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為什么我們認(rèn)為整車800V技術(shù)會提前應(yīng)用？

2021-12-26 12:04:23·  來源：NE Times  作者：Brick  
　
2018年的時候，NE時代被問到了一個問題，什么時候能出現(xiàn)800V的EV？當(dāng)時我們大概下了這樣一個結(jié)論：“高壓平臺是未來發(fā)展的方向，但短期內(nèi)不會有產(chǎn)品推出，800V平
2018年的時候，NE時代被問到了一個問題，什么時候能出現(xiàn)800V的EV？當(dāng)時我們大概下了這樣一個結(jié)論：“高壓平臺是未來發(fā)展的方向，但短期內(nèi)不會有產(chǎn)品推出，800V平臺的大規(guī)模量產(chǎn)應(yīng)該在2023年左右，并且將會先在豪華車品牌上落地”，當(dāng)時有這個預(yù)判的原因是我們認(rèn)為相關(guān)技術(shù)和產(chǎn)業(yè)鏈需要時間在2023年達(dá)到支撐其成本到民用級水平。
然而在2021年上海車展上諸多車企的動向說明我們的預(yù)判可能趨于保守了。北汽極狐αS 和華為合作的Hi版搭配華為的高壓三電平臺是國內(nèi)首個實現(xiàn)800V高壓平臺量產(chǎn)銷售的車型，保時捷在兩年前率先量產(chǎn)了800V電壓平臺，其他歐洲車企在歐洲上市車型均采用800V高壓平臺；2022年前后將會有更多高壓車型落地中國，比亞迪宣布其e平臺3.0版本將支持800V閃充；廣汽AionY推出憑借800V以上電壓將實現(xiàn) 8分鐘充電80%的超級快充；奇瑞的鯤鵬混動將會推出800V的PHEV方案；現(xiàn)代即將量產(chǎn)的E-GMP支持400/800V的快充。搭載高壓架構(gòu)的車型越來越趨向于經(jīng)濟型定位，說明800V技術(shù)的進(jìn)展無論是時間還是可覆蓋的車型級別都要快于我們當(dāng)時的判斷。
目前800V的好處，最顯著的一點就是充電時間的提升，改善消費者的體驗；為了提升電動車較燃油車的競爭力，車企對這一技術(shù)的應(yīng)用肯定是迫切的，但變更為800V的直流母線電壓后可能出現(xiàn)的諸多問題是否真的得到了解決？在5月13日中汽中心組織的新能源汽車電驅(qū)動系統(tǒng)國際交流會上，產(chǎn)業(yè)“高壓化”這一話題被各個專家頻頻提起，再一次堅定了行業(yè)向高壓化發(fā)展的信心。
整車高壓安全策略無質(zhì)變要求
電壓升高以后引發(fā)的問題是，是否會給高壓安全帶來更大的挑戰(zhàn)，從400V到800V到底是量變還是質(zhì)變？
在由IEC(國際電工委員會）制定的標(biāo)準(zhǔn) IEC 60038 中定義了一系列高壓及低壓供電系統(tǒng)的電壓標(biāo)準(zhǔn)。其中直流電壓120-1500V定義為低壓，在這一電壓范圍內(nèi)，無論是400V，還是800V，面對的問題都是觸電的風(fēng)險。


《IEC 60038 標(biāo)準(zhǔn)電壓》中1500V以下風(fēng)險都是以觸電為主
現(xiàn)在的電動車大部分都采用了IT電網(wǎng)來保證高壓安全，即車內(nèi)的高壓部件的外殼都和車身搭鐵等電位聯(lián)接，電源側(cè)不接地，不與車身聯(lián)接，假如某個高壓部件出現(xiàn)漏電的情況，人接觸漏電部件后，并不會形成閉合回路，也就不會形成電流。而如果出現(xiàn)兩個漏電故障的情況，就切斷高壓供電系統(tǒng)，從而避免出現(xiàn)人員觸電的風(fēng)險。
由于800V的電壓并未出現(xiàn)電弧的風(fēng)險，對于整車高壓防護策略帶來的安全挑戰(zhàn)并不大，如何保障電壓提高后高壓部件的安全和可靠性問題則至關(guān)重要。
高壓元器件耐壓器件完成技術(shù)儲備，成本有提升
要在額定電壓下持續(xù)工作的高壓元器件必須要根據(jù)耐壓進(jìn)行重新選型。這其中以Si-IGBT首當(dāng)其沖，在電機控制器、OBC、DC-DC、PTC、電動壓縮機中均有應(yīng)用。電機控制器在工作過程中會在直流母線電壓基礎(chǔ)上產(chǎn)生電壓浮動，如下圖所示，450V的直流母線電壓下，IGBT在模塊承受的最大電壓在650V左右，當(dāng)前英飛凌、富士電機、三菱等功率器件廠商推出器件也以600、750V耐壓為主；如果直流母線電壓提升到800V以上，那么對應(yīng)的功率器件耐壓則需要提高到1200V左右。



450V母線電壓下IGBT實際的耐壓需求接近650V
英飛凌、富士、羅姆等功率器件廠商在2019年左右就有1200V耐壓的汽車級IGBT模塊面世，對于800V的平臺而言，供應(yīng)鏈已經(jīng)相對成熟。因為1200V耐壓等級的Si-IGBT市場競爭較750V耐壓的要相對緩和，功率器件的成本可能會有些許的升高，但隨之而來更嚴(yán)重的問題是高耐壓的IGBT阻抗升高，頻率性能下降，在下圖中，可以明顯看到在同等的頻率下，由400V升高到800V后，Si-IGBT器件的導(dǎo)通損耗、開關(guān)損耗都有顯著的上升，就單個部件來說，會出現(xiàn)為了提高耐壓，而出現(xiàn)成本上升，但效能下降的問題。



800V直流母線電壓下Si-IGBT的功率損失升高
對于800V平臺還有一個選擇就是SiC的應(yīng)用，SiC由于其高耐壓的特性，在1200V的耐壓下阻抗遠(yuǎn)低于Si，對應(yīng)的導(dǎo)通損耗會相應(yīng)降低，同時由于SiC可以在1200V耐壓下選擇MOSFET封裝，可以大幅降低開關(guān)損耗，這將大幅提高功率器件的能耗，有研究指出，應(yīng)用1200V的碳化硅模塊較750V的IGBT模塊可以將整車能耗降低7.9%；但當(dāng)前階段，SiC的產(chǎn)能規(guī)模、良率等都存在問題，造成其成本可能要遠(yuǎn)高于Si-IGBT，據(jù)行業(yè)內(nèi)人士指出，二者目前成本差距在3倍以上。
除了IGBT之外，繼電器、熔斷器、薄膜電容等器件也會受到電壓升高的影響和挑戰(zhàn)。對于繼電器的考慮主要由于同一款繼電器本身在工作電壓升高后，其電氣壽命會出現(xiàn)下降，這使得繼電器在基本的壽命需求下，更高的耐壓值就意味著更高的成本。熔斷器、薄膜電容等也面臨著類似的問題，隨著額定電壓的提升，器件的成本也會有所增加。



額定電壓的提升對繼電器電氣壽命存在較大挑戰(zhàn)
總體來說800V確實會帶來一些物料成本層面的提升，但如果選擇1200V的Si-IGBT，對于偏經(jīng)濟型定位的車型，短期內(nèi)增加的成本還是可以逐步被消化的，一方面是整車充電性能提升帶來的溢價，另一方面是電芯成本的持續(xù)下降為這部分成本的增加提供了空間，對整車售價和OEM的收益水平并不會產(chǎn)生太大的影響。而當(dāng)未來SiC的應(yīng)用規(guī)模擴大，其成本將會隨著規(guī)模和良率的上升逐步下降；甚至隨著SiC的應(yīng)用，進(jìn)一步的降低電池電量，在整車層級節(jié)省更多的物料成本。
800V提升對絕緣系統(tǒng)可靠性的挑戰(zhàn)
而在絕緣材料應(yīng)用層面，800V對大部分絕緣材料本身的挑戰(zhàn)并不大，如在高壓線束的絕緣層一般選用硅橡膠和XLPE(交聯(lián)聚乙烯 )等材料，這些材料每1mm的擊穿電壓值都在25kV以上，只提升400V帶來的挑戰(zhàn)有限；如環(huán)氧樹脂、工程塑料、漆包線的直流耐壓水平都在2000V以上，電性能并非目前這些材料的主要門檻。但如何保障絕緣系統(tǒng)的可靠性則是主要難題。

電機內(nèi)部是最復(fù)雜的絕緣方案應(yīng)用場景，涉及到電氣、磁、熱、機械等多方面因素的影響和制約，絕緣方案的可靠性至關(guān)重要；就比如局部放電問題的解決，單單依靠絕緣材料本身是不足的，如下圖所示，一旦電機繞組中導(dǎo)線之間或?qū)Ь€和疊片之間絕緣系統(tǒng)有缺陷或受損傷（圖示中為絕緣系統(tǒng)內(nèi)部有空穴），那么高電壓產(chǎn)生的電場則會導(dǎo)致這一類似電容的結(jié)構(gòu)被擊穿，產(chǎn)生局部電流，這部分電流將會逐步破壞絕緣材料，產(chǎn)生熱量加速電機絕緣系統(tǒng)的老化，最終造成失效。由400V平臺升級到800V平臺后，對杜絕局部放電現(xiàn)象的挑戰(zhàn)就更大了。



電機局部放電的原理圖
據(jù)悉，華為為了突破油冷電驅(qū)系統(tǒng)高壓化，在絕緣系統(tǒng)方面，投入了大量的人力和時間，通過與高校以及科研機構(gòu)開展詳細(xì)理論研究，以及復(fù)雜的耐久及兼容性試驗，建立了一套完善的高壓油冷絕緣系統(tǒng)驗證以及驗收體系。通過對介電應(yīng)力系數(shù)、加工降額系數(shù)、溫度/氣壓降額系數(shù)等的一系列量化，從理論以及實踐上充分驗證了該高壓油冷系統(tǒng)的可靠性。能夠滿足不同的客戶公里數(shù)需求、不同的運行工況等，進(jìn)行精確的絕緣系統(tǒng)設(shè)計和選型。特別是在耐電暈腐蝕、耐高局部放電起始電壓等方面，通過各類耐久及加速試驗，實現(xiàn)了高壓油冷絕緣體系高可靠性。
挑戰(zhàn)高電壓對電機帶來軸承耐腐蝕挑戰(zhàn)
除了耐壓、絕緣的問題之外，電壓升高會增大對電機軸承耐壓性能的挑戰(zhàn)。由于直流母線電壓提升，對應(yīng)的電流下降，電機在單位電流下能提升的扭矩將會大幅提升，這導(dǎo)致電機的匝數(shù)翻倍，繞組、磁鏈等都需要重新設(shè)計，除此之外還有軸電流導(dǎo)致的失效風(fēng)險加劇的挑戰(zhàn)。軸電流是因為電機運行過程中，磁通量不對稱、靜電效應(yīng)、逆變器感應(yīng)電壓等因素導(dǎo)電機軸上產(chǎn)生最大與母線電壓相近的共模電壓，有相關(guān)研究表示，一般軸承之間的潤滑膜可以承受最大21V的電壓差，但而在300V的平臺下，軸承電壓差最高可以達(dá)到30V，導(dǎo)致潤滑油脂被擊穿，從而產(chǎn)生軸電流，對金屬部件造成電腐蝕，其中軸承失效的風(fēng)險最大，有研究指出40%以上的電機失效是軸電流導(dǎo)致的電機軸承失效問題。而隨著母線電壓的升高到800V，軸承電壓將會達(dá)到80V以上，軸承失效的風(fēng)險也會大幅提升。



軸承內(nèi)潤滑油脂被擊穿后將會產(chǎn)生軸電流
目前行業(yè)的解決方案一般用導(dǎo)電環(huán)將電機軸直接接地，應(yīng)用陶瓷軸承、或者更高絕緣性能的油脂來提高阻抗抑制電流大小，或者采用控制策略來降低共模電壓從而消減軸電流的產(chǎn)生。
為應(yīng)對這一問題，華為智能電動領(lǐng)域副總裁彭鵬于今年5月12日在中汽中心舉辦的“新能源汽車電驅(qū)動系統(tǒng)國際交流會”中提及，華為采用了“ 富蘭克林”專利導(dǎo)流方案，增加額外的旁路導(dǎo)電回路來釋放軸電壓和軸電流，有效降低軸承間油膜被擊穿的風(fēng)險。同時華為采用專利配比的導(dǎo)電油脂，具有優(yōu)異的導(dǎo)電特性和兼容性，耐溫耐壓，進(jìn)一步避免軸承電腐蝕的產(chǎn)生。經(jīng)測試驗證，專利導(dǎo)流方案有效降低峰值軸電壓20倍，達(dá)到安全閾值以內(nèi)。在耐久臺架對比測試中，華為高壓油冷電機比業(yè)界普通水冷電機在相同的測試條件下，使用壽命多2倍，較業(yè)界有更高的可靠性及更優(yōu)的NVH表現(xiàn)。



華為采用“富蘭克林”專利導(dǎo)流創(chuàng)新技術(shù)解決軸承電腐蝕難題
E2E零部件的產(chǎn)業(yè)化不再是問題
以上是技術(shù)上的挑戰(zhàn)和問題，除此之外還有產(chǎn)業(yè)化的問題，對于整個800V體系，零部件廠商需要基于新的材料和設(shè)計方案進(jìn)行重新開發(fā)和驗證，這其中需要投入一定的開發(fā)成本， 如果沒有廣闊的市場前景，那么零部件供應(yīng)商必然缺少開發(fā)這類產(chǎn)品的動力。這也是為什么保時捷Taycan不得不使用了400V的空調(diào)壓縮機的原因。在本次上海車展上，我們看到了諸多零部件廠商已經(jīng)有公開展示其800V的高壓產(chǎn)品。

如電動壓縮機這一產(chǎn)品，我們在上海車展就有看到兩家供應(yīng)商展出相應(yīng)產(chǎn)品，馬勒展出了其800V的壓縮機逆變器，專為800V的平臺開發(fā)，該產(chǎn)品已經(jīng)量產(chǎn)準(zhǔn)備就緒。除了馬勒之外，本土企業(yè)美的威靈也展出了一套兼容400V/800V的電動壓縮機產(chǎn)品。在PTC方面，博格華納展出的液體加熱器也提供了兼容800V電壓可選項。而在電驅(qū)動系統(tǒng)方面也是如火如荼；日立和馬瑞利兩家直接展出了其直接應(yīng)用在Taycan上800V設(shè)計的電驅(qū)動部件。除了量產(chǎn)的產(chǎn)品外，也有一些供應(yīng)商推出了處于開發(fā)中的800V的驅(qū)動系統(tǒng)相關(guān)產(chǎn)品，博格華納在展臺上介紹了正處于開發(fā)中的800V的SiC控制器。而匯川、美橋等均展出了其可以兼容800V平臺的產(chǎn)品。
除了部分推出單個部件的解決方案的供應(yīng)商外，華為在本次上海車展展示的全棧動力域高壓產(chǎn)品，均支持800V的高壓，這套全棧式高壓解決方案，在今年搭載北汽極狐阿爾法S的HI版本量產(chǎn)上市。



華為的全棧高壓解決方案在2021年已達(dá)到量產(chǎn)狀態(tài)
結(jié)語
高壓800V帶來更不一樣的用戶體驗，但為了保障相關(guān)部件的可靠性，帶來了更多的技術(shù)挑戰(zhàn)，這將會導(dǎo)致部分物料成本的升高和額外的開發(fā)成本。但以今天為時間節(jié)點來看，我們可以發(fā)現(xiàn)各方面的技術(shù)問題都已經(jīng)有可落地的解決方案，剩下的就是成本問題了。 但在電動車發(fā)展路徑上的諸多案例告訴我們，成本問題是可以隨著市場的擴大和技術(shù)的演進(jìn)來解決的。解決這一問題往往需要的是“第一推動力”。

所以2021年的上海車展還只是個開始，我們相信將會有越來越多的車企推出面向超級快充的800V整車平臺， 這項技術(shù)很快將不再是專屬于高端車型的超級跑車，而是成為普通消費者都能切身體驗到的技術(shù)。
參考文獻(xiàn):
Wikipedia:IEC 60038 標(biāo)準(zhǔn)電壓;
驅(qū)動視界：288 750V耐壓用的igbt，可用最高工作電壓與哪些有關(guān)，如何優(yōu)化提升可用工作電壓？
Feng HE, Guoxin XIE*, Jianbin LUO :Electrical bearing failures in electricvehicles;
Viteso:INCREASED SYSTEMEFFICIENCY BY AN 800 VOLT AXLE DRIVE CONCEPT
華為：聚力高壓化發(fā)展，共擎電動化未來
NE時代：碳化硅到底還能不能跟IGBT叫板了？
NE時代：比亞迪半導(dǎo)體值不值300億？IGBT報告告訴你答案
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