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800V高壓系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)力和系統(tǒng)架構(gòu)分析——架構(gòu)選擇和產(chǎn)品挑戰(zhàn)是什么？

2022-02-27 11:22:25·  來源：聯(lián)合電子  
　
上回我們分析了800V高壓系統(tǒng)的市場(chǎng)和技術(shù)驅(qū)動(dòng)力，實(shí)際800V應(yīng)用下有哪些整車電氣系統(tǒng)架構(gòu)，孰優(yōu)孰劣？相關(guān)800V產(chǎn)品技術(shù)實(shí)現(xiàn)的挑戰(zhàn)有哪些？合適的產(chǎn)品有哪些？800V
上回我們分析了800V高壓系統(tǒng)的市場(chǎng)和技術(shù)驅(qū)動(dòng)力，實(shí)際800V應(yīng)用下有哪些整車電氣系統(tǒng)架構(gòu)，孰優(yōu)孰劣？相關(guān)800V產(chǎn)品技術(shù)實(shí)現(xiàn)的挑戰(zhàn)有哪些？合適的產(chǎn)品有哪些？
800V高壓系統(tǒng)下
汽車系統(tǒng)架構(gòu)會(huì)出現(xiàn)哪些變化？
有碳化硅技術(shù)加持的800V高壓系統(tǒng)有諸多優(yōu)勢(shì)，從趨勢(shì)上判斷800V高壓系統(tǒng)未來將成為大功率充電技術(shù)（>200kW）的主流方案。
但是，技術(shù)的發(fā)展不是一蹴而就的，受產(chǎn)業(yè)鏈慣性影響，800V充電樁以及800V車載高壓部件等配套短期內(nèi)還不完善，不足以支撐終極800V高壓系統(tǒng)的快速推廣，當(dāng)下需要重點(diǎn)考慮兩點(diǎn)：兼容400V充電樁和800V充電樁應(yīng)用；兼容某些400V車載部件應(yīng)用。這就衍生出五種不同的800V高壓系統(tǒng)下汽車系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)方案，如下表：
圖1 常見800V高壓系統(tǒng)架構(gòu)綜合比較圖
  • 第一種方案：車載部件全系800V，電驅(qū)升壓兼容400V直流樁方案。其典型特征是：直流快充、交流慢充、電驅(qū)動(dòng)、動(dòng)力電池、高壓部件均為800V；通過電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)升壓，兼容400V 直流充電樁。
圖2 第一種800V高壓系統(tǒng)架構(gòu)圖
  • 第二種方案：車載部件全系800V，新增DCDC兼容400V直流樁方案。其典型特征是：直流快充、交流慢充、電驅(qū)動(dòng)、動(dòng)力電池、高壓部件均為800V；通過新增400V-800V DCDC升壓，兼容400V 直流充電樁。
圖3 第二種800V高壓系統(tǒng)架構(gòu)圖
  • 第三種方案：車載部件全系800V，動(dòng)力電池靈活輸出400V和800V，兼容400V直流樁方案。其典型特征是：直流快充、交流慢充、電驅(qū)動(dòng)、動(dòng)力電池、高壓部件均為800V；2個(gè)400V動(dòng)力電池串并聯(lián)，通過繼電器切換靈活輸出400V和800V，兼容400V直流充電樁。
圖4 第三種800V高壓系統(tǒng)架構(gòu)圖
  • 第四種方案：僅直流快充相關(guān)部件為800V，其余部件維持400V，新增DCDC部件進(jìn)行電壓轉(zhuǎn)換器方案。其典型特征是：僅直流快充和動(dòng)力電池為800V；交流慢充、電驅(qū)動(dòng)、高壓部件均為400V；新增400V-800V DCDC，實(shí)現(xiàn)400V部件與800V動(dòng)力電池之間的電壓轉(zhuǎn)換，兼容400V 直流充電樁。
圖5 第四種800V高壓系統(tǒng)架構(gòu)圖
  • 第五種方案：僅直流快充相關(guān)部件為800V，其余部件維持400V，動(dòng)力電池靈活輸出400V和800V方案。其典型特征是：僅直流快充為800V；交流慢充、電驅(qū)動(dòng)、負(fù)載均為400V；2個(gè)400V動(dòng)力電池串并聯(lián)，通過繼電器切換靈活輸出400V和800V，兼容400V和800V 直流充電樁。
圖6 第五種800V高壓系統(tǒng)架構(gòu)圖
以上五種800V高壓系統(tǒng)架構(gòu)方案在實(shí)際整車上都有一定適用性，通過更詳細(xì)的性能、系統(tǒng)成本以及整車改造工作量評(píng)估，我們認(rèn)為方案一800V高壓系統(tǒng)架構(gòu)方案即“車載部件全系800V，電驅(qū)升壓兼容400V直流樁方案”擁有綜合優(yōu)勢(shì)，預(yù)測(cè)短期內(nèi)能夠快速推廣。
800V高壓系統(tǒng)架構(gòu)下
三電系統(tǒng)是否有變化，如何保證安全可靠？
整車400V系統(tǒng)升級(jí)到800V高壓系統(tǒng)，直接的影響是電氣電壓提升帶來耐壓和絕緣的可靠性設(shè)計(jì)問題，這個(gè)是對(duì)所有三電部件的共性問題；潛在的影響有充電功率提升、驅(qū)動(dòng)功率提升以及碳化硅技術(shù)的極致發(fā)揮帶來三電產(chǎn)品設(shè)計(jì)上的諸多挑戰(zhàn)：
三電部件共性耐壓絕緣設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)：
常規(guī)設(shè)計(jì)方面，一者電氣部件主功率回路相關(guān)的電氣間隙、爬電距離要重新設(shè)計(jì)；二者高低壓部件的信號(hào)隔離回路也需要重新設(shè)計(jì)以應(yīng)對(duì)耐壓絕緣問題；三者使用更高耐壓的絕緣材料。特殊設(shè)計(jì)方面，比如涉及到電氣、磁、熱、機(jī)械等多方面因素的電機(jī)部件，可能存在局部放電問題。
電池包技術(shù)挑戰(zhàn)：
充電功率提升后，電芯充電倍率將由1C提升到>=3C。在高充電倍率下，一方面將造成活性物質(zhì)的損失，影響電池容量和壽命；另一方面，鋰枝晶一旦刺穿隔膜，將導(dǎo)致電池內(nèi)部短路，造成起火等安全風(fēng)險(xiǎn)。
電機(jī)技術(shù)挑戰(zhàn)：
直流母線電壓提升后，電機(jī)的絕緣距離增加較多，需要考慮額外的絕緣設(shè)計(jì)，同時(shí)高電壓會(huì)導(dǎo)致“電暈”現(xiàn)象產(chǎn)生，如何保證全壽命電疲勞是一個(gè)對(duì)成本和技術(shù)的雙重考驗(yàn)。另外由于電壓的提升，改變了原400V電機(jī)功率扭矩配比，需要重新為800V設(shè)計(jì)電磁方案，勢(shì)必帶來產(chǎn)線投資的增加。除此之外還有軸電流導(dǎo)致的失效風(fēng)險(xiǎn)加劇的挑戰(zhàn)。綜合而言，在800V架構(gòu)下，如何以較低的成本來滿足客戶的扭矩、功率和效率要求，需要一定技術(shù)門檻，是個(gè)巨大挑戰(zhàn)。
電機(jī)控制器技術(shù)挑戰(zhàn)：
首先，800V電機(jī)控制器設(shè)計(jì)必須考慮高功率密度、高耐熱、高頻率切換應(yīng)用下的產(chǎn)品可靠性。其次，伴隨著800V電壓以及碳化硅逆變器頻率的提升，逆變器內(nèi)部du/dt大幅提升，這帶來逆變器EMC設(shè)計(jì)的巨大挑戰(zhàn)。
其他部件技術(shù)挑戰(zhàn)：
800V OBC、800V DCDC、800V電池高壓繼電器/熔斷器/連接器、充電樁等都需要進(jìn)行升級(jí)，這對(duì)汽車研發(fā)設(shè)計(jì)者帶來較大的挑戰(zhàn)。
800V高壓系統(tǒng)架構(gòu)下
聯(lián)電解決方案
為了推動(dòng)行業(yè)800V高壓系統(tǒng)的快速發(fā)展，聯(lián)合電子目前推出了800V三合一電橋產(chǎn)品方案、800V充配電三合一產(chǎn)品方案、兼容400V/800V 充電樁的升壓控制模塊方案以及800V BMS電池控制器等產(chǎn)品，持續(xù)為國(guó)內(nèi)和國(guó)際OEM提供最佳動(dòng)力總成解決方案。
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