經(jīng)過多年國家的支持，中國新能源汽車，特別是電動汽車，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。也由于政策的支持，北京、深圳、上海等城市有了越來越多的用戶，選擇了電動汽車作為私家車使用。

除了政策的影響，電動汽車也有其相對于燃油車天然的優(yōu)勢，比如加速性能優(yōu)，行駛時無發(fā)動機噪聲，使用費用低等；同時，電動汽車也有明顯的短板，例如純電動汽車續(xù)駛里程短，充電時間長，保價能力差等。

本文從用戶需求，驅動系統(tǒng)和充電系統(tǒng)的技術和成本等方面對高低電壓平臺的優(yōu)劣進行研究，分析高低電壓平臺各自的優(yōu)勢，以及未來在純電動汽車發(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(jù)電池最高工作電壓和額定電壓的關系，本文定義額定電壓小于等于438V 為低電壓平臺。

 

1 電動汽車電壓平臺應用現(xiàn)狀

隨著電動汽車技術的發(fā)展，電動汽車制造商們也在著力揚長補短，比如加強追求更強的動力性，保時捷mission E 宣傳其0-100km/h 加速時間能夠達到3.2s/2.8s，峰值功率500kW/560kW。比亞迪“唐”0-100km/h 加速時間為4.4s。未來電動汽車的動力性能會更強。動力性能的提升，得益于電壓的提升，電壓提高了，把驅動電機的功率提升了，挖掘了電動汽車在動力性能上的潛力。保時捷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車型額定電壓如圖1 所示。三個國內(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車型。

2 動力系統(tǒng)高低電壓平臺優(yōu)劣評估

用戶購買純電動汽車因素當中，價格是一個非常重要的因素，那么在純電動汽車設計中，就應當考慮價格的因素。在選取高電壓平臺還是低電壓平臺時，也會影響整車高壓系統(tǒng)的價格，最終影響車輛的造價。

本章節(jié)基于兩個不同級別的車型，對不同的電壓平臺進行動力系統(tǒng)設計，并評估其成本對比。

2.1 A 級車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定性評估，此次評估基于某A 級純電動車設定了多個假設條件和限定條件：

a）速比9.3；

b）0-100km/h 加速時間約9s；

c）控制器的功率模塊基于IGBT；

d）電機基于相同轉子直徑，散線繞組方案；

e）電池額定電壓評估3個值，分別為：328V，438V，650V；

f）其他整車需求參數(shù)及阻力參考某特定A 級純電動車型參數(shù)；

評估思路見圖2。

 

動力性以0-100km/h 加速作為唯一指標，可以通過不同的扭矩和峰值功率實現(xiàn)。

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）接觸器及高壓線束，隨著電壓升高，電流減小，成本降低；

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

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

低電壓成本優(yōu)勢有：

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

b）DCOBC，空調，PTC，在低電壓平臺時采用的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，高電壓平臺車型需解決在低電壓充電樁充電的問題，可能會因此增加成本。此部分在后文中展開。

2.1.2 扭矩/功率需求仿真

基于某車型參數(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。

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

2.1.3 核算電動力總成及傳動軸成本

扭矩增加，變速器輸入和輸出軸會增加成本，傳動軸也會需要加強。電機不同扭矩/功率的組合，最優(yōu)設計方案也會有成本差異。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/功率及其成本差見表3。

對A 級車的評估結果顯示，高電壓平臺，在驅動系統(tǒng)中會有一定的成本優(yōu)勢。

2.2 A00 級車型高低電壓平臺對比

評估思路同A 級車，評估成本優(yōu)劣時，A00 級EV 車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，散線繞組方案；

e）電池額定電壓評估3 個值，分別為：328V，438V，650V；

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

驅動系統(tǒng)成本評估結果見表4。

與A 級車不同，由于動力性能要求降低，電機、變速器、傳動軸、以及高壓線束在高電壓的優(yōu)勢變小，但是高電壓的功率器件成本升高較多，最終在A00 級車型上，低電壓平臺更加有成本上的優(yōu)勢。

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

2.3 SiC 的發(fā)展進程

功率器件是電驅動系統(tǒng)中的重要組成，目前電機控制器驅動功率芯片多為Si 基的IGBT，全球只有特斯拉量產(chǎn)車型中使用了SiC MOSFET 作為驅動功率器件。目前市面上已量產(chǎn)的，通過汽車級認證的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，離不開SiC 技術的支持。

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 更低的開關損耗，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(tǒng)效率對比如圖4 所示（基于某車型）。

通過仿真計算，某小型轎車上，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 將在性能車上取得成本優(yōu)勢，有望在性能車中優(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 功率器件技術優(yōu)勢已被行業(yè)普遍認可，成本是規(guī)模效應的關鍵。受限于成品率和生產(chǎn)規(guī)模，國際上SiC 價格是Si 產(chǎn)品5 到6 倍。目前SiC 的價格在每年下降，預計價格達到對應Si 產(chǎn)品的2-3倍時，由系統(tǒng)成本減少和性能提升帶來的優(yōu)勢將推動SiC 逐步占領Si 器件的市場空間。

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，新能源汽車的IGBT，在高電壓系統(tǒng)中，將會被SiC 代替。

3 充電系統(tǒng)評估

3.1 直流充電功率發(fā)展趨勢

3.1.1 純電動車型直流充電能力

國內(nèi)主流微型車和緊湊車型大部分廠家宣傳30%-80%直流充電時間30min 左右，充電功率約在60kW-80kW。車型以低電壓為主。如表5 所示。

而歐美中高端車型直流充電能力偏強，車型充電功率已達100-120kW，但是保時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。詳見表6。

以上車型，除特斯拉使用其專用充電設備外，其他車型均采用歐標接口。

3.1.2 充電樁布局

目前國內(nèi)市場已經(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使用。而針對私家車的高速充電樁，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(nèi)銷量領先的充電樁企業(yè)特來電，在北京，上海，廣州，深圳，武漢，太原，杭州，南京，長沙這9大城市布局的充電樁中，450V充電樁主要在北京市場，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，在未來，高電壓平臺，主要是750V 充電樁，所占比例會越來越高，慢慢會取代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，未來將主要開發(fā)750V 的充電模塊，并提前研發(fā)950V 充電模塊，不再開發(fā)500V 以下的直流充電模塊。

3.1.3 未來大功率充電需求和趨勢

根據(jù)奧迪大功率充電分享的報告顯示，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)。而歐洲和中國都在布局大功率350kW 的充電接口標準，并且已開始布局充電站。350kW 超級充電定義了1000V/350A 的充電標準和交互協(xié)議。其中Lonity 公司是德國汽車聯(lián)盟（VDA）、大眾集團、福特汽車集團、寶馬汽車集團、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，建立起第一個大功率充電網(wǎng)絡，計劃2020 年安裝超過400 臺，如圖6 所示。

保時捷官網(wǎng)則宣傳未來新車型保時捷mission E的充電能力是充電4min 可行駛100km，充電15min可行駛400km。保時捷的宣傳并非不可能，若按12kWh 能耗計算，實現(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%計算。

國內(nèi)也有北汽，比亞迪，寧德新時代在做相關項目的研究。根據(jù)規(guī)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(guī)模投入使用。北汽新能源官網(wǎng)宣傳：2019年1 月11 日，北汽新能源首臺搭載超級快充的電動車在北京昌平未來科學城大功率充電站通過測試，可在700V 高壓下，實現(xiàn)最大300A 直流充電，常溫下10min 即可充滿300km 里程。

由此可見，目前已經(jīng)亟需提高電壓來實現(xiàn)充電功率的提升。

中國《節(jié)能與新能源汽車技術路線圖》規(guī)劃了充電基礎設施的技術路線如圖7 所示。

《路線圖》規(guī)劃了2020 實現(xiàn)每充電15min 可行駛里程≥100km，未來到2030 年的目標是每充電10min 電動汽車可行駛≥100km。

上文提到，GB/T 18487.1—2015《電動汽車傳導充電系統(tǒng)第1 部分通用要求》4.4 中建議的最大電流為250A。未來3~5 年內(nèi)將通過提高充電電流來縮短充電時間。

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充電時間的期望和電動汽車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(shù)量優(yōu)勢，未來3-5 年的純電動乘用車還是以低電壓平臺為絕對主流，隨著750V 充電樁和大功率充電設施的普及，及客戶對快速充電的需求，高電壓平臺電動汽車將首先出現(xiàn)在高端車型中。

設計方面，由于充電設施仍然以低電壓為主，未來的5 年以內(nèi)，采用高電壓平臺的車型，都需要兼容低電壓充電。這個時候就需要一個升壓/降壓模塊實現(xiàn)充電樁和動力電池的匹配。比亞迪e5 是首次嘗試升壓DC 充電的量產(chǎn)純電動車型。理所當然的，升壓模塊成本較高，而且多一個失效模式，在中低端車型目前還不是一個最優(yōu)的方案。

4 電壓平臺發(fā)展路線和技術難點

電壓平臺發(fā)展的技術路線圖如圖8 所示。

 

2020 年，純電動乘用車仍然以低電壓平臺占絕對比例，只有個別的車型采用高電壓平臺。

隨著750V 直流充電設施的慢慢普及，和第三代半導體技術的發(fā)展，SiC 功率器件的成本下降。高電壓平臺的應用阻礙變小，越來越多的車企會采用高電壓平臺來滿足客戶對大功率充電和動力性能的追求。預計2025 年，大部分車企的高端車型，采用高電壓平臺，最高充電電壓不超過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。充電能實現(xiàn)充電5min，行駛200km 的目標。

5 結束語

隨著用戶對車輛性能要求的提高，在性能車當中，純電動汽車高電壓是必然的趨勢。但是由于技術的升級需要時間，如SiC 和直流充電設施，會需要一定的時間逐步普及。由于成本的壓力，未來的5-10年內(nèi)，低電壓平臺仍然是低端車型的選擇之一。高電壓平臺和低電壓平臺共同發(fā)展，多向技術路線并行，為電動汽車提供更多的選擇。