經(jīng)過(guò)多年國家的支持，中國新能源汽車(chē)，特別是電動(dòng)汽車(chē)，在近幾年發(fā)展迅速，已經(jīng)成為各大城市的重要組成部分。公共交通方面，深圳、北京、廣州、太原、佛山等大城市都紛紛采用新能源汽車(chē)。也由于政策的支持，北京、深圳、上海等城市有了越來(lái)越多的用戶(hù)，選擇了電動(dòng)汽車(chē)作為私家車(chē)使用。

除了政策的影響，電動(dòng)汽車(chē)也有其相對于燃油車(chē)天然的優(yōu)勢，比如加速性能優(yōu)，行駛時(shí)無(wú)發(fā)動(dòng)機噪聲，使用費用低等；同時(shí)，電動(dòng)汽車(chē)也有明顯的短板，例如純電動(dòng)汽車(chē)續駛里程短，充電時(shí)間長(cháng)，保價(jià)能力差等。

本文從用戶(hù)需求，驅動(dòng)系統和充電系統的技術(shù)和成本等方面對高低電壓平臺的優(yōu)劣進(jìn)行研究，分析高低電壓平臺各自的優(yōu)勢，以及未來(lái)在純電動(dòng)汽車(chē)發(fā)展中的搭載趨勢。

本文中定義的高電壓平臺指的是最高工作電壓超過(guò)500V 的電壓平臺，低電壓平臺為最高工作電壓小于等于500V 的電壓平臺。根據電池最高工作電壓和額定電壓的關(guān)系，本文定義額定電壓小于等于438V 為低電壓平臺。

 

1 電動(dòng)汽車(chē)電壓平臺應用現狀

隨著(zhù)電動(dòng)汽車(chē)技術(shù)的發(fā)展，電動(dòng)汽車(chē)制造商們也在著(zhù)力揚長(cháng)補短，比如加強追求更強的動(dòng)力性，保時(shí)捷mission E 宣傳其0-100km/h 加速時(shí)間能夠達到3.2s/2.8s，峰值功率500kW/560kW。比亞迪“唐”0-100km/h 加速時(shí)間為4.4s。未來(lái)電動(dòng)汽車(chē)的動(dòng)力性能會(huì )更強。動(dòng)力性能的提升，得益于電壓的提升，電壓提高了，把驅動(dòng)電機的功率提升了，挖掘了電動(dòng)汽車(chē)在動(dòng)力性能上的潛力。保時(shí)捷mission E 宣傳其電壓平臺為800V 平臺，而比亞迪唐的額定電壓也達到了613V。

 

比亞迪，吉利和北汽新能源公告的純電動(dòng)車(chē)型額定電壓如圖1 所示。三個(gè)國內較大的新能源生產(chǎn)廠(chǎng)家中，只有比亞迪公告了少量的高電壓平臺車(chē)型。

2 動(dòng)力系統高低電壓平臺優(yōu)劣評估

用戶(hù)購買(mǎi)純電動(dòng)汽車(chē)因素當中，價(jià)格是一個(gè)非常重要的因素，那么在純電動(dòng)汽車(chē)設計中，就應當考慮價(jià)格的因素。在選取高電壓平臺還是低電壓平臺時(shí)，也會(huì )影響整車(chē)高壓系統的價(jià)格，最終影響車(chē)輛的造價(jià)。

本章節基于兩個(gè)不同級別的車(chē)型，對不同的電壓平臺進(jìn)行動(dòng)力系統設計，并評估其成本對比。

2.1 A 級車(chē)型高低電壓平臺成本對比

2.1.1 評估思路

高低電壓評估作為一個(gè)定性評估，此次評估基于某A 級純電動(dòng)車(chē)設定了多個(gè)假設條件和限定條件：

a）速比9.3；

b）0-100km/h 加速時(shí)間約9s；

c）控制器的功率模塊基于IGBT；

d）電機基于相同轉子直徑，散線(xiàn)繞組方案；

e）電池額定電壓評估3個(gè)值，分別為：328V，438V，650V；

f）其他整車(chē)需求參數及阻力參考某特定A 級純電動(dòng)車(chē)型參數；

評估思路見(jiàn)圖2。

 

動(dòng)力性以0-100km/h 加速作為唯一指標，可以通過(guò)不同的扭矩和峰值功率實(shí)現。

高電壓成本優(yōu)勢有：

a）電壓越高，同體積的電機功率越大，即電壓越高，相同性能電機成本越低；

b）接觸器及高壓線(xiàn)束，隨著(zhù)電壓升高，電流減小，成本降低；

c）充電口過(guò)流能力有國標限制，且充電樁跟隨國標，最大電流不超過(guò)250A，在現有國標直流充電標準下，電壓越高，可實(shí)現更高的直流充電功率；

d）同一車(chē)型，當提升電機的驅動(dòng)功率時(shí)，可以減小對扭矩的需求。即不同的扭矩/功率組合，可以實(shí)現相同的0-100km/h 加速時(shí)間要求。

低電壓成本優(yōu)勢有：

a）低電壓平臺現有電機控制器所使用的IGBT市場(chǎng)更加成熟，成本更低；

b）DCOBC，空調，PTC，在低電壓平臺時(shí)采用的MOS 或IGBT 器件，二極管器件成本更低；

c）目前市面上充電樁以低電壓為主，高電壓平臺車(chē)型需解決在低電壓充電樁充電的問(wèn)題，可能會(huì )因此增加成本。此部分在后文中展開(kāi)。

2.1.2 扭矩/功率需求仿真

基于某車(chē)型參數，速比9.3，仿真其滿(mǎn)足百公里加速約9s 的功率和扭矩需求。

由于是定性評估，在多種組合中挑選了4 組扭矩/功率組合進(jìn)行電驅動(dòng)總成的成本評估，如圖3 和表1所示。

2.1.3 核算電動(dòng)力總成及傳動(dòng)軸成本

扭矩增加，變速器輸入和輸出軸會(huì )增加成本，傳動(dòng)軸也會(huì )需要加強。電機不同扭矩/功率的組合，最優(yōu)設計方案也會(huì )有成本差異。電壓對IGBT，電容選型，影響其成本。我們比對以下不同功率/扭矩組合，及在不同電壓下的最優(yōu)成本，見(jiàn)表2。

經(jīng)評估，不同電壓下最優(yōu)成本的扭矩/功率及其成本差見(jiàn)表3。

對A 級車(chē)的評估結果顯示，高電壓平臺，在驅動(dòng)系統中會(huì )有一定的成本優(yōu)勢。

2.2 A00 級車(chē)型高低電壓平臺對比

評估思路同A 級車(chē)，評估成本優(yōu)劣時(shí)，A00 級EV 車(chē)型評估也設定了一些限定條件：

a）速比10.27；

b）百公里加速需求約16s；

c）控制器的功率模塊基于IGBT；

d）電機基于相同轉子直徑，散線(xiàn)繞組方案；

e）電池額定電壓評估3 個(gè)值，分別為：328V，438V，650V；

f）其他整車(chē)需求參數及阻力參考某特定A00 級EV 車(chē)型參數。

驅動(dòng)系統成本評估結果見(jiàn)表4。

與A 級車(chē)不同，由于動(dòng)力性能要求降低，電機、變速器、傳動(dòng)軸、以及高壓線(xiàn)束在高電壓的優(yōu)勢變小，但是高電壓的功率器件成本升高較多，最終在A(yíng)00 級車(chē)型上，低電壓平臺更加有成本上的優(yōu)勢。

綜上所述，動(dòng)力性能要求越高，高電壓平臺在動(dòng)力系統的成本上越有優(yōu)勢。

2.3 SiC 的發(fā)展進(jìn)程

功率器件是電驅動(dòng)系統中的重要組成，目前電機控制器驅動(dòng)功率芯片多為Si 基的IGBT，全球只有特斯拉量產(chǎn)車(chē)型中使用了SiC MOSFET 作為驅動(dòng)功率器件。目前市面上已量產(chǎn)的，通過(guò)汽車(chē)級認證的IGBT 模塊屈指可數，有英飛凌的HP2（1200V/400A）和HPD（1200V/380A），及日立的1200V/400A 模塊。所以要發(fā)展高電壓平臺，離不開(kāi)SiC 技術(shù)的支持。

SiC 作為第三代半導體的代表之一，有比Si 基IGBT 更好的耐壓能力，給高電壓平臺的應用提供了強力的支持。

SiC 還具有比IGBT 更低的開(kāi)關(guān)損耗，彌補了部分其工藝復雜造成的成本高的缺陷。SiC 和Si 基IGBT 的系統效率對比如圖4 所示（基于某車(chē)型）。

通過(guò)仿真計算，某小型轎車(chē)上，若采用SiC 取代IGBT，將能降低0.5kWh/100km 的能耗。按照能耗優(yōu)化及SiC 功率器件的成本趨勢，預計2022 年，SiC 將在性能車(chē)上取得成本優(yōu)勢，有望在性能車(chē)中優(yōu)先取代IGBT，成為主流。與之伴隨的，是高電壓平臺的搭載。

目前，SiC 功率器件技術(shù)優(yōu)勢已被行業(yè)普遍認可，成本是規模效應的關(guān)鍵。受限于成品率和生產(chǎn)規模，國際上SiC 價(jià)格是Si 產(chǎn)品5 到6 倍。目前SiC 的價(jià)格在每年下降，預計價(jià)格達到對應Si 產(chǎn)品的2-3倍時(shí)，由系統成本減少和性能提升帶來(lái)的優(yōu)勢將推動(dòng)SiC 逐步占領(lǐng)Si 器件的市場(chǎng)空間。

在與全球半導體供應商英飛凌的交流中得知，他們將不再有下一代的高電壓IGBT，新能源汽車(chē)的IGBT，在高電壓系統中，將會(huì )被SiC 代替。

3 充電系統評估

3.1 直流充電功率發(fā)展趨勢

3.1.1 純電動(dòng)車(chē)型直流充電能力

國內主流微型車(chē)和緊湊車(chē)型大部分廠(chǎng)家宣傳30%-80%直流充電時(shí)間30min 左右，充電功率約在60kW-80kW。車(chē)型以低電壓為主。如表5 所示。

而歐美中高端車(chē)型直流充電能力偏強，車(chē)型充電功率已達100-120kW，但是保時(shí)捷率先宣傳了其充電電壓為800V，且兼容了低電壓平臺的充電能力。詳見(jiàn)表6。

以上車(chē)型，除特斯拉使用其專(zhuān)用充電設備外，其他車(chē)型均采用歐標接口。

3.1.2 充電樁布局

目前國內市場(chǎng)已經(jīng)布局了大量的直流充電樁，充電樁以500V 為主。其中城市充電樁部分用于公交車(chē)使用。而針對私家車(chē)的高速充電樁，500V 所占比例大了93.3%。國網(wǎng)在各城市的直流充電樁大部分為500V，所占為88%。

國內銷(xiāo)量領(lǐng)先的充電樁企業(yè)特來(lái)電，在北京，上海，廣州，深圳，武漢，太原，杭州，南京，長(cháng)沙這9大城市布局的充電樁中，450V充電樁主要在北京市場(chǎng)，500V以下充電機占比超67%，其中500V占比52%，450V占比15%。

特別需要注意的是，國網(wǎng)目前招標的充電樁，均已切換為750V 等級，也就是說(shuō)，在未來(lái)，高電壓平臺，主要是750V 充電樁，所占比例會(huì )越來(lái)越高，慢慢會(huì )取代500V 以下的低電壓平臺充電樁。在與充電設施企業(yè)技術(shù)交流得到的信息亦是如此，目前的直流充電模塊，已經(jīng)可以兼容200V-750V 了，未來(lái)將主要開(kāi)發(fā)750V 的充電模塊，并提前研發(fā)950V 充電模塊，不再開(kāi)發(fā)500V 以下的直流充電模塊。

3.1.3 未來(lái)大功率充電需求和趨勢

根據奧迪大功率充電分享的報告顯示，87%的受訪(fǎng)者更青睞于30min 內充滿(mǎn)80%電量，而44%的受訪(fǎng)者更是希望能夠縮短至15min 以?xún)?。而歐洲和中國都在布局大功率350kW 的充電接口標準，并且已開(kāi)始布局充電站。350kW 超級充電定義了1000V/350A 的充電標準和交互協(xié)議。其中Lonity 公司是德國汽車(chē)聯(lián)盟（VDA）、大眾集團、福特汽車(chē)集團、寶馬汽車(chē)集團、梅賽德斯股份聯(lián)合成立的公司。歐洲以lonity 公司研發(fā)的350kW 充電樁為主，建立起第一個(gè)大功率充電網(wǎng)絡(luò )，計劃2020 年安裝超過(guò)400 臺，如圖6 所示。

保時(shí)捷官網(wǎng)則宣傳未來(lái)新車(chē)型保時(shí)捷mission E的充電能力是充電4min 可行駛100km，充電15min可行駛400km。保時(shí)捷的宣傳并非不可能，若按12kWh 能耗計算，實(shí)現15min 充電行駛里程400km，則需充電功率204kW，若采用800V 充電，充電電流為255A，按電池充放電效率94%計算。

國內也有北汽，比亞迪，寧德新時(shí)代在做相關(guān)項目的研究。根據規劃，中國350A 大功率充電標準預計2020 年發(fā)布，預測大功率充電設備將在2023~2025 年大規模投入使用。北汽新能源官網(wǎng)宣傳：2019年1 月11 日，北汽新能源首臺搭載超級快充的電動(dòng)車(chē)在北京昌平未來(lái)科學(xué)城大功率充電站通過(guò)測試，可在700V 高壓下，實(shí)現最大300A 直流充電，常溫下10min 即可充滿(mǎn)300km 里程。

由此可見(jiàn)，目前已經(jīng)亟需提高電壓來(lái)實(shí)現充電功率的提升。

中國《節能與新能源汽車(chē)技術(shù)路線(xiàn)圖》規劃了充電基礎設施的技術(shù)路線(xiàn)如圖7 所示。

《路線(xiàn)圖》規劃了2020 實(shí)現每充電15min 可行駛里程≥100km，未來(lái)到2030 年的目標是每充電10min 電動(dòng)汽車(chē)可行駛≥100km。

上文提到，GB/T 18487.1—2015《電動(dòng)汽車(chē)傳導充電系統第1 部分通用要求》4.4 中建議的最大電流為250A。未來(lái)3~5 年內將通過(guò)提高充電電流來(lái)縮短充電時(shí)間。

3.2 直流充電系統發(fā)展路線(xiàn)

綜上所述，目前直流充電上的矛盾是客戶(hù)對充電時(shí)間的期望和電動(dòng)汽車(chē)不能快速充電的矛盾。

從直流快充層面考慮：由于低電壓平臺充電樁基礎設施比高電壓有絕對的數量?jì)?yōu)勢，未來(lái)3-5 年的純電動(dòng)乘用車(chē)還是以低電壓平臺為絕對主流，隨著(zhù)750V 充電樁和大功率充電設施的普及，及客戶(hù)對快速充電的需求，高電壓平臺電動(dòng)汽車(chē)將首先出現在高端車(chē)型中。

設計方面，由于充電設施仍然以低電壓為主，未來(lái)的5 年以?xún)?，采用高電壓平臺的車(chē)型，都需要兼容低電壓充電。這個(gè)時(shí)候就需要一個(gè)升壓/降壓模塊實(shí)現充電樁和動(dòng)力電池的匹配。比亞迪e5 是首次嘗試升壓DC 充電的量產(chǎn)純電動(dòng)車(chē)型。理所當然的，升壓模塊成本較高，而且多一個(gè)失效模式，在中低端車(chē)型目前還不是一個(gè)最優(yōu)的方案。

4 電壓平臺發(fā)展路線(xiàn)和技術(shù)難點(diǎn)

電壓平臺發(fā)展的技術(shù)路線(xiàn)圖如圖8 所示。

 

2020 年，純電動(dòng)乘用車(chē)仍然以低電壓平臺占絕對比例，只有個(gè)別的車(chē)型采用高電壓平臺。

隨著(zhù)750V 直流充電設施的慢慢普及，和第三代半導體技術(shù)的發(fā)展，SiC 功率器件的成本下降。高電壓平臺的應用阻礙變小，越來(lái)越多的車(chē)企會(huì )采用高電壓平臺來(lái)滿(mǎn)足客戶(hù)對大功率充電和動(dòng)力性能的追求。預計2025 年，大部分車(chē)企的高端車(chē)型，采用高電壓平臺，最高充電電壓不超過(guò)750V。

到2030 年，寬禁帶半導體應用愈發(fā)成熟，老一代的低電壓直流充電設施迭代成高電壓平臺充電設施，高電壓平臺成為主流。充電能實(shí)現充電5min，行駛200km 的目標。

5 結束語(yǔ)

隨著(zhù)用戶(hù)對車(chē)輛性能要求的提高，在性能車(chē)當中，純電動(dòng)汽車(chē)高電壓是必然的趨勢。但是由于技術(shù)的升級需要時(shí)間，如SiC 和直流充電設施，會(huì )需要一定的時(shí)間逐步普及。由于成本的壓力，未來(lái)的5-10年內，低電壓平臺仍然是低端車(chē)型的選擇之一。高電壓平臺和低電壓平臺共同發(fā)展，多向技術(shù)路線(xiàn)并行，為電動(dòng)汽車(chē)提供更多的選擇。