800V架构电动汽车极速充电设计挑战

楼佳烽

（上万清源智动车有限公司（万向集团），浙江 杭州 310016）

电动汽车（EV）被视为传统内燃机（ICE）汽车未来重要的发展方向，为了使EV具备更好的竞争力，OEM厂家不断进行设计优化以此解决EV用户对于续航里程以及充电焦虑的出行痛点，并推出更高动力性能以及更具成本优势的EV产品。

为了克服纯电动汽车（BEV）的续航里程焦虑，增加BEV的市场渗透率，一种有效的可能途径是通过提升充电功率来加快充电时间，比如将目前普遍120kW最大充电功率增加至400kW实现极速快充（Extreme fast charging，XFC）［1］。其对比见表1。

表1 BEV现状与BEV XFC对比

然而，充电速率的大幅提高将会给动力电池、电气架构设计以及充电基础设计带来一些技术问题。

1 车辆实现XFC的电气架构

电动汽车实现XFC需要在技术可行性以及商业行为之间进行权衡，并实施创新的电力电子架构，以下为几种主要的方案［2-3］。

1）目前主流的面向轻型乘用车市场的电动汽车动力系统电压等级为400V，由于充电基础设施和车辆之间的高压连接组件（如充电插头、插座、电缆等）受电流的物理限制，提升车辆充电功率的一种有效方式是提高电池电压（如800V）。如图1所示，采用现有的BEV架构，将动力电池以及各高压组件升级支持800V系统。

图1 800V电池&800V动力系统

2）考虑电动汽车XFC规模经济以及成本因素，为了更灵活地利用现有的400V电压等级下的零部件平台以及充电基础设施，在车辆充电接口与动力电池之间或动力电池与高压组件之间增加DCDC组件，如图2、图3所示。

图2 800V电池&400V动力系统

图3 400V电池&400V动力系统

以上两种方案需要配置额外的DCDC装置，对车辆布置空间、轻量化以及成本约束造成挑战。另外，对于图2方案，增加DCDC装置将影响车辆系统转换效率，导致续驶里程的降低。

3）通过电池的串/并联分配，灵活设计可配置的动力电池系统，串联时提供800V充电电压，并联时提供400V的电压驱动，如图4所示。该方案需要较复杂的电池管理系统以及额外的控制电路，并且需要解决并联电池组之间SOC不平衡现象。

图4 2x400V电池&800V动力系统

2 电压等级对高压组件的设计影响

为了实现电动汽车XFC目标，随着车辆电气架构变革，将要求使用800V或甚至更高电压的电力电子硬件，这将对行业标准、电力电子组件设计带来挑战。

1）电动汽车标准

相比较目前400V（乘用车）以及650V（商用车）电压等级的电动汽车，如果将电压提升至800V或1000V以上，并实现大功率充电，则对操作安全性的要求也将随之提高，相应电动汽车相关法规标准需要重新修订或完善，包括电气安全、充电规格等。

2）动力电池

对于电池高C速率充电，电池寿命以及热管理系统均有影响［4］；另外，更高的系统电压意味着动力电池PACK串联更多单体电池，这将增加额外的监控通道［5-6］，且为了满足大电流充电时的冷却需求，需要扩大车载热管理系统功率或者与充电基础设施关联协作设计冷却系统。

3）电力电子部件

目前，1000V以上功率电力电子部件供应商成熟产品以及应用实践有限，在很大程度上，开关器件的耐压等级限制了电池的开路电压，为此汽车制造商将承担额外的开发工作和成本。

另外，更高的电池额定电压将影响所有电力电子部件的电气隔离水平，须考虑电气间隙和爬电距离要求［7］。对于功率电子组件，较高的电压会降低开关的传导损耗，但较高的电压可能会导致整个工作区域内更高的开关损耗，因此功率组件需要选择合适的开关类型、开关频率。类似地，对于电机而言，电压等级的增加会增加电压梯度d v/d t，而电压梯度的增加将导致更高的电磁辐射以及影响电机局部放电电压［8］，电机的结构设计将需要改变，以适应系统高电压。

4）电缆连接

系统中较高的电压有利于不同电气组件之间的连接，800V系与400V系统相比，在相同功率水平下所需的电流减少了一半。系统电流降低减小了电池以及电气连接的热损失，导线截面积的减小使铜材成本降低并易于布线。

然而，为了实现XFC，充电功率超过200kW通常需要液冷式充电电缆，但目前还没有关于如何将液冷电缆纳入电气规范的既定协议。另外，液冷式充电电缆连接过于笨重，将给客户使用带来麻烦。针对此问题，实现XFC的充电连接的其他选择可能是使用机器人或无线充电［5］。

5）DC-Link

EV复杂的高压系统架构显示出与低压直流电网相似的架构特性［9］。800V车辆的DC充电可能发生在标称电压为400V和800V的充电站上，充电功能的多样性挑战了车辆高压系统在不同充电条件下的鲁棒性［10］。

6）充电设施

未来的充电基础设施将需要在电压和电流方面比现有充电设备更加灵活，以同时满足新旧车辆互操作性的需求。

3 总结

在车辆开发过程中，小型紧凑型汽车电量较少，实现800V快速充电意义甚微，现有充电功率（50～120kW）已满足基本适用。对于需要更高动力以及更快充电的车辆类型，则800V系统解决方案具有重要的现实意义。对于电动汽车800V系统，则需要克服一些困难，并在技术方案可行性以及商业影响之间取得平衡。