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電動汽車采用更高電池電壓的驅動因素

（2025年1月15日更新）

許多國家和地區正在頒布增加電動汽車的立法(EV)目標是逐步淘汰或最終禁止使用汽油和柴油汽車。雖然早期品嘗者可能會因為環保效益而購買汽車，但市場上仍有相當多的人關注電動汽車的里程限制和充電時間。

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汽車行業面臨著不斷提供創新的解決方案來吸引更多的觀眾，這正在推動提高電池電壓的發展趨勢。目前，道路上的乘用車大多使用400輛V電池。電動巴士和電動卡車是600V乘用車開始使用800級車輛V電池。

與現有的400相比V系統，800V系統的推出是一個很大的進步，推出速度比很多人預期的要快。V該系統的優點是什么？它們如何幫助解決一些阻礙消費者和減緩電動汽車推廣的問題？

800V電池如何影響車輛設計？

無刷直流電機的核心部件是產生直流磁場的轉子(通常是永磁體或直流電樞繞組)和含銅繞組的定子(通過交流電流)。運動取決于轉子磁場與定子繞組中時間控制的電流產生的旋轉磁場的相互作用。隨著電機工作電壓的增加，在給定的輸入功率下輸入RMS電流減少，定子繞組銅損耗減少。使用800V電源與400V與電源相比，損減少4倍。這為降低銅繞組線徑提供了機會，既降低了總體積，又提高了包裝效率，使電機更小。800V該系統具有相同較低的電流要求，不僅可以減少電機銅的損耗，還可以減少整個系統接線器的損耗，從而節省重量、空間和成本。

800V該系統通常來自硅基IGBT轉向碳化硅(SiC) MOSFET。SiC由于諧波電流供更高的開關速度，因此開關損耗更低。由于諧波電流的減少，這有助于提高工作頻率，進一步減少電機損耗。

在高端跑車市場提高操控性和加速性，在高端跑車市場非常有價值。此外，減少損失可以增加與電池直接相關的范圍，從而降低車輛的相關成本。騰出的空間可以用來增加電池組的大小，以增加續航里程或分配給增加的客艙空間。想要更大的后備箱嗎？小電機也有幫助。值得注意的是，更大的電池組也會增加充電時間，但800V充電優勢可以發揮。

減輕重量、體積和損失為車輛設計師提供了選擇，可以根據特定的細分市場平衡成本、性能和范圍。降低成本使解決方案更容易被中端消費市場所接受，而不僅僅是高性能車輛。

在考慮轉向電動汽車時，里程是關鍵的決定因素之一。對一些人來說，這是一個方便的問題，希望使長途旅行更容易。對于商用車來說，增加里程意味著更高效的配送路線、更多的道路時間、更少的車輛覆蓋同一區域和更低的運營成本。

800V該系統可縮短充電時間

給消費者充電時間AKM代理商用車都是挑戰。對于城市司機和通勤者來說，在家過夜充電通常就足夠了。然而，當計劃長途旅行時，特別是當距離超過車輛范圍時，需要計劃一條可以在適當的時間提供充電站的路線。雖然充電樁通常放置在附近的便利設施中，但仍可能需要排隊，這是不可接受的。對于商用車來說，問題更為復雜，因為返回車站充電或讓車輛在現場充電時閑置90分鐘會降低生產力，直接影響企業利潤。

800V如何幫助系統架構解決問題？正如我們之前提到的，在相同的功率下加倍電壓會減半電流。在充電過程中，散熱限制了充電電纜、汽車充電機入口和內部布線。從400V升級到800V，充電速率可以在相同損耗的情況下翻倍。有幾個好處。第一個好處很簡單，就是減少充電時間。若充電功率增加一倍，則充電時間將減少一半，但實際上改善幅度較小。不明顯的好處是充電站利用率的提高。如果充電車輛的停留時間減半，使用給定充電機的車輛數量將翻倍。

保時捷和起亞推出了新的全電動汽車，其范圍開始接近汽油車的中位數，充電時間更接近在加油站加油時快速停車和提貨的時間。最新部署的一系列充電站的最大額定功率為400kW，對于800V架構綽綽有余。

全電動跑車保時捷Taycan續航里程420公里(260英里)。它采用800V電池架構，300A (240kW)在快速充電站上，從5%充電到80%只需22.5分鐘。還能用4000V充電站，大約需要90分鐘。起亞已宣布推出EV6 800V架構車，18分鐘內從10%充電到80%，最大功率為239kW，可行駛480公里(300英里)的增程版。

快速充電時間對商用車非常重要，因為商用車可以通過快速充電延長工作時間，并將返回車站的完全充電時間推遲到晚上。重要的是，這些更快的充電時間也符合許多地區規定的30到40分鐘的休息時間。

800V架構的使用速度快于預期

800汽車市場V架構的速度比期的要快。保時捷一路領先，但不僅僅是跑車 - 起亞和幾家中國制造商現在提供8000家V汽車。就像汽車市場的典型情況一樣，創新始于高端汽車，隨著技術變得更加經濟，慢慢進入大眾市場。V該系統的處包括節約成本，中端消費市場可以比最初想象的更快地利用成本。

隨著汽車市場的8000，V在架構上，我們無疑會看到各公司進一步推動更高電壓系統的優勢。這些優勢正在擴大，所以900V更高的電壓可以進一步增加這些優勢，甚至更多地促進續航里程、重量和充電時間的改善。基礎設施將跟上步伐；新的400kW充電站已經朝著這個方向發展。

800V系統中電源解決方案的設計要點

電動汽車中的高壓連接子系統通常需要從高壓到低壓的電源。增加到800V隔離度和電壓額定值較高。

電動汽車電池組由許多串聯/并聯連接的單體電池組成。每個單體電池的工作電壓范圍為3.1V至4.2V。對于標稱800V系統約有198個串聯電池，總電池組電壓為610V至835V。由于再生制動過程中電壓升高的影響，通常會增加20V至30V最大電壓為865V。電源內部開關的額定值必須明顯高于電壓。對于反激變換器，必須加150V至200V電壓使開關應力達到1065V。通常的20%降額應用至少可以得到1.33kV的規格。

另一個重要的設計點是需要低壓啟動，通常是30V至40V。車輛安全系統需要先通電，以確保所有控制電子設備都能在任何東西開始移動或可能出現故障之前運行。工作電壓介于30V到>900V電源可能具有挑戰性。

Power Integrations創新高壓解決方案

Power Integrations (PI)最近發布了兩個新的符合AEC-Q額定耐壓1700標準V的IC，為其InnoSwitch3-AQ產品系列增加了新成員。這兩個新設備解決了800個問題V上述設計挑戰為汽車領域帶來了一系列有價值的功能，為未來的設計提供了更高的電壓。

圖1 InnoSwitch3-AQ 1700V裝置可實現簡單、加強絕緣的汽車電源

這種簡單的反激變換器設計集成了碳化硅開關和初級和次級控制器。InnoSwitch3-AQ IC使用FluxLink隔離可以使二次控制器成為主控制器。這種不尋常的結構意味著二次側決定何時進行初級開關操作，實現同步整流，沒有通常的缺點（如開關時間不正確），并能響應所有故障。

圖2 額定耐壓1700V的InnoSwitch3-AQ沒有額外的外部元件

InnoSwitch3-AQ具有30V對于汽車應用中的安全系統來說，啟動電壓非常重要。分立解決方案需要在初級側添加額外的元件才能實現30V啟動需要相當高的成本。連接到高壓母線的每個元件都必須測試各種故障模式，因此PI設備集成度高的優點可節省系統成本，測試用例最多可減少50%。

減少部件數量對電動汽車至關重要。由于部件較少，部件本身導致的故障率降低，焊點較少，可靠性較高。電路板面積的節省更為明顯，因為它減輕了重量，提高了功率密度，可以騰出更多的內部空間，這是電動汽車市場的重要優勢。

InnoSwitch3-AQ IC獨特的結構使其位于安全隔離帶上，在這里PCB通常不能使用的空間。實際上，它可以放在變壓器下面。這種設計不占用PCB這對設計工程師來說意義重大。

圖3 可擴展性允許相同的設計以微小的變化提供不同的功率水平

由于輸出控制精度很高，不需要額外的DC-DC產生更多母線的轉換器 - 可以提供設備本身。由于采用FluxLink架構且具有±2%的控制精度，從零負載到滿載只需要兩個開關周期，輸出功率從零增加到最大值。這意味著輸出電容也要小得多。由于效率超過90%，散熱量大大降低，足以節省外部散熱器。這些特性可以進一步減少尺寸、空間和組件的數量，以及其他更多的好處。

空載功耗通常不是一個關鍵參數，但對于總是連接電池的電動汽車來說，電池時間停放后很容易耗盡功耗。InnoSwitch3-AQ裝置的空載功耗小于15mW，確保乘客在機場返回汽車時不會被擱淺。

隨著新的50W和70W添加輸出功率器件，Power Integrations的InnoSwitch3-AQ現在產品系列比較豐富，可以為電動汽車提供400輛V、600V、800V設計更高的母線電壓。