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(dá)到最出色的效率水平。盡管SiC/GaN等寬禁帶半導(dǎo)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(biāo)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(fù)責(zé)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(dá)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(dǎo)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(dān)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(dāng)今主流的400V電池動力總成系統(tǒng)長達(dá)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(jìn)；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(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)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(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)，從而能夠在表征寬禁帶半導(dǎo)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(yán)苛的工作效率要求。但我們必須要認(rèn)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(xué)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(jìn)的功率轉(zhuǎn)換器設(shè)計方案進(jìn)行準(zhǔn)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(jìn)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(jìn)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(fù)責(zé)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）