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高低压电气架构的发展状态和演变趋势
2021-11-29 09:41:08· 来源：驱动视界
摘要：纵观汽车电源电压的发展历程，伴随着电动化的发展，电动汽车是全球汽车业界未来发展的主题，电动车消费高端化、高能量密度和充放电倍率的电池技术以及碳化
摘要：
纵观汽车电源电压的发展历程，伴随着电动化的发展，电动汽车是全球汽车业界未来发展的主题，电动车消费高端化、高能量密度和充放电倍率的电池技术以及碳化硅SiC IGBT高功率电子器件的发展为电动车高压化打下了坚实的发展基础。
随着保时捷Taycan的量产，800V高压系统开始正式走上了历史舞台，这将加速电动汽车高压化的竞争和各零部件高压技术的发展，高压化是未来必然趋势。
1. 汽车电源电压的发展历史
1.1 12V电压系统
从1886年卡尔本茨打造世界第一辆汽车面世，最初的汽车是没有电池的，到1918年汽车开始引入蓄电池，中间经过了近30年，随着起动机的广泛应用，蓄电池很快就普及开了，那时使用6V的系统，很快大概在1950年左右，汽车的电压就提升到了12V系统，直到现在。
1.2 48V电压系统
引入48V系统是因为12V的系统不够用了。
如果车上有了大功率用电设备，12V的低电压系统就需要很大的电流支撑，引入混合动力技术后，越来越多大功率部件就对提高电压提出了紧迫需求。
1.3 高压化是未来趋势
根据公式：P=UI，在功率（P）一定的情况下，想要降低电流（I）就得提高电压（U）。
车载用电器的功率越来越大，如果不提高电压，就只有增大电流了，但增大电流会让电路的发热量平方倍增加，导线横截面也增大变粗，带来电动汽车两大问题：耗电能大幅增加和重量增加，这将减少续航里程和增加能耗。
将电压提高至48V以上，它既能保证现在用电器的高功率，又可以减少电路上的能量损耗及发热问题。
高电压技术不是单纯的抬高电压，它同时对整个车上的相关高压部件提出了新的要求，需要调整众多的电气设计。
回顾历史，现在处于汽车电压系统发展的一个节点了。
电动汽车是全球汽车业界未来发展的主题，并且是环保出行方式的关键，新政策的规范是发展的一个重要因素，欧盟强制2020年乘用车燃料消耗量大概要达到4.1L/100km左右，日本4.9L/100km，中国5.0L/100km，以目前全世界所有发售的内燃动力汽车的数据来说，几乎都无法达标，所有汽车至少都要48V系统或油电混合或纯电动动力才行，高电压是必然趋势。
2. 电压等级划分依据
无论是国际标准还是国家标准，对整车车辆电压还是零部件和系统级别的电压，都是统筹兼顾，并没有明显的划分界限，目前对大电流、高电压和高功率相关的标准有待完善。
2017年3月，国际电工委员会TC69MT5-6工作组在荷兰代尔夫特召开了电动汽车大功率充电国际标准第一次会议，该工作组的目标就是为了实现大功率充电，对现有的标准进行全面修订以适应新的技术要求。
2.1 ISO 6469-3-2011 Electrically Propelled Road Vehicles
该标准将电动道路车辆电压等级划分为A级电压和B 级电压，对A级电压只需基本的功能防护，对B 级电压的保护包括基本防护和故障防护。
电压等级划分明确了不同的车辆电路系统可满足不同的安全要求，降低了对A 级低压电路系统不必要的保护成本，对汽车工业的发展起到了积极作用。
2.2 GB/T 31466-2015电动汽车高压系统电压技术规范
该标准规定了电动汽车高压系统，包括动力电池和/或高压配电、电机及其控制器系统、电动压缩机总成、DC/DC变换器、车载充电机和PTC加热器等的直流电压等级，适用于纯电动汽车和混合动力电动汽车。
根据该标准，直流等级有6个优选等级，分别如下：
2.3 GB/T 18488.1-2015 电动汽车用驱动电机系统
该标准规定了驱动电机系统的工作制、电压等级、型号命名、要求、检验规则以及标志与标识等，适用于电动车用驱动电机系统、驱动电机、驱动电机控制器。
根据该标准，直流等级有23个，优选等级有6个：
驱动电机系统直流母线额定电压取以下等级：36V、48V、60V、72V、80V、120V、144V*、168V、192V、216V、240V、264V、288V*、312V*、336V*、360V、384V*、408V、540V、600V*、650V、700V、750V。
注：标有“*”的为优选等级。
2.4 GB/T18487.1-2015电动车辆传导充电系统一般要求
该标准规定了电动汽车传导充电系统分类、通用要求、通信、电击防护、电动汽车和供电设备之间的连接、车辆接口和供电接口的特殊要求、供电设备结构要求、性能要求、过载保护和短路保护等。
适用于为电动汽车非车载传导充电的电动汽车供电设备，包括交流充电桩、非车载充电机、电动汽车充电用连接装置等，其供电电源额定电压最大值为1000V AC或1500V DC。
电动汽车供电设备按照输出电压分类：
---交流：单相220V，三相380V；
---直流：200V-500V，350V-700V,500V-950V.
直流充电电流优选值：80A，100A,125A,160A,200A,250A。
注：高于950V的供电设备由车辆制造商和供电设备制造商协商决定。
2.5 GB/T 24347-2009电动汽车DC/DC变换器
该标准规定了电动汽车DC/DC变换器的要求、试验方法等，适用于动力电源系统用DC/DC变换器。
根据该标准，DC/DC输入/输出电压等级要求如下：
DC/DC变换器的输入/输出电压值可按照12V的整数倍划分，例如12V、24V、36V、48V、┈ ┈、600V。
3. 电动车高压化的主要影响因素
通常情况下，电动汽车乘用车的系统电压为200-400V左右，商用车为500-800V左右。
如果想要延长汽车续航距离的话，必须要将几块电池并联起来，以此来增加电池容量，但造成的弊端就是，充电时间也会随之增加，如果将EV汽车的系统电压增加至800V的话，便可以在短时间内为大容量的电池充满电。
3.1 电动车高端化，大电量是高压化和大功率充电的主要推动力
电动车市场消费从中低端向高端市场变化趋势明显，新补贴政策将促进新能源乘用车在微观的消费由政策导向转向市场导向，随着电池技术的持续发展，能量密度的不断提高，电动车的电量增加和续航里程提升是必然趋势。
车主对使用环节中的里程、充电焦虑抱怨多，消费者对快速充电的需求度高，现行的快充技术由于实际充电效率低，消费者不买账，未来搭载800V以上的大功率快充技术的车型将成为新方向。
3.2 电池技术的发展是电动车长续航和快充需求的基础
根据《节能与新能源汽车技术路线图》，2020 年动力电池单体能量密度将达到300Wh/kg 甚至350Wh/kg，三元正极材料产业化路径从NCM111、NCM523、NCM622 再到NCM811，增镍降钴趋势明显，当前NCM811 的商业化应用已趋于成熟。
正极材料端选择NCM811 成为最优技术路线，NCM811 能量密度可达到280 Wh/kg 以上,相较于目前主流三元NCM523，能量密度提升18%左右，较NCM622 提升近12%。
3.3 高功率器件IGBT是电动车高压化的关键
新能源汽车中用到功率器件的部件非常广泛，电机控制器、DC-DC变换器、充电/逆变、电空调驱动等高压部件一般使用的是IGBT功率模块，随着电气化、自动化的发展，新能源汽车对功率器件的性能和可靠性提出了更为严苛的要求：更高的工作电压、更快的开关频率、更大的电流承载能力、更高的耐温性能、更强的散热能力。
碳化硅有更宽的带隙，它的带隙为硅的3倍，可以耐受更高的电压（10倍），有更好的导热特性（3倍）以及有更好的高温稳定性。
同时它的同功率尺寸要比硅更小，并且有更快的开关速度。更快的开关速度就意味着更小的开关损耗。
因此它特别适合高开关速度或大功率的场合。
800V电池系统中，碳化硅SiC功率电子的优势体现的尤其明显。
2019年，已有多家零部件供应商发布了开发、量产SiC电驱动系统的计划，例如国外的博世、德尔福、采埃孚，国内的比亚迪。
博世、采埃孚、德尔福和比亚迪四家的碳化硅基芯片的应用重点均集中于电控模块，批量应用时间点起始于2022年或2023年。
4. 高压系统的最新发展应用
目前800V 系统电压主要是高端跑车，比如保时捷Taycan，奔驰Project One，奥迪 AICON，保时捷 919 Hybrid，柯尼塞格Regera等，在可预见的将来，高电压技术将从高端车型下沉应用到普通车型。
4.1 丰田普锐斯
日本丰田汽车于1997年所推出世界上第一个大规模生产的混合动力车辆，其技术一直更新换代，普锐斯的镍氢电池组由松下制造，使用168个电压为1.2V电芯串联而成，总电压为201.6伏，电池容量1.3kWh，重量为53.3公斤,混合动力系统“THS（TOYOTA Hybrid System）-II和III，基于约200V的电池输出电压，升压至650V，高电压可以在低电流下实现相同的输出，减少绕组中的损耗（铜损）。
4.2 比亚迪新能源车型
比亚迪电动汽车动力电池电压多为650多伏,充电电压达到700多伏。
比如2019年比亚迪为全新一代唐EV也构建了一个目前还很少有人达到的高电压系统，全新一代唐EV 600D的82.8kWh容量电池组额定电压为613.2伏，这就意味着系统承压应该为800伏水平。
比亚迪e5动力电池由13个电池模组串联而成，每个模组内部有单体电池，每个单体电池的标称电压是3.2 V，容量为75 Ah，电池总电压同样达到633.6 V。
4.3 柯尼塞格跑车Regera
2016年柯尼塞格在发布了一款全新跑车Regera，新车使用了混动系统，搭载5.0T V8发动机，三台电动机，百公里加速用时仅为2.8秒。
柯尼塞格发明的世界首个800伏混动发动机，最大输出功率1119千瓦，峰值扭矩1998牛米。
4.4 Fisker电动跑车EMotion
2016年，Fisker旗下电动跑车EMotion车型就公布了他们将会采用800V充电桩，能在9分钟内充入200公里的续航里程，动力上或将搭载一套145千瓦时的电池组。
4.5 高功率充电网络
2017年年 7 月，保时捷在德国柏林建成了第一个 350kW 快充，同年 9 月在美国建成了第一个。
这些充电站目前只支持 50-150kW 的充电功率，等有了支持350kW 充电功率的车出现后，才会功率全开。
在 350kW 快充领域，也发生了一个有趣的变化：车企开始抱团合建充电网络，宝马、保时捷、奔驰和福特已经达成合作，计划在欧洲建设 350kW 充电网络，这些车企又希望把充电功率提高到450kW。
主要的充电组织如CharIN、CHAdeMO等将快充的目标定为1000V，350A。
4.6 奔驰AMG Project One
2018年10月，梅赛德斯奔驰推出首款顶级超跑，“Project One”正式定名为“AMG One”，量产车型全球限量275台，售价高达227.5万欧元且已全部售罄，AMG One搭载1.6升涡轮增压V6混动引擎，配有8挡AMT变速箱，最大功率输出将超过740千瓦，AMG One从静止加速到200公里/小时时速耗时不足6秒，最高时速将超350公里/小时。
它配备了100kg的锂电池，使用了800伏电池组，使得多组大功率电机的配备成为可能，最大纯电续航里程为24公里，锂电池还提供动力需要时加强的额外功率。
4.7 保时捷919 Hybrid
2018年6月，保时捷919 Hybrid Evo打破纽北圈速纪录，跑出了1分41秒77，比2017最快的F1赛车还要快将近1秒，保时捷919 Hybrid赛车成功的秘诀就在这款超小尺寸的V型四缸2.0T V4发动机加上独特的混合动力系统。
超紧凑型2.0L排量涡轮增压发动机，功率达到了近500马力。还有一项保时捷919 Hybrid车型所使用的独特技术，那就是该车型率先使用的800V高压锂电池。
凭借这套800V高性能动力总成，保时捷919 Hybrid获得了当年的勒芒24小时耐力赛的冠军。
4.8 保时捷纯电动超跑Taycan
2019年9月，保时捷首辆纯电动超跑Taycan全球首发，搭载源自919 Hybrid赛车的800V电气系统，成为全球唯一一款采用800V电气系统的量产电动车，两台电动机，综合最大输出功率为440kW，约600马力，后驱系统采用的是二档变速系统，可实现0-3.3秒内100公里/小时的加速性能，400V和800V系统都采用基本的390模组作为基础单元，主要供应商都是LG化学，Taycan的96kWh采用了34个模组，一共408个电芯。
通过一个前升压系统，把传统的400V升高到800V的高压母线，这样可以实现车辆在常规充电站上也能进行补电，可在15分钟内完成80%的充电量。
保时捷研发了自己的电动机、变流器和车载充电器，这些使用的都是和400V系统相同的控制原理，但不同的是，保时捷使用了能承受800V或者1000V的电源开关。
4.9 美国电动车RIVIAN
2019年12月，美国电动车企业RIVIAN宣布，旗下电动皮卡R1T和SUV车型R1S，在160kW直流快充模式下，充电30分钟便可以使续航里程增加322公里左右，目前RIVIAN原车配备的是400V充电电压标准的部件，但在设计之初RIVIAN已经为未来的升级做好了准备。
目前，RIVIAN正在研发具备双电压，峰值电压900V，标准电压800V的电池组，这两款车型都具备可升级至匹配800V充电电压的架构。
5. 小结
纵观汽车电源电压的发展历程，伴随着电动化的发展，电动汽车是全球汽车业界未来发展的主题，电动车消费高端化、高能量密度和充放电倍率的电池技术以及碳化硅SiC IGBT高功率电子器件的发展为电动车高压化打下了坚实的发展基础。
随着保时捷Taycan的量产，800V高压系统开始正式走上了历史舞台，这将加速电动汽车高压化的竞争和各零部件高压技术的发展，高压化是未来必然趋势。
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