充電器，Infineon的CoolSiC MOSFET和二極管、功率模塊（例如CoolSiC Easy模塊）都能提供強有力的支撐。
其中，采用TO247-4封裝的CoolSiC 1200V MOSFET與IGBT和MOSFET等傳統硅（Si）基開關相比具有諸多優勢，包括1200V級開關中超低的柵極電荷和器件電容電平、抗換向體二極管無反向恢復損耗、獨立于溫度的低開關損耗以及無閾值導通特性，非常適用于硬開關和諧振開關拓撲結構，如功率因子校正（PFC）電路、雙向拓撲以及DC-DC轉換器或DC-AC逆變器。
圖2：Infineon CoolSiC 1200V溝槽式碳化硅MOSFET（圖源：Infineon）
采用了CoolSiC MOSFET、NTC溫度傳感器、PressFIT壓接工藝和氮化鋁陶瓷的Infineon EasyDUAL 2B 1200V、6mΩ半橋模塊，效率極高，冷卻要求很低，支持更高頻運行以及高功率密度，模塊化設計有助于縮短直流快充設計人員的開發周期。
圖3：Infineon EasyDUAL 2B 1200V模塊（圖源：Infineon）
800V架構雖然很優秀，但現在的公共基礎設施大多不支持800V直流快速充電。Vicor公司認為，目前要將所有充電站進行升級不是一個短期就能解決的方案，他們提出了一種投資相對較小、執行容易、能快速緩解眼下困境的方案——車載轉換解決方案。該方案可以實現400V和800V電動汽車電池與公共充電站之間的兼容性。 在Vicor的方案中，NBM6123在61 x 23mm CM ChiP封裝中提供6kW的400V和800V固定比率轉換，為電動汽車電池和公共直流快速充電站之間的兼容性提供高密度可擴展的車載解決方案。NBM6123是一個具有雙向能力的模塊，升壓或降壓轉換可使用相同的模塊來進行，還可以在800V充電期間為空調和機艙電子設備提供400V電源。
圖4：可實現400V和800V固定比率轉換的Vicor高性能汽車電源模塊（圖源：Vicor）
其實，早在2019年9月，德爾福就推出了可量產的800V碳化硅（SiC）AC/DC逆變器，該產品可以賦能電壓高達800V的電氣系統，相比如今400V系統，能大幅延長電動汽車（EV）的行駛里程并將充電時間縮短一半。該公司不久前與一家全球領先的OEM公司達成了一筆具有里程碑意義的27億美元訂單，用于在八年內批量生產該技術。
強大的800V架構還有哪些挑戰？
800V架構很好，然而，它也有短板，最大的缺點是系統需要新的工程設計，800對400不是簡單的數字翻倍。其次是在工程上的限制。對于接觸器、連接器以及電纜等部件而言，高電壓將會帶來安全和可靠性等一系列問題。相比400V架構，800V架構需要滿足更嚴格的隔離和防護要求，而這會提高解決方案的成本。
此外，將電池電壓從400V增加至800V，不可避免地要增加系統中的電池傳感器件，即電池單元控制器（BCC）。而傳感器件的數量增加隨之會轉變為對功能安全的挑戰。因此，現有的400V電動汽車不能通過更換一些零件而轉換為800V系統。另一個不容忽視的問題是，正在使用的大多數直流充電樁都不支持300kW以上的充電需求，尋找800V充電樁將是電動汽車車主面臨的一個挑戰。
為了應對上述大多數挑戰，NXP公司提供了一個頗具創新性的解決方案——可切換架構，即：在電池充電時，將電壓從原來的400V轉變為800V。該解決方案中，電池組由2個400V電池組成，這兩個電池在日常使用時并聯連接，并使用標準的400V傳動系統組件，如逆變器和車載充電器，同時電池容量和里程不會受到影響。
在充電期間，系統中的BMS將這兩個電池切換至串聯配置，從而將電壓提升至800V，同時降低電流，縮短充電時間。2x400V / 800V可切換電池架構為OEM提供了一個兩全其美的解決方案，既保證了更高的行駛里程，又能實現快速充電，并且不會產生額外的傳動系統組件成本。
NXP S32K3系列控制器是一款高度可擴展且應用廣泛的可擴展32位MCU，它基于工作頻率達240MHz的Arm Cortex-M7內核，內存可擴展，最高支持8MB的Flash，符合ASIL B和D等級以及ISO26262功能安全標準和ISO 21434網絡安全標準。S32K3系列控制器支持400V和800V架構以及新型可切換架構。為了創建更靈活的高效架構，設計人員可將NXP S32K3 BMS處理器與MC33665BMS收發器/網關IC結合使用。
圖5：用于400V轉變為800V切換架構的NXP S32K3系列控制器（圖源：NXP）
800V技術的未來展望
隨著世界各國立法最終禁止銷售汽油和柴油汽車，許多汽車公司正在加大電動汽車的產量。福特公司承諾到2030年將其歐洲市場的所有乘用車轉向電動。市場研究公司IHS Markit報告稱，在汽車制造商和全球政府的支持下，到2025年，全球汽車產量的45%將實現電氣化。現在每年大約售出4,600萬輛電動汽車，IHS Markit估計到2030年，這一數字將增長57%（約6,200萬輛）。
石墨烯是一種新興材料，電動汽車的800V架構對于石墨烯電池來說簡直是天作之合。與充電速度更快的電池配對，理論上800V可以在10分鐘或更短的時間內提供10—80%的電量。換言之，你可以在10分鐘內達到200英里或更長的行駛距離，這比現在的直流快充快多了。
根據國際能源署（IEA）的報告，2021年第一季度電動汽車（EV）銷量同比增長約140%。若要保持這一勢頭，關鍵是要讓電動汽車用起來和傳統汽車一樣方便，而這正是大功率直流充電的用武之地。
首先，較高電壓的驅動系統能夠以較小的電流提供相同的功率，最終的結果是車內電纜更輕、車輛的總質量更小，這就自然地增加了EV的續航里程。其次，如果電動汽車具有800V充電系統，并且充電樁可以與之匹配，則充電時間會顯著縮短，甚至會使汽車充電速度提升2倍。
盡管現在大多數電動汽車使用的是400V系統，但800V必將成為下一代電動汽車技術；到2025年，大多數電動汽車企業將轉向800V平臺。這些都是業界對800V技術寄予的期望。
(來源：貿澤電子)
免責聲明：本文為轉載文章，轉載此文目的在于傳遞更多信息，版權歸原作者所有。本文所用視頻、圖片、文字如涉及作品版權問題，請聯系小編進行處理。
推薦閱讀：
具備“通信+傳感”性能，B5G/6G時代，太赫茲波備受期待！
