原来1.5小时，现在只需20分钟就能将电动汽车（EV）从5%的荷电状态（SoC）充电至80%，这样的电动汽车充电方案你喜欢吗？好消息是，这已经不是“画大饼”，保时捷Taycan通过采用全新的800V系统，就已经实现了上述这个电动汽车车主们心心念的愿望。
对于电动汽车而言，为了缩短充电时间、解决车主的里程焦虑问题，除了使用石墨烯电池和固态电池，我们还可以通过增加电压或电流以增加流向电池的功率来达到缩短充电时间的目标。当使用增流方案时，车内必须使用更粗的电缆，这样一来，不仅车体变重，整体成本也会增加。而如果采用增加电压的方案，随着电流的降低，车内的电缆就可以换成更轻更细的。这就是800V架构为电动汽车带来的好处。800V架构也因此被看作是最具前景的能有效缩短电动汽车充电时间的解决方案。
图1：拥有800V系统的保时捷Taycan（图源：网络）
800V架构为什么优于400V？
在电动汽车行业，听到最多同时也是影响人们购买意愿的最大障碍就是“里程焦虑”。电动汽车驾驶员在需要充电之前，几乎都想知道自己还能行驶多远，在车辆电池耗尽之前在哪里能找到充电站，事实上因充电站的缺乏常常会让他们陷入里程焦虑。
随着电动汽车的普及，中国以及美国和欧洲等国家和地区一直在加速扩大直流充电桩的覆盖范围，使得这种“焦虑症”已有所缓解。然而，仅仅增加充电站本身并不能完全治愈电动车主的里程焦虑，充电时间过长也是个令人头疼的问题。以传统的7kW充电桩为例，以60kWh电池的典型充电时间计算，接近8小时才能从空充到满。事实上，大多数电动车主渴望的是一种更接近于在加油站内几分钟“加满油”的充电体验。
今天，大多数电动汽车都采用了400V架构，该技术已相当成熟。能有效缩短充电时间的800V架构可以看作是对400V架构的升级。那么，800V架构究竟是一种什么技术？它又是如何解锁更快的充电速度呢？这个话题要从著名的欧姆定律谈起。
根据欧姆定律：电压=电流*电阻。无论我们用任何代数的方式重新排列这个方程，结果都是相同的，即如果增加电压，电流就会降低。在400V系统中，由于电流高，电缆电阻增大，带来较大的能量损耗，在快速充电速度下效率不是很高。800V比400V的效率高，在消耗相同电量的情况下，能量损失更少，充电速度自然就加快了。可以说，800V架构是治愈电动车驾驶员“里程焦虑”的一项新技术。
相比400V架构，800V的优势体现在两方面：800V=更快的充电速度；800V=更轻、更高效的车辆。首先，因流向电池组的电压加倍，理论上充电速度就可以提升至原来的两倍，所以，800V架构可以实现更快的充电速度。其次，大电流是增加电池热量的重要来源，直流快速充电器产生的热量使400V架构的电池过热，这就是为什么充电速度在80%后会下降的原因。
另外，根据欧姆定律，800V架构可将充电电流减半，意味着车辆中的电缆和电气部件都将变得更薄、更小、更轻，800V架构的车辆总质量就会比400V的小，进一步提高了车辆的性能和续航里程。还有一点也非常关键，在800V架构中，电池单元是串联连接的，这种调整提高了热效率，防止电池在较高充电速度下过热。800V架构的这些优势决定了接下来它必定会成为400V架构的升级版和继承者。
电动汽车充电现在有三个级别，分别是：
1级，为120V，常常针对简单的家用充电设备。
2级，208--240V，常见于公共充电设施。
3级，是指400--900V充电设施。
从中可以看出，800V架构的优势仅在3级充电器（超高速充电器）上才能实现。事实上，我们现在谈论800V架构并非纸上谈兵，一些车辆已经具有800V架构。保时捷Taycan是第一款配备800V系统的在产车辆。与保时捷共同归属大众集团的奥迪公司，其e-tron GT车型共享了Taycan的J1性能平台，也配备了800V系统。也许有人会说，那些高端车型并不适合普通消费者。令人欣喜的是，800V架构已走进中端车型中，比如现代IONIQ 5和起亚EV6，它们都是拥有800V系统的电动汽车。包括通用、雷克萨斯和丰田等，许多汽车制造商已经宣布他们的800V电动汽车很快就会问世。
虽然800V架构并不是一种全新的充电技术，但它是电动汽车在下一个升级周期内将经历的最大升级之一。不过，凡事都有两面性，800V系统也有它的缺点，比如设计和工程成本高就是它的硬伤，并因此阻碍了该技术进入廉价电动汽车市场。
SiC器件是800V架构前行的关键
电动汽车刚开始流行时，市场上以22kW充电器为主，车辆要想充满电可能需要几个小时，甚至在某些情况下需要通宵充电，这些设备通常安装在家庭和工作场所。后来，在公共区域安装了50kW的“快速充电”充电桩，但充电速度仍然不能令人满意。
现在，使用800V、350kW的充电器，电动车主完全可以在7分钟内将64kWh的电池从20%充电到80%。而一个50kW、400V的充电器要完成同样的工作需要大约1.5小时。举一个实际的例子，如果保时捷Taycan连接到能够提供800V和最小300A的充电器，在22分钟内就能将电池电量从5%充到80%。
经过几十年的发展，电动汽车取得了长足的进步，改进的电池技术在电动汽车销量增长中发挥了重要作用。现在，碳化硅（SiC），一种强大的半导体技术，正在引领电动汽车进入一个性能更优、操作更便捷以及性价比更高的新时代。与硅（Si）相比，SiC有很多优势，包括每个管芯面积提供的功率更大、开关速度更高、能效更高、热性能更好，从而产生更小、更轻、成本更低的功率转换系统，因此它能使电动汽车的性能更好、价格更具竞争力、充电速度更快、电池更小和/或车辆续航里程更大。
当应用于电动汽车的直流快充方案时，SiC MOSFET和二极管可以降低多达30%的损耗、提供2—3倍的开关速度，以及增加65%的功率密度。其他优势还包括减少30%的组件以及降低总体系统成本。随着越来越多的汽车制造商将其设计平台转移到800V架构，SiC器件在EV领域的应用将更加广泛。
IDTechEx的一份分析报告《Power Electronics for Electric Vehicles 2022–2032》表明，自2021年开始，电动汽车架构向SiC MOSFET和800V以上高压系统的过渡步伐不断加快。雷诺（Renault）、比亚迪（BYD）和现代（Hyundai）等汽车制造商都宣布了新的800V车辆平台，并将在其功率电子器件中采用SiC MOSFET。福特还与特斯拉、比亚迪和丰田一起推出了一款包含SiC电力电子器件的电动汽车模型Mach E。
SiC功率器件在EV中主要应用于主驱逆变器、OBC、DC/DC车载电源转换器和大功率DC/DC充电器领域。随着800V系统的推出，电机控制器的主驱逆变器很可能从硅基IGBT替换为SiC基MOS模块。现在，SiC已成为大功率电动汽车传动系电子设备、车上和车下电池充电的首选技术。
针对功率高达或超过150kW的直流电动汽车充电设计，Infineon有一系列高性价比的分立式和模块产品可供选择，其中包括600V CoolMOS超结MOSFET P7和CFD7系列、650V IGBT TRENCHSTOP 5和1200V CoolSiC MOSFET。CoolMOS和CoolSiC MOSFET的突出优势在于支持高频运行、功率密度高且开关损耗低，能有效提高各类电池充电系统的效率。
根据Infineon的测算，借助350kW的大功率直流充电系统，续航200公里需要充电大约7分钟，非常有助于免除人们的续航里程焦虑。对于高达350kW的充电器，Infineon的CoolSiC MOSFET和二极管、功率模块（例如CoolSiC Easy模块）都能提供强有力的支撑。
其中，采用TO247-4封装的CoolSiC 1200V MOSFET与IGBT和MOSFET等传统硅（Si）基开关相比具有诸多优势，包括1200V级开关中超低的栅极电荷和器件电容电平、抗换向体二极管无反向恢复损耗、独立于温度的低开关损耗以及无阈值导通特性，非常适用于硬开关和谐振开关拓扑结构，如功率因子校正（PFC）电路、双向拓扑以及DC-DC转换器或DC-AC逆变器。
图2：Infineon CoolSiC 1200V沟槽式碳化硅MOSFET（图源：Infineon）
采用了CoolSiC MOSFET、NTC温度传感器、PressFIT压接工艺和氮化铝陶瓷的Infineon EasyDUAL 2B 1200V、6mΩ半桥模块，效率极高，冷却要求很低，支持更高频运行以及高功率密度，模块化设计有助于缩短直流快充设计人员的开发周期。
图3：Infineon EasyDUAL 2B 1200V模块（图源：Infineon）
800V架构虽然很优秀，但现在的公共基础设施大多不支持800V直流快速充电。Vicor公司认为，目前要将所有充电站进行升级不是一个短期就能解决的方案，他们提出了一种投资相对较小、执行容易、能快速缓解眼下困境的方案——车载转换解决方案。该方案可以实现400V和800V电动汽车电池与公共充电站之间的兼容性。
在Vicor的方案中，NBM6123在61 x 23mm CM ChiP封装中提供6kW的400V和800V固定比率转换，为电动汽车电池和公共直流快速充电站之间的兼容性提供高密度可扩展的车载解决方案。NBM6123是一个具有双向能力的模块，升压或降压转换可使用相同的模块来进行，还可以在800V充电期间为空调和机舱电子设备提供400V电源。
图4：可实现400V和800V固定比率转换的Vicor高性能汽车电源模块（图源：Vicor）
其实，早在2019年9月，德尔福就推出了可量产的800V碳化硅（SiC）AC/DC逆变器，该产品可以赋能电压高达800V的电气系统，相比如今400V系统，能大幅延长电动汽车（EV）的行驶里程并将充电时间缩短一半。该公司不久前与一家全球领先的OEM公司达成了一笔具有里程碑意义的27亿美元订单，用于在八年内批量生产该技术。
强大的800V架构还有哪些挑战？
800V架构很好，然而，它也有短板，最大的缺点是系统需要新的工程设计，800对400不是简单的数字翻倍。其次是在工程上的限制。对于接触器、连接器以及电缆等部件而言，高电压将会带来安全和可靠性等一系列问题。相比400V架构，800V架构需要满足更严格的隔离和防护要求，而这会提高解决方案的成本。
此外，将电池电压从400V增加至800V，不可避免地要增加系统中的电池传感器件，即电池单元控制器（BCC）。而传感器件的数量增加随之会转变为对功能安全的挑战。因此，现有的400V电动汽车不能通过更换一些零件而转换为800V系统。另一个不容忽视的问题是，正在使用的大多数直流充电桩都不支持300kW以上的充电需求，寻找800V充电桩将是电动汽车车主面临的一个挑战。
为了应对上述大多数挑战，NXP公司提供了一个颇具创新性的解决方案——可切换架构，即：在电池充电时，将电压从原来的400V转变为800V。该解决方案中，电池组由2个400V电池组成，这两个电池在日常使用时并联连接，并使用标准的400V传动系统组件，如逆变器和车载充电器，同时电池容量和里程不会受到影响。
在充电期间，系统中的BMS将这两个电池切换至串联配置，从而将电压提升至800V，同时降低电流，缩短充电时间。2x400V / 800V可切换电池架构为OEM提供了一个两全其美的解决方案，既保证了更高的行驶里程，又能实现快速充电，并且不会产生额外的传动系统组件成本。
NXP S32K3系列控制器是一款高度可扩展且应用广泛的可扩展32位MCU，它基于工作频率达240MHz的Arm Cortex-M7内核，内存可扩展，最高支持8MB的Flash，符合ASIL B和D等级以及ISO26262功能安全标准和ISO 21434网络安全标准。S32K3系列控制器支持400V和800V架构以及新型可切换架构。为了创建更灵活的高效架构，设计人员可将NXP S32K3 BMS处理器与MC33665BMS收发器/网关IC结合使用。
图5：用于400V转变为800V切换架构的NXP S32K3系列控制器（图源：NXP）
800V技术的未来展望
随着世界各国立法最终禁止销售汽油和柴油汽车，许多汽车公司正在加大电动汽车的产量。福特公司承诺到2030年将其欧洲市场的所有乘用车转向电动。市场研究公司IHS Markit报告称，在汽车制造商和全球政府的支持下，到2025年，全球汽车产量的45%将实现电气化。现在每年大约售出4,600万辆电动汽车，IHS Markit估计到2030年，这一数字将增长57%（约6,200万辆）。
石墨烯是一种新兴材料，电动汽车的800V架构对于石墨烯电池来说简直是天作之合。与充电速度更快的电池配对，理论上800V可以在10分钟或更短的时间内提供10—80%的电量。换言之，你可以在10分钟内达到200英里或更长的行驶距离，这比现在的直流快充快多了。
根据国际能源署（IEA）的报告，2021年第一季度电动汽车（EV）销量同比增长约140%。若要保持这一势头，关键是要让电动汽车用起来和传统汽车一样方便，而这正是大功率直流充电的用武之地。
首先，较高电压的驱动系统能够以较小的电流提供相同的功率，最终的结果是车内电缆更轻、车辆的总质量更小，这就自然地增加了EV的续航里程。其次，如果电动汽车具有800V充电系统，并且充电桩可以与之匹配，则充电时间会显著缩短，甚至会使汽车充电速度提升2倍。
尽管现在大多数电动汽车使用的是400V系统，但800V必将成为下一代电动汽车技术；到2025年，大多数电动汽车企业将转向800V平台。这些都是业界对800V技术寄予的期望。
文章来源：贸泽电子