經(jīng)過(guò)多年國(guó)家的支持，中國(guó)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，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(duì)于燃油車(chē)天然的優(yōu)勢(shì)，比如加速性能優(yōu)，行駛時(shí)無(wú)發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲，使用費(fèi)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)?yán)m(xù)駛里程短，充電時(shí)間長(zhǎng)，保價(jià)能力差等。

本文從用戶需求，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和充電系統(tǒng)的技術(shù)和成本等方面對(duì)高低電壓平臺(tái)的優(yōu)劣進(jìn)行研究，分析高低電壓平臺(tái)各自的優(yōu)勢(shì)，以及未來(lái)在純電動(dòng)汽車(chē)發(fā)展中的搭載趨勢(shì)。

本文中定義的高電壓平臺(tái)指的是最高工作電壓超過(guò)500V 的電壓平臺(tái)，低電壓平臺(tái)為最高工作電壓小于等于500V 的電壓平臺(tái)。根據(jù)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(tái)。

 

1 電動(dòng)汽車(chē)電壓平臺(tái)應(yīng)用現(xiàn)狀

隨著電動(dòng)汽車(chē)技術(shù)的發(fā)展，電動(dòng)汽車(chē)制造商們也在著力揚(yáng)長(zhǎng)補(bǔ)短，比如加強(qiáng)追求更強(qiáng)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(dá)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(qiáng)。動(dòng)力性能的提升，得益于電壓的提升，電壓提高了，把驅(qū)動(dòng)電機(jī)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(tái)為800V 平臺(tái)，而比亞迪唐的額定電壓也達(dá)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(guó)內(nèi)較大的新能源生產(chǎn)廠家中，只有比亞迪公告了少量的高電壓平臺(tái)車(chē)型。

2 動(dòng)力系統(tǒng)高低電壓平臺(tái)優(yōu)劣評(píng)估

用戶購(gòu)買(mǎi)純電動(dòng)汽車(chē)因素當(dāng)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(shè)計(jì)中，就應(yīng)當(dāng)考慮價(jià)格的因素。在選取高電壓平臺(tái)還是低電壓平臺(tái)時(shí)，也會(huì)影響整車(chē)高壓系統(tǒng)的價(jià)格，最終影響車(chē)輛的造價(jià)。

本章節(jié)基于兩個(gè)不同級(jí)別的車(chē)型，對(duì)不同的電壓平臺(tái)進(jìn)行動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)，并評(píng)估其成本對(duì)比。

2.1 A 級(jí)車(chē)型高低電壓平臺(tái)成本對(duì)比

2.1.1 評(píng)估思路

高低電壓評(píng)估作為一個(gè)定性評(píng)估，此次評(píng)估基于某A 級(jí)純電動(dòng)車(chē)設(shè)定了多個(gè)假設(shè)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(jī)基于相同轉(zhuǎn)子直徑，散線繞組方案；

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

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

評(píng)估思路見(jiàn)圖2。

 

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

高電壓成本優(yōu)勢(shì)有：

a）電壓越高，同體積的電機(jī)功率越大，即電壓越高，相同性能電機(jī)成本越低；

b）接觸器及高壓線束，隨著電壓升高，電流減小，成本降低；

c）充電口過(guò)流能力有國(guó)標(biāo)限制，且充電樁跟隨國(guó)標(biāo)，最大電流不超過(guò)250A，在現(xiàn)有國(guó)標(biāo)直流充電標(biāo)準(zhǔn)下，電壓越高，可實(shí)現(xiàn)更高的直流充電功率；

d）同一車(chē)型，當(dāng)提升電機(jī)的驅(qū)動(dòng)功率時(shí)，可以減小對(duì)扭矩的需求。即不同的扭矩/功率組合，可以實(shí)現(xiàn)相同的0-100km/h 加速時(shí)間要求。

低電壓成本優(yōu)勢(shì)有：

a）低電壓平臺(tái)現(xiàn)有電機(jī)控制器所使用的IGBT市場(chǎng)更加成熟，成本更低；

b）DCOBC，空調(diào)，PTC，在低電壓平臺(tái)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(tái)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(shù)，速比9.3，仿真其滿足百公里加速約9s 的功率和扭矩需求。

由于是定性評(píng)估，在多種組合中挑選了4 組扭矩/功率組合進(jìn)行電驅(qū)動(dòng)總成的成本評(píng)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(qiáng)。電機(jī)不同扭矩/功率的組合，最優(yōu)設(shè)計(jì)方案也會(huì)有成本差異。電壓對(duì)IGBT，電容選型，影響其成本。我們比對(duì)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(píng)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(duì)A 級(jí)車(chē)的評(píng)估結(jié)果顯示，高電壓平臺(tái)，在驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中會(huì)有一定的成本優(yōu)勢(shì)。

2.2 A00 級(jí)車(chē)型高低電壓平臺(tái)對(duì)比

評(píng)估思路同A 級(jí)車(chē)，評(píng)估成本優(yōu)劣時(shí)，A00 級(jí)EV 車(chē)型評(píng)估也設(shè)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(jī)基于相同轉(zhuǎn)子直徑，散線繞組方案；

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

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

驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)成本評(píng)估結(jié)果見(jiàn)表4。

與A 級(jí)車(chē)不同，由于動(dòng)力性能要求降低，電機(jī)、變速器、傳動(dòng)軸、以及高壓線束在高電壓的優(yōu)勢(shì)變小，但是高電壓的功率器件成本升高較多，最終在A00 級(jí)車(chē)型上，低電壓平臺(tái)更加有成本上的優(yōu)勢(shì)。

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

2.3 SiC 的發(fā)展進(jìn)程

功率器件是電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中的重要組成，目前電機(jī)控制器驅(qū)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(qū)動(dòng)功率器件。目前市面上已量產(chǎn)的，通過(guò)汽車(chē)級(jí)認(rèn)證的IGBT 模塊屈指可數(shù)，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(tái)，離不開(kāi)SiC 技術(shù)的支持。

SiC 作為第三代半導(dǎo)體的代表之一，有比Si 基IGBT 更好的耐壓能力，給高電壓平臺(tái)的應(yīng)用提供了強(qiáng)力的支持。

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

通過(guò)仿真計(jì)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(shì)，預(yù)計(jì)2022 年，SiC 將在性能車(chē)上取得成本優(yōu)勢(shì)，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(tái)的搭載。

目前，SiC 功率器件技術(shù)優(yōu)勢(shì)已被行業(yè)普遍認(rèn)可，成本是規(guī)模效應(yīng)的關(guān)鍵。受限于成品率和生產(chǎn)規(guī)模，國(guó)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(yù)計(jì)價(jià)格達(dá)到對(duì)應(yīng)Si 產(chǎn)品的2-3倍時(shí)，由系統(tǒng)成本減少和性能提升帶來(lái)的優(yōu)勢(shì)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(dǎo)體供應(yīng)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(tǒng)中，將會(huì)被SiC 代替。

3 充電系統(tǒng)評(píng)估

3.1 直流充電功率發(fā)展趨勢(shì)

3.1.1 純電動(dòng)車(chē)型直流充電能力

國(guó)內(nèi)主流微型車(chē)和緊湊車(chē)型大部分廠家宣傳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(qiáng)，車(chē)型充電功率已達(dá)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(tái)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(shè)備外，其他車(chē)型均采用歐標(biāo)接口。

3.1.2 充電樁布局

目前國(guó)內(nèi)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(duì)私家車(chē)的高速充電樁，500V 所占比例大了93.3%。國(guó)網(wǎng)在各城市的直流充電樁大部分為500V，所占為88%。

國(guó)內(nèi)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(zhǎng)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(jī)占比超67%，其中500V占比52%，450V占比15%。

特別需要注意的是，國(guó)網(wǎng)目前招標(biāo)的充電樁，均已切換為750V 等級(jí)，也就是說(shuō)，在未來(lái)，高電壓平臺(tái)，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(tái)充電樁。在與充電設(shè)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(shì)

根據(jù)奧迪大功率充電分享的報(bào)告顯示，87%的受訪者更青睞于30min 內(nèi)充滿80%電量，而44%的受訪者更是希望能夠縮短至15min 以內(nèi)。而歐洲和中國(guó)都在布局大功率350kW 的充電接口標(biāo)準(zhǔn)，并且已開(kāi)始布局充電站。350kW 超級(jí)充電定義了1000V/350A 的充電標(biāo)準(zhǔn)和交互協(xié)議。其中Lonity 公司是德國(guó)汽車(chē)聯(lián)盟（VDA）、大眾集團(tuán)、福特汽車(chē)集團(tuán)、寶馬汽車(chē)集團(tuán)、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(jì)劃2020 年安裝超過(guò)400 臺(tái)，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(jì)算，實(shí)現(xiàn)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(jì)算。

國(guó)內(nèi)也有北汽，比亞迪，寧德新時(shí)代在做相關(guān)項(xiàng)目的研究。根據(jù)規(guī)劃，中國(guó)350A 大功率充電標(biāo)準(zhǔn)預(yù)計(jì)2020 年發(fā)布，預(yù)測(cè)大功率充電設(shè)備將在2023~2025 年大規(guī)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(tái)搭載超級(jí)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(cè)試，可在700V 高壓下，實(shí)現(xiàn)最大300A 直流充電，常溫下10min 即可充滿300km 里程。

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

中國(guó)《節(jié)能與新能源汽車(chē)技術(shù)路線圖》規(guī)劃了充電基礎(chǔ)設(shè)施的技術(shù)路線如圖7 所示。

《路線圖》規(guī)劃了2020 實(shí)現(xiàn)每充電15min 可行駛里程≥100km，未來(lái)到2030 年的目標(biāo)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(dǎo)充電系統(tǒng)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(nèi)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(tǒng)發(fā)展路線

綜上所述，目前直流充電上的矛盾是客戶對(duì)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(tái)充電樁基礎(chǔ)設(shè)施比高電壓有絕對(duì)的數(shù)量?jī)?yōu)勢(shì)，未來(lái)3-5 年的純電動(dòng)乘用車(chē)還是以低電壓平臺(tái)為絕對(duì)主流，隨著750V 充電樁和大功率充電設(shè)施的普及，及客戶對(duì)快速充電的需求，高電壓平臺(tái)電動(dòng)汽車(chē)將首先出現(xiàn)在高端車(chē)型中。

設(shè)計(jì)方面，由于充電設(shè)施仍然以低電壓為主，未來(lái)的5 年以內(nèi)，采用高電壓平臺(tái)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(xiàn)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(dāng)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(tái)發(fā)展路線和技術(shù)難點(diǎn)

電壓平臺(tái)發(fā)展的技術(shù)路線圖如圖8 所示。

 

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

隨著750V 直流充電設(shè)施的慢慢普及，和第三代半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，SiC 功率器件的成本下降。高電壓平臺(tái)的應(yīng)用阻礙變小，越來(lái)越多的車(chē)企會(huì)采用高電壓平臺(tái)來(lái)滿足客戶對(duì)大功率充電和動(dòng)力性能的追求。預(yù)計(jì)2025 年，大部分車(chē)企的高端車(chē)型，采用高電壓平臺(tái)，最高充電電壓不超過(guò)750V。

到2030 年，寬禁帶半導(dǎo)體應(yīng)用愈發(fā)成熟，老一代的低電壓直流充電設(shè)施迭代成高電壓平臺(tái)充電設(shè)施，高電壓平臺(tái)成為主流。充電能實(shí)現(xiàn)充電5min，行駛200km 的目標(biāo)。

5 結(jié)束語(yǔ)

隨著用戶對(duì)車(chē)輛性能要求的提高，在性能車(chē)當(dāng)中，純電動(dòng)汽車(chē)高電壓是必然的趨勢(shì)。但是由于技術(shù)的升級(jí)需要時(shí)間，如SiC 和直流充電設(shè)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(nèi)，低電壓平臺(tái)仍然是低端車(chē)型的選擇之一。高電壓平臺(tái)和低電壓平臺(tái)共同發(fā)展，多向技術(shù)路線并行，為電動(dòng)汽車(chē)提供更多的選擇。