【Taycan用的续航标准】电动汽车采用更高电池电压的驱动因素

作者：Peter Vaughan Power Integrations业务开发总监

很多国家和地区正在制定增加电动汽车(EV)数量的立法，目标是逐步消除或最终禁止使用汽油和柴油汽车。初期品尝新鲜的人可能会因为环保的原因买车，但市场上相当多的人关注电动汽车的续航里程限制和充电时间。

汽车行业面临着不断提供能够吸引更多观众的创新解决方案的挑战，这主导了提高电池电压的趋势。现在路上的大部分轿车都使用400V电池。电动公交车和电动卡车是600V级车辆，轿车开始采用800V电池。

与传统的400V系统相比，800V系统的推出有了很大的提高，并且上市速度比很多人预计的要快。800V系统的优点是什么？如何解决给消费者造成障碍、延缓电动汽车普及的问题？

800V电池对车辆设计有什么影响？

无刷直流电动机的关键要素是产生直流磁场的转子(通常是永磁或直流电枢绕组)和包含铜绕组的定子(交流电流通过)。运动依赖于转子磁场和由定子绕组的时间控制的电流产生的旋转磁场的相互作用。随着给定输入功率下电机工作电压的增加，输入RMS电流减少时，定子绕组铜损失也会减少。使用800V电源，损失通常比400V电源减少4倍。这可以减少铜绕组的直径，减少总体积，提高包装效率，使电机变小。800V系统具有相同的低电流要求，不仅减少了电机铜的损耗，还减少了整个系统连接器的损耗，从而节省了重量、空间和成本。

800V系统通常从硅基IGBT过渡到碳化硅(SiC) MOSFET。SiC设备提供了更高的交换机速度，因此交换机损失更小。这样有助于提高工作频率，谐波电流减少，进一步减少电机损耗。

更轻的重量可以提高可操作性和加速性，这在高档跑车市场上很有价值。加上损失减少，可以增加与电池直接相关的续航里程，从而降低与车辆相关的费用。空闲空间可以通过增加电池组的大小来增加续航里程，或者分配给增加的乘客座位空间。你想要更大的行李箱吗？小马达也有帮助。更大的电池组也会增加充电时间，但800V提供充电优势。

重量、体积、损失的减少为车辆设计师提供了根据特定市场细分市场在成本、性能和寿命之间取得平衡的选择机会。成本降低使解决方案不仅适用于高性能车辆，而且适用于中端消费市场。

考虑转向电动汽车时，续航里程是重要的决定因素之一。对一些人来说，这是便利性的问题，希望长途旅行更容易。对于商用车来说，增加续航里程意味着更高效的配送路线、更多的出行时间、减少覆盖同一地区的车辆数量、降低运营成本。

800V系统缩短了充电时间

充电时间对消费者和商用车都是一个挑战。对于城市司机和通勤者来说，在家熬夜充电就足够了。但是，在计划长途旅行时，尤其是距离超过车辆续航里程时，要计划能够在适当时间提供充电站的路线。充电桩一般放置在附近的便利设施，但可能仍需要排队等候，这是不能接受的。对于商用车来说，问题变得更加复杂。因为回到现场充电或在现场给车辆充电时闲置90分钟，生产力会下降，直接影响企业利益。

800V系统架构如何帮助解决问题？如上所述，在相同的功率下，电压增加一倍，电流就会减少一半。充电过程中，发热对充电电缆、汽车充电器入口和内部布线有限制。从400V升级到800V，在相同损失的情况下充电速度可以提高一倍。这有几个方面的优点。第一个好处很简单。就是减少充电时间。充电功率增加一倍，充电时间减少一半，但实际上改善幅度较小。不那么明显的优点是充电站利用率提高了。如果充电车辆的停留时间减少一半，可以使用给定充电器的车辆数量将增加一倍。

保时捷和起亚(Porsche)已经推出了新型电动车，其续航里程开始接近汽油车的中值，充电时间更接近加油站加油时的快速停车回收。新部署的充电站系列的最大额定功率为400千瓦，足以满足800伏体系结构。

保时捷的前电动跑车Taycan的续航里程为420公里(260英里)。使用800伏电池体系结构，在300安(240千瓦)的高速充电站，只需22.5分钟即可从5%充电到80%。仍然可以使用400V充电站。大约需要90分钟。起亚发布了EV6 800V架构汽车，在18分钟内可行驶10%至80%，最大功率为239千瓦，增订版为480公里(300英里)。

快速充电时间对商用车辆至关重要。因为商用车辆可以通过快速充电延长工作时间，将返回网站的完全充电时间推迟到晚上。重要的是，这种快速充电时间也符合很多地区规定的30到40分钟的休息时间。

800V架构的采用速度比预想的要快

汽车市场采用800V架构的速度比原来预想的要快。虽然保时捷处于领先地位，但跑车-起亚和一些中国制造商目前供应800V汽车。和汽车市场的典型情况一样，创新始于高端汽车，随着技术变得更加经济，慢慢进入大众市场。800V系统的好处是降低了成本。中端消费者市场比原来想象的更快地利用这些成本。

随着汽车市场采用800V架构，我们无疑会看到各公司进一步推进更高电压系统的优势。随着这些优点的不断扩大，900伏以上电压可以进一步增加这些优点，甚至进一步推动续航里程、重量、充电时间的改善。基础设施必须保持同步。新的400千瓦充电站

已经在促成这一方向。

800V系统中电源解决方案的设计要点

电动汽车中的高压连接子系统通常需要一个高压到低压的电源。提高到800V需要更高的隔离度和电压额定值。

电动汽车电池组由许多以串联/并联组合方式连接的单体电池构成。每个单体电池的工作电压范围为3.1V至4.2V。对于标称800V系统，大约有198个串联电池，总电池组电压为610V至835V。由于再生制动期间电压升高的影响，通常会增加20V至30V的电压，使最大电压达到865V。电源内部开关的额定值必须明显高于该电压。对于反激式变换器，必须额外增加150V至200V的电压，使开关应力达到1065V。应用通常的20%降额，可得到至少1.33kV的规格。

另一个重要的设计要点是需要低电压启动，通常为30V至40V。车辆安全系统需要首先上电，以确保在任何东西开始移动或可能发生故障之前，所有的控制电子装置都能运作。设计一个工作电压介于30V到>900V的电源可能具有挑战性。

Power Integrations的创新高压解决方案

Power Integrations (PI)发布了两款新的符合AEC-Q100标准、额定耐压1700V的IC，为其InnoSwitch™3-AQ产品系列再添新成员。这两款新器件解决了800V系统所面临的上述设计挑战，为汽车领域带来一系列有价值的功能，并为未来设计提供了通向更高电压的途径。

图1：InnoSwitch3-AQ 1700V器件可实现简单、加强绝缘的汽车电源

这款简单的反激式变换器设计集成了碳化硅开关以及初级和次级控制器。InnoSwitch3-AQ IC使用FluxLink™进行隔离，可让次级控制器成为主控制器。这种不寻常的架构意味着次级侧决定何时进行初级开关操作，实现同步整流而没有通常的缺点（例如，开关时间不正确），并能对所有故障做出响应。

图2：额定耐压1700V的InnoSwitch3-AQ无需额外的外部元件

InnoSwitch3-AQ具有30V启动电压，这对于为汽车应用中的安全系统上电至关重要。分立解决方案需要在初级侧添加额外的元件，才能实现30V启动，这需要付出相当高的成本。连接到高压母线的每个元件都必须针对多种故障模式进行测试，因此PI器件的高集成度优势可以节省系统成本，最多可减少50%的测试用例。

减少元件数量对电动汽车来说至关重要。由于元件更少，因元件本身而导致的故障率随之降低，而且焊点也更少，可靠性更高。电路板面积的节省更为显著，因为这减轻了重量并提高了功率密度，可腾出更多的内部空间，这些都是电动汽车市场上的重要优势。

InnoSwitch3-AQ IC的独特架构使其可以位于安规隔离带上，而这里是PCB上通常无法使用的空间。实际上，它可以放置在变压器下方。这种设计不占用PCB空间，这对设计工程师来说意义重大。

图3：可扩展性允许相同的设计以微小的变化提供不同的功率水平

由于具有非常高的输出控制精度，因此无需额外的DC-DC变换器来产生更多母线 – 器件本身可以提供。由于采用FluxLink架构且具有±2%的控制精度，只需要两个开关周期就能从零负载达到满载状态，并将输出功率从零增至最大值。这意味着输出电容也小得多。由于效率超过90%，散热量大幅减少，足以省去外部散热片。这些特性可进一步缩减尺寸、空间和元件数量，以及其他更多好处。

空载功耗通常不是一个关键参数，但对于始终连接电池的电动汽车而言，车辆长时间停放后电池很容易耗尽电量。新的InnoSwitch3-AQ器件的空载功耗小于15mW，可确保乘客在机场返回他们的汽车时不会被搁浅在那里。

随着新的50W和70W输出功率器件的加入，Power Integrations的InnoSwitch3-AQ产品系列现在已更为丰富，可为电动汽车提供400V、600V、800V及更高母线电压的设计方案。

图4： 适用于400V、600V和800V系统的完整器件系列