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自从上海车展北汽极狐发布搭载华为全栈高压解决方案的阿尔法S车型之后，十多家车企已经推出或者正在推出能够快充的车辆，800V高压架构已经成为2021年多个行业论坛的核心主题。 随着电动汽车续航里程增加的边际效应开始降低，从600公里到800公里比之前300到400和500公里带来的体验差异不大，同时对体积和重量的要求需要匹配更大的车辆，已经不是单纯的比例关系。 快充就成为了下一步动力电池发展的必然方向，国内外车企都开始了充电5分钟，加电200公里这样的构想来迎合消费者对于快速补电的需求。 ▲图1.2021年主要的车企在高压化架构方面的动向 Part 1 提高充电速度的办法 ●提高电动汽车充电功率的两条路径 从总体架构来看，提高电动汽车的充电功率主要包含几个核心要素。我们能走的路径只有两条： ○提高电流： 如果我们保留其他的部件不变，选择提升电流的路径，主要的限制在于大电流产生的热损失，这会导致整体的设计会有很大的差异。电路中的大电流会产生很高的热损失，因为所有部件（连接器、电缆、电池的电连接、母线排等）的电阻都难免会发热。针对电池在充电期间出现过热的情况，则需要在设计导电元件和确定尺寸时考虑这些热损失，以免发生过载、过热或充电电流受控降额等问题。 ○提高电压： 由于上述电流的增大是有极限的，目前极限的电流一般定义为500A，所能达到的功率大约200kW（特斯拉在400V设计了600A以上的作为尝试），增加电压把400V系统切换成800V就是成为一个选择。这个对于所有的用电部件，都是一个系统性的提升。里面核心的开关器件还有其他的部分都有了变化。 ▲图2.400V体系下快充的迭代路径 ▲图3.800V快充的路径 ●高压快充架构 对于当前的车辆升级来看，很重要的是保持原有的系统不变的情况下，来提升快充的体验。从400V到800V会有很大的改变，所以短期内围绕400V来进行功率升级是一个选择。当电流越大时，要想以相同的电压水平传输功率而不会过热，所需的电缆横截面积就越大。 目前主要的高功率设计，目标是200kW，也就是持续5分钟左右的500A电流，为了匹配这个电流，需要增大车内充电插座、充电插座到电池包的高压线缆、快充接触器和主正主负接触器、主熔丝、模组接线排、电芯内部接线排的载流能力。 但是从长期来看，要实现5~10min快速充电，打造和加油一样的充电体验，需要400kW以上的充电功率，则整车电压平台必然要向800V及以上进行演进。而且在充电功率相同的情况下，高压架构下电池系统散热更少，热管理难度低，线束直径更小，成本也更低。 ▲图4.400V和800V电压作比较 在这个领域，除了车厂以外，华为是特别积极的，而且以全栈高压平台解决方案的形式来做了个800V系统。包括OBC车充电，包括电池管理以及动力总成，车下高压模块，今年发布的方案是15分钟以内的充满30%-80%，两年以后会再上市7.5分钟的解决方案，2025年做到5分钟。 ▲图5.800V系统的供应链对于高压架构是准备好的 电池安全方面，结合大数据，电化学机理模型，AI模型等打造了云端电池安全方案AI BMS，基于AI算法的训练，通过数字孪生的耦合不断迭代，提升算法效果，做到更快、更准、更精确的预测电池热失控，保障电池安全。 ▲图6.华为的AI闪充高压系统平台方案 当前，可匹配800V及以上高压快充车型的高压直流桩严重不足。高压架构推广初期可能需要在车端配备升压功能。从400V到800V，解决升压的问题。 800V系统带来的挑战和机会是多元化的，总体来看，它有这么几个机会点： ○从电压拓扑来看，可以实现同电芯的梯度配置，也就是可以分为高配高电压；低配低电压的差异化配置。 ○从电流方向上面，从起始的350A、500A甚至未来的600A，也可以扩展的支持快充，不断提高功率。 ○由SiC的导入，可以提高整体功率电子的效率和降低体积。 ▲图7.兼容低电压桩充满800V的问题 Part 2 充电网络建设 在整体产业里还有一块最重要的拼图，就是充电网络的投资。目前主要的汽车企业比如大众、特斯拉甚至是通用汽车，都要自己建立起一套快充网络。在设施端已经开始考虑建立符合未来800V需求的充电设施。在这方面，华为是从充电模块开始设计的， 200V-1000V的兼容，基于两路的500V串联输出，同时实现全负载的高效。 从实际应用中，800V高压平台对电驱动也带来不少难题，如绝缘、轴承电腐蚀和EMC等问题，华为在这方面做了不少的尝试，通过专利高压连接器，专利轴承导流防击穿结构及EMC软硬件抑制等核心创新技术，系统性地解决上述难题。以800V系统中轴承防腐蚀为例，它一直是业界电驱动产品未解决的难题，当前400V下的电机轴承并不是都会发生电腐蚀，但是800V下的系统，电机轴承发生电腐蚀的概率将会直接增加很多。 首先我们要注意的是电驱动系统中，共模电流产生的轴电压。电动汽车里面的驱动电机轴电压还是以「容性电压」为主，它的源头是PWM控制产生的共模电压，经过层层寄生电容进行分压，最终按照一定的比例分到轴承两端。高频感应轴电压产生的机理包括定子绕组与机壳的寄生电容不对称、共模电路中绕组和机壳之间的漏电流发生变化、在电机轴上等效出一个共模电流变化和相应的感应磁通。 通过创新的「富兰克林」引流技术，可将轴承上的近60V~80V电压的电流导出，较好的解决了其对轴承之间润滑膜耐压性能的冲击，从而大幅降低轴承失效的风险。 小结：主流车企已经开始加大800V高压投入，虽然高压架构依然存在部分挑战，但从总体来看，未来800V高压架构将成为下一代电动汽车主流平台，2022年将成为中国800V系统的一个元年。 |
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