憑借800V電動汽車動力總成設(shè)計解決“里程焦慮”問題

電動汽車 (EV)普及率的上升激發(fā)了市場對優(yōu)化設(shè)計、降低成本和提升車輛運行效率的需求，并為產(chǎn)品測試提出了新的難題。各種功率轉(zhuǎn)換器和牽引逆變器構(gòu)成了電動汽車動力總成子系統(tǒng)的核心，必須通過測試方可使其達到最出色的效率水平。盡管SiC/GaN等寬禁帶半導體器件能夠為此提供積極的支持，但我們?nèi)杂衅渌麥y試難題需要應(yīng)對。

800V動力總成架構(gòu)的引入堪稱一次里程碑式的飛躍。下面我們就來了解一下，目前存在哪些與800V電動汽車動力總成架構(gòu)有關(guān)的設(shè)計和測試難題。

1 利用800 V系統(tǒng)解鎖應(yīng)用潛力

800V動力總成架構(gòu)指的是標稱工作電壓為800V的電動汽車上的電氣系統(tǒng)。與目前的電池電動汽車(BEV)普遍采用的400V動力總成架構(gòu)相比，該架構(gòu)的性能有了明顯提升。在使用400V動力總成架構(gòu)的電動汽車時，用戶必須在公共直流快速充電器 (DCFC)上為車輛充電40至120分鐘。具體充電時間會受到負責將所需電流輸送到電池組的實際電纜尺寸的限制。而800V電池電動汽車可以達到350或400kW的超高充電速率，是一種很有潛力的技術(shù)發(fā)展路線。

過渡到采用800V架構(gòu)的電池電動汽車能夠在很大程度上緩解甚至消除用戶的“里程焦慮”。將電壓加倍的同時保持原有的電流不變，將導致車輛的能量輸入增至二倍。將車輛的充電速度提升50％（也就是將充電時間減少50％）能夠極大地減輕用戶在長途旅行期間對電池電量用盡的擔憂。

2 增加電池電動汽車的續(xù)航里程

采用800V系統(tǒng)的車輛僅需花費不到23分鐘的時間，即可使電量由5％增加到80％，所增加的續(xù)航里程約為200英里。這與當今主流的400V電池動力總成系統(tǒng)長達40至120分鐘的充電時間形成了鮮明對比。

此外，升高后的電壓能夠以更小的電流傳輸相同的電量，因而能夠有效縮減動力總成中電纜與連接器的直徑、減輕電動汽車的重量，并最終延長同等級電池組的行駛里程。

不僅如此，將工作電壓由400 V 過渡到800 V 還有助于提高動力總成子系統(tǒng)的整體運行效率并簡化車輛的熱管理流程。

按照市場調(diào)研機構(gòu)Yole的說法，預(yù)計到了2023年，800V系統(tǒng)將開始成為整個汽車行業(yè)的主流解決方案。上文提到的諸多優(yōu)勢將成為這一轉(zhuǎn)型過程的重要驅(qū)動力，并有效推動汽車行業(yè)，尤其是高端車輛領(lǐng)域向800V系統(tǒng)轉(zhuǎn)進；其中奧迪、保時捷、現(xiàn)代和起亞等汽車制造商已經(jīng)啟動了早期的相關(guān)商業(yè)化布局。盡管目前僅有少數(shù)公共DCFC充電站能夠全面支持800V架構(gòu)，但相關(guān)數(shù)字仍在逐日增長，而且在接下來的5年中，大多數(shù)公共DCFC充電站很可能開始支持150kW甚至更高的充電功率。

圖1 2020-2030年的800 V系統(tǒng)生產(chǎn)份額增長情況條形圖。

數(shù)據(jù)來源：yole 公司的市場調(diào)研結(jié)果

3 寬禁帶半導體器件的溫度優(yōu)勢

選擇硬件方法時很重要的一點，就是要采用 SIC和GAN開關(guān)等寬禁帶(WBG)半導體器件。選擇這類器件的原因是它們具有較高的切換速度和較大的溫度容差。這些器件能夠在高溫下有效運行，從而在提升效率的同時降低了總諧波失真(THD)。寬禁帶半導體器件較寬的工作溫度范圍還有助于簡化逆變器的設(shè)計，同時最大限度減少器件對熱管理系統(tǒng)的需求。在與JEDEC和IEC等標準化組織的合作中，我們專注于建立開關(guān)分析和二極管反向恢復(fù)測量的相關(guān)標準，從而能夠在表征寬禁帶半導體器件的性能方面發(fā)揮至關(guān)重要的作用。

4 示波器對驗證過程的重要意義

在驗證和診斷電動汽車牽引電機和逆變器的設(shè)計問題時，示波器能夠發(fā)揮舉足輕重的作用。它可以幫助設(shè)計人員滿足嚴苛的工作效率要求。但我們必須要認識到，僅憑示波器可能無法滿足所有的測量需求。這時探測解決方案和分析軟件就能夠派上用場了。光學隔離電壓探頭可以幫助設(shè)計人員對高電壓柵極驅(qū)動器執(zhí)行測量。

圖2 泰克工程師正在使用5系列B示波器測試電動汽車的動力總成

泰克可憑借旗下的4系列B MSO、5系列B MSO和6系列B MSO示波器為工程師提供寬禁帶雙脈沖測試（DPT，簡稱雙脈沖測試）解決方案，幫助其針對最先進的功率轉(zhuǎn)換器設(shè)計方案進行準確且可重復(fù)的測量。作為補充，工程師可以利用泰克的IMDA（逆變器電機驅(qū)動器分析）等支持專門定制的軟件對PWM 和機械數(shù)據(jù)進行三相測量，從而提升該解決方案的整體實用性。

為了能夠在關(guān)鍵時刻以合適的幅度和頻率進行測量，必須采用專用的電流和電壓探頭。5和6系列MSO示波器支持高通道數(shù)、逆變器分析軟件和多功能探測選項，對于負責設(shè)計電動汽車動力總成的工程師而言堪稱絕佳的解決方案。

（本文來源于《EEPW》2024.4）