一文揭秘汽车800V系统

文摘 2024-11-30 07:31 上海

“充电五分钟通话一小时”这句广告词似乎也成了电动汽车（EV）行业的追求。

随着电动汽车、混动汽车成为市场主流，人们越来越需要更快的充电速度。现在，直流快速充电器只需30至45分钟即可将电池充至80%的电量。虽然速度是快了，但也会产生大量热量，线束也越做越粗。

线径总归是有上限，由于损耗等于i2r，明显同一个功率等级下，电压高了电流才能做低，所以，现在越来越多汽车开始使用800V架构。

保时捷Taycan EV是第一款由大型汽车厂商制造的量产级800V高压汽车，其350kW三级超快速充电桩可在短短的15分钟内将电池充至80%的电量。而现在，特斯拉CyberTruck、保时捷Taycan、奥迪 E-Tron GT、雪佛兰 Silverado EV、起亚EV6/EV9、现代IONIQ 5/6、比亚迪ATTo 3/Dolphin/Seal/Song、小鹏G9、GMC悍马EV皮卡/SUV、GenesisGV60/70/80（电动）、极氪001、上汽等都开始使用800V系统，而福特、梅赛德斯-奔驰、Polestar、沃尔沃和路特斯等厂商也在加码800V的投入。

付斌｜作者

汽车开发圈｜出品

第一部分：理解800V系统的内核

电动汽车设计架构很复杂，由电池、电机、逆变器、传感器、控制装置、布线和辅助系统等组件构成，组件规格和类型以及其间协同工作将决定车辆是否配备400V或800V系统。

无论是400V还是800V都绝非固定值，而是两个电压范围——400V电压范围为300～500V，800V电压范围为600～900V。电压在实际中会根据多种因素而变化，包括电池的充电状态（SoC）、温度、使用年限和运行条件，因此只要是范围内的器件都会算作400V/800V架构。

为什么行业如此力推800V系统？这是因为汽车行业在追求更快的充电速度，虽然大功率直流充电站可以快速将电池刷新到其容量的80%，但这种形式的充电并不是常态。所以为了更快地为EV供电，要么提高电流，要么提高电压。但是提高电流的代价比较高，会增加尺寸重量和材料成本，提高电压则可降低电流。

由于Power(W)=Voltage(V)×Current(A)，假设最大电流为300A、EV充电器规格为180kW，400V架构理论功率输出为120kW，800V则为240kW，由于240kW超出180kW，充电电流还会下降。也就是说，在相同的电流下，电压翻倍，可以传输两倍的功率。400V架构最大充电功率为250kW，对800V系统来说这个数值是可以翻倍的。

由于Charging Time (hours)= Vehicle Battery Capacity (kWh)/ Power Output (kW)，所以车辆电池电压越高，充电速度就越快，因为功率输出随着电压的增加而增加。当然，这仅适用于输出范围覆盖800V的EV充电器。比如，保时捷、起亚、现代的800V系统可在70分钟内为电池充电75%～20%。

对于恒定功率，增加的电压也可以允许减少系统内的电流。较小的电流减小了所需的电缆尺寸和所需的铜直径，也支持减少 I2R（焦耳热）损失。比如说，400V系统稳态电流为250A，铜线横截面积为95mm2，铜重量约为0.85kg/m；800V系统稳态电流可降低到125A，铜线横截面积缩小至35mm2，铜重量降至0.31kg/m左右，轻了73%。

第二部分：800V带来的结果

当然，实施800V架构，会使系统发生巨大变化，具体包括以下这些变化：

更多接触器，更高规格

在高电压系统中，电弧损坏的风险显著增加。与传统的400V架构相比，800V架构不仅需要满足更严格的电气隔离要求，还带来了更高的解决方案成本。为实现800V架构的直流快速充电，需要额外配置直流充电接触器，用于连接直流充电桩与电池。此外，为确保车辆在寒冷天气下的正常运行，还需配备辅助接触器，支持车舱电气加热器和电池加热器的稳定供电。

连接器爬电距离和电气间隙

在800V架构中，所有互连系统都需要满足安全、高效和可靠性要求。首先，需要连接器具备更出色的电气连接特性、更低的接触电阻；其次，连接器应具有重量轻、结构紧凑、经济实惠的特点；最后，可靠耐用性要求也更高，包括成百上千次的插拔、支持防触摸和防水功能、配置高压互锁回路 (HVIL)、提供EMI屏蔽性能等特性。

传动系统组件

面对电动汽车架构的选择挑战，汽车OEM需在保证价格竞争力的同时，找到最适合自身生产模型的技术方案。一种创新性的解决方案是采用双400V独立电池设计：在充电时，这两块电池以串联方式连接，实现800V架构，大幅缩短充电时间；而在车辆行驶时，则切换为并联连接，提供400V的输出。这种灵活的架构不仅有效控制了牵引逆变器模块的成本，还具备高度的可复用性，适用于多种车型需求。

提高复杂性和功能安全性

将电池电压从400V提升至800V，一个关键变化是系统中电池传感器数量的显著增加，即需要更多的电池单元控制器（BCC）。然而，这种增量并非没有代价：感测器件数量的增加直接提升了系统失效率（FIT）概率，进一步加剧了对功能安全的挑战，成为高电压架构不容忽视的技术难题。

更小的电机尺寸

提高电动汽车电源系统的电压可以显著减少电机中铜材的使用，进而打造出更小巧、轻便且环保的电机。这一优化不仅有助于提升电动汽车的能效，还在节能减排方面带来显著优势。

更轻的电池系统

800V架构使得电池和电池管理系统（BMS）得以进一步小型化，重量更轻，从而减轻整车重量，助力提升续航里程。

更高效的配电系统

在配电单元（PDU）中，800V电压允许使用更细、更轻的电缆，同时减少了其他电气元件的体积。这种小型化设计不仅降低了成本，还提升了整个系统的效率，带来了显著的多重优势。

上述变化会带来几个大问题：

第一个问题是充电基础设施，现有设施多为400V电动汽车供电，800V显然需要更强大的充电站。第二个问题是电动汽车设计，800V架构需要重新设计电路和组件，以确保适当的绝缘、故障安全系统和正确的测试程序，以证明组件在高压环境中的可靠性，同时测试程序必须涵盖最坏情况，最高可达800V工作电压的五倍。第三个问题是800V设备成本往往更高，比如说倾向于在功率转换器中使用价格更高的碳化硅（SiC）/氮化镓（GaN）开关元件。第四个问题是更高电压的系统需要更多物理空间来避免过压和电弧等问题。

第三部分：800V系统的三种方案

电动汽车制造商已经分析了克服800V架构挑战的各种方法，其中三种方法比较有前途：

第一种方法是使整个电动汽车的高压系统在800V电压下运行，无需在组件之间进行电压转换。这种方法可实现更快的充电和更高的效率。然而，它需要更多的电动汽车重新设计和更高的成本。

第二种方法是仅将一些基本设备（如电池组和驱动电机）设置为800V，而系统的其余部分保持400V。在800V和400V器件之间进行电压转换的需求增加了成本和设计复杂性，也增加了转换功率损耗。然而，该解决方案需要更少的电动汽车重新设计，降低了400V系统的成本，同时仍能实现更快的充电速度。

第三种方法是混合动力解决方案，涉及能够在充电时800V和放电时在400V之间切换的电池系统。其他高压设备保持在400V。这种简单且低成本的解决方案可实现更快的充电，尽管以400V电压放电意味着无法降低能耗。

随着电动汽车制造商从400V转向800V，三种方法可能都会使用。随着测试程序的发展和 800V 组件价格的下降，预期将完全过渡到高压架构。对于需要高功率的重型电动汽车，甚至可能会看到超过800V的架构。

第四部分：800V OBC开始刚需三代半

具体到器件层面，车载充电器（OBC）的变化最为值得关注，因为它直接影响着充电速度。

OBC通常分为PFC和DC/DC两级。PFC级为并网的AC/DC变换器，将输入的单相或三相交流电变换为直流母线电压。

当动力电池电压平台升级到800V，OBC及DC/DC电源产品都需要从400V等级提升到 800V电压等级平台。通常，对于使用400 V和800 V电池的车辆，OBC的额定功率在3.7 kW～22 kW之间，多数设计是11kW（分相市电）和22kW（三相市电），因此需要分别额定值为650V和1200V功率半导体。

当电压上升到1200V，OBC两级和高压转低压DC/DC高压侧的开关管就需要使用更高耐压的SiC MOSFET或者GaN器件，以满足系统电压等级的要求。

SiC MOSFET在开关时的dVds/dt比普通Si MOSFET显著增加，此外800V系统需要SiC MOSFET驱动IC具备更大驱动电流、更高的欠压保护点UVLO、负压驱动防止误开通、内置米勒钳位功能防止MOSFET误开。

供电电路方面，传统自举通电的方式在800V SiC MOSFET可能会存在前几个周期开通关断电压不足的限制，所以也会出现一定的变化。

业界主流方式为用双路低边驱动的两路输出直接驱动变压器实现隔离供电。这种电路也有两个局限：一是需要MCU或DSP提供驱动输入信号，而辅源供电部分与主控芯片信号电路部分通常距离较远，走线较长；二是常常需要在驱动输出测进行有效保护。

为了解决上述局限，很多厂商也推出了LLC拓扑，比如TI的开环LLC控制芯片UCC25800-Q113。LLC 拓扑中，变压器漏感可以作为电路的一部分参与谐振，因而不需要刻意优化。这时变压器可以使用分立式绕法，使得分布电容做到低于2pF，漏感参与LLC电路谐振，便于系统EMI整体性能的优化，且CMTI可做到高于150V/ns。

还有一些厂商推出了推挽拓扑的方案，比如TI的SN6507-Q1。推挽变压器一般为中央抽头架构。对称两个开关管除死区时间外互补导通，使得推挽电路有稳定的输入电流，同时输入产生开关噪声也更少。双端对称性好的推挽架构通常比单端驱动架构如反激的EMC表现更好。另外，更低的峰值电流也可使总导通损耗更小，效率更高。

在GaN方面，GaN Systems（现已并入英飞凌）就曾在2023年3月推出新一代 800V 氮化镓车载充电器参考设计。按照他们的说法，GaN OBC改变了电动汽车设计的游戏规则。

通过其展示的方案来看，这种设计与碳化硅（SiC）晶体管设计相比，功率密度提高了36%BOM成本降低了15%，AC/DC级峰值效率>99%，DC/DC级峰值效率>98.5%，降低半导体总功率损耗，改进的热性能。

第五部分：800V BMS多采用分布方案

另一个值得关注的是BMS（电池管理系统）上面的变化。

由于800V高压电池组越来越需要更复杂的技术，以便以安全、及时和可靠的方式报告电池单元的诊断信息。常见的设计方法是采用分布式电池组系统，通过将多个高精度电池监控器连接到不同的印刷电路板（PCB）上，来支持大电池单元数量的电池组。

TI的方案则分为有线BMS和无线BMS。有线BMS通过将监控器连接成串联形式，并使用双绞线电缆，可以实现每个电池单元模块数据的传播。

有线和无线BMS方案的区别在于，后者使用无线通信接口，而不是串联电缆。无线方案通过无线接口将电池监控数据通过无线收发器设备从电池监控单元（BMU）传输到主机MCU。

恩智浦（NXP）的方案是可切换架构，该架构能够在电池充电时将电压从400V提升至800V。该电池组由两块400V电池组成，日常使用时这两块电池并联连接，支持标准400V传动系统组件，如逆变器和车载充电器，同时确保电池容量和续航里程不受影响。在充电过程中，电池管理系统（BMS）会将电池切换为串联配置，提升电压至800V，并降低电流，从而有效缩短充电时间。

该方案搭载S32K3 BMS处理器、MC33665 BMS网关以及MC3377x系列的可扩展BCC产品组合，可满足6~18个电池芯的应用要求，同时保证功能安全性和软件兼容性。恩智浦提高了器件的故障模式的诊断覆盖率，从而将残余FIT降低至可接受水平，以支持电压更高的解决方案。

写在最后：一个复杂的系统工程

事实上，800V系统牵扯的改变并不止如此，表面看似仅仅是提升了整车电压，但其开发和应用却是一个复杂的系统工程，涉及到多方面的协调与优化。电压平台的提升意味着，不仅核心的三电系统需要适应更高的电压，连空调压缩机、DCDC、OBC等关键部件，也必须能够在800V甚至1000V的电压下稳定运行。

而这种改变，又和架构息息相关。和48V系统一样，架构发展都是慢慢过渡的过程，这期间一定会存在架构混用的情况，同时一些器件可以重复套用。随着市场逐渐铺开，届时方案会有更大的变化，同时成本也会有非常大的幅度下降。

参考文献

[1]TI：https://www.ti.com.cn/cn/lit/an/zhcac01/zhcac01.pdf?ts=1699183331222&ref_url=https%253A%252F%252Fwww.ti.com.cn%252Fproduct%252Fcn%252FUCC5350-Q1

[2]Infineon：https://www.infineon.com/dgdl/Infineon-Infineon_High_voltage_traction_inverter_presentation-ApplicationPresentation-v05_00-EN.pdf?fileId=8ac78c8c8afe5bd0018b291672a47e70

[3]Infineon：https://www.infineon.com/dgdl/Infineon-Efficiency_by_design-Whitepaper-v01_00-EN.pdf?fileId=8ac78c8c8929aa4d0189cf5e4f25709d&da=t

[4]APTIV：https://www.aptiv.com/en/insights/article/what-to-watch-when-designing-vehicle-architectures-for-800v

[5]APTIV：https://www.aptiv.com/en/insights/article/evolution-of-vehicle-architecture

[6]BOSCH：https://www.eenewseurope.com/en/bosch-starts-production-of-800v-ev-technology/

[7]Evesco：https://www.power-sonic.com/blog/400v-vs-800v-charging/

[8]Engineering：https://www.engineering.com/high-voltage-vehicles-why-800-volt-evs-are-on-the-rise/

[9]ONsemi：https://www.onsemi.com/company/news-media/blog/automotive/en-us/advancing-on-board-charger-to-800v-battery-architecture-with-onsemi-m3s-elitesic-mosfets

[10]行家说三代半：https://hjsnet.oss-cn-hangzhou.aliyuncs.com/files/202410/800V.pdf

[11]NXP：新一代电池管理系统架构

[12]贸泽电子：https://mp.weixin.qq.com/s/XNY-PYt52t0raP_HvRl5FA

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