北汽高壓動力系統(tǒng)關鍵技術解讀：800V高壓省錢嗎？_每日快看

電驅技術的革新和發(fā)展，主要向著提升集成度、提升效率、提升功率密度、改善NVH等目標開展，而深度集成、扁線、高轉速、大速比、高壓、SiC等是幾項主要的技術措施。面向電驅系統(tǒng)的革新，北汽新能源規(guī)劃了大、中、小三個平臺的電驅總成，電壓涵蓋400V/800V平臺，總成功率覆蓋范圍60-300kW，滿足從A0級到C級車輛的需求。

當前，為解決充電焦慮問題而推出的800V高壓架構方案成為當下車企在高端車型上的主流選擇之一。2022年12月8日，由蓋世汽車主辦的2022第三屆汽車電驅動及關鍵技術大會中，北京新能源汽車股份有限公司電驅系統(tǒng)總師梁亞非指出，升級800V高壓架構并且釋放高動力性和高充電性能后，由于動力總成需搭載SiC且提升動力性，整體成本將會有直接提升，因而真正的高性能800V高壓系統(tǒng)一定會增加成本。目前國內(nèi)部分企業(yè)正著力提升SiC功率模塊應用能力，未來2-3年內(nèi)將有望實現(xiàn)本土化批量搭載，最終實現(xiàn)從襯底-外延-晶圓-模塊的全產(chǎn)業(yè)鏈SiC資源布局。

(資料圖片)

梁亞非 | 北京新能源汽車股份有限公司電驅系統(tǒng)總師

以下為演講內(nèi)容整理：

動力總成競爭力

首先我們先要了解終端用戶為什么買車，從用戶需求和考慮因素去考慮車型的關注點，從而分解出要想讓車賣得好，動力總成應該怎么做。北汽新能源做了完整動力總成評價體系以及詳細的方法論，評價共有6個方面：續(xù)航與電耗、安全性、動力性、操控性、舒適性、便利與品質，從這6個方面綜合評估動力總成及其在整車中的貢獻。只有動力總成與整車做好匹配，才能實現(xiàn)最好的效果。

圖片來源：北汽新能源

北汽能源對于總成發(fā)展趨勢的判斷有4大方向，一是高集成度，二是高功率密度，三是高效率，四是低噪音，這些都是用戶最關心的一級指標，也是系統(tǒng)級別的核心指標。

高集成度，通過電機、減速器和控制器彼此之間的機械結構實現(xiàn)整體功率密度的深度集成。

高功率密度，考慮單位重量內(nèi)整體功率的情況，我們在高壓和中壓平臺的量產(chǎn)上已經(jīng)實現(xiàn)了指標，其中高壓平臺的功率密度更優(yōu)。

高效率，效率是電驅人持續(xù)不斷努力的目標，我們當下用了兩個指標進行衡量，一是用動力總成的峰值效率來衡量最高點，我們在使用IGBT時能達到93.5%，而使用SiC時能達到94.2%-94.5%；二整體工況效率，CLTC工況效率能達到88%-90.5%。

低噪音，分為客觀結果和主觀結果，客觀結果達到了120km/h的速度下總成1m噪音不大于80dB，助力整車主觀評價結果達到7.5分。

下面詳細針對每個趨勢展開，一是高集成度。10年前的電機很大、很笨重，且效率不高；隨著整個的行業(yè)發(fā)展，它的效率、功率密度、NVH指標、轉速都在提升。北汽新能源的第一代系統(tǒng)是分布式動力總成，第二代開始做六合一動力總成，把電機、電控、減速器、DCDC、OBC、PDU進行了統(tǒng)一的集成。第三代做了三合一的深度集成，在轉速和功率密度、效率上有了進一步提升。后續(xù)我們也將開發(fā)下一代超級電驅，實現(xiàn)更好的集成度、功率密度、效率和NVH指標。

高功率密度主要通過多種核心的技術方式實現(xiàn)，包括800V高壓架構、油冷系統(tǒng)、雙面水冷模塊、扁線電機等。

圖片來源：北汽新能源

高效率方面，左圖展示的是在整車的能量流中，電從充電樁到輪端的變化，整個能量流分為三塊，一是充電能量流，二是電池的儲能能量流，三是整體的放電能量流。作為實現(xiàn)電能和機械能互相轉換的放電能量流中的電驅動系統(tǒng)，提升MCU-電機-減速器-輪端的電能和機械能轉化效率就是我們持續(xù)努力的目標。

右圖展現(xiàn)的是工況效率和效率MAP的關系，從中可以看到如何實現(xiàn)工況點和高效區(qū)之間的匹配，最終能實現(xiàn)較優(yōu)的工況效率，降低整車能耗。

整車工況的提升分為兩大方向，一是動力總成的效率提升，即把動力總成效率“設計得更高”；總體思路是，從技術、材料、工藝等多個方面入手讓動力總成效率有所提升，如SiC，更薄硅鋼片，扁銅線等；二是把動力總成“匹配得更好”，讓整車的應用集成提升。總體思路是動力總成的高效區(qū)和工況點實現(xiàn)好的匹配；在集成和動態(tài)工況中，有一些點是我們可以關注的，例如優(yōu)化整個回饋路徑，實現(xiàn)NEDC或CLTC工況的平滑性，以及在動態(tài)切換過程中進行一些細節(jié)的挖掘；在高效區(qū)與工況點之間互相靠近方面，不同車重、速比、工況動態(tài)以及設計，對動力總成效率和整車能耗都會有一定影響。

在我們的過往車型中，早年的工況效率只有70%的水平。隨著SiC、扁線等一系列技術的應用，CLTC效率越來越高，目前量產(chǎn)車型已能達到88.5%的水平，基于SiC將能達到90.5%。總體來說，若要提升效率，就需要通過使用新技術、新材料等“設計得更高“的手段和速比、動態(tài)工況設計優(yōu)化等”匹配得更好“的手段。。

圖片來源：北汽新能源

在NVH方面，我們基于V型開發(fā)流程，通過從整車到總成、零部件對NVH指標的分解、設計和實現(xiàn)、測試、驗證，實現(xiàn)更優(yōu)異的整車NVH特性。在動力總成領域，我們根據(jù)指標的分解從具體的技術上進行NVH的應對，包括電磁力的優(yōu)化設計、零部件模態(tài)的處理、軟件對諧波的注入和消除等。之后再進行零部件測試，把這些測試結果逐級上升到總的部件級別，再回到動力總成端進行客觀評價，以及從整車端進行主觀評價，這就是整體的方法論。

動力總成規(guī)劃

電驅技術的革新和發(fā)展，主要圍繞著提升集成度、提升效率、提升功率密度、提升NVH等目標開展，通過這幾個方面的提升帶來綜合競爭力的提升。在具體的產(chǎn)品端，不僅有競爭力的提升，還有產(chǎn)品端的功率提升。扁線、高壓、SiC、油冷等產(chǎn)品將陸續(xù)面世，成為高端車型的主流方案。

我們將盡量實現(xiàn)平臺化的復用，以電機為例，我們當前主推的是180mm和220mm的沖片平臺，分別覆蓋不同功率級別的動力總成，形成完整產(chǎn)品的譜系，這個譜系中分為大、中、小三個平臺，分別用于應對從A0級到C級車不同的動力總成需求，實現(xiàn)各自不同的競爭策略。各種車型的競爭率指標有著不同的權重比，有的車在于動力性，有的車在于經(jīng)濟性，有的車在于成本，不同競爭策略將對競爭力評價指標有具體的落地方式。同時，產(chǎn)品譜系中有400V的產(chǎn)品和800V的產(chǎn)品，總成功率覆蓋范圍60-300kW，能通過不同的產(chǎn)品組合滿足各自的產(chǎn)品需求。

800V動力系統(tǒng)關鍵技術

800V高壓架構近兩年一直是行業(yè)的熱點，并開始逐漸進入市場。關于800V的定義眾說紛紜，從我的觀點看，800V的定義是把整車電壓提升800V左右，使用800V的整車電氣高壓架構，即通過平臺架構的方式實現(xiàn)綜合性能，尤其是快充性能的提升，這就是它的定義。

實現(xiàn)800V架構具體技術路線都有所不同，可以分為兩大類：一是完全800V架構，即800V充電、800V儲能、800V放電，整個完整的能量流都是800V。考慮到當下的充電樁資源高壓占比逐步提升以及高壓零部件資源逐步豐富，這個方案更適合未來800V架構的實現(xiàn)，之后占比會越來越高。第二種是局部800V架構，顧名思義就是能量傳遞鏈中充電、儲能和放電有一個或者兩個地方不是800V。分為三種情況，一是800V充電，800V儲電，400V放電；二是800V充電，400V儲能，400V放電；還有800V充電，400V儲能，800V放電的方式。每種方式背后都是一系列復雜的技術路線，如雙400V電池串并聯(lián)系統(tǒng)等。

我認為，局部800V架構是當下受限于800V資源尚且不充分的情況所做出的不得已的選擇，隨著整體資源的提升，這個方案在純電驅中注定會被淘汰。

圖片來源：北汽新能源

800V架構的演變分為三個階段。第一個階段是以600V的額定電壓為主的800V架構，峰值電壓不超過750V，這也比較符合當下的充電樁資源情況。

第二個階段是當下正在研發(fā)，以及個別車企逐步推出的額定電壓為800V，峰值電壓在900V以下的架構。這是當下研發(fā)的主流，此時電控基本都基于SiC模塊進行設計，且需考慮電控內(nèi)部的優(yōu)化設計，電機絕緣系統(tǒng)的老化問題也需重點關注。

第三個階段更多是為未來考慮。為了實現(xiàn)充電性能的進一步提升，未來額定電壓可能會達到1000V甚至1200V，這取決于整體模塊和電池的發(fā)展，這一方案必然要整體對動力總成進行全新的設計。

三個階段也可能會產(chǎn)生交疊，考慮到目前的充電樁資源狀態(tài)，600V和800V還有并存的狀態(tài)。

圖片來源：北汽新能源

為什么要做800V？首先是為了提升整車動力性，然后最核心的目標就是提升快充性能。使用800V高壓架構后，在國標60kW（120A）、國標120kW（250A）、國標180kW（250A）和超級充電樁上分別有不同的性能提升。

圖片來源：北汽新能源

然而，充電功率的進一步提升還受限于電池電芯的能力。若想通過高壓提升充電性能，還需要考慮電池的變動，通過電壓提升以及電芯的提升帶來整體充電性能的大幅提升是各大企業(yè)的核心關注點。

圖片來源：北汽新能源

那么高壓到底省錢嗎？當升級800V架構之后，假設動力性和充電性能保持不變，根據(jù)電池方案的不同以及動力總成方案降本的差異，從電池、充電、線束、高壓、動力系統(tǒng)的總體結果來看，電氣化系統(tǒng)的總成本會略微提升或基本持平，應用800V架構并不會從整車系統(tǒng)層面帶來明顯的降本。

但真正的800V高壓架構必然要保證動力性能尤其是快充性能的提升。從整體結果來看，真正的高性能800V高壓系統(tǒng)一定會增加成本，從而為更好的充電性能進行服務。800V確實很好，但要付出一定的代價。

那么回到評價模型中，車需要這些性能嗎？這些性能的占比權重高嗎？用戶會在意嗎？這就是開篇提到的動力總成評價模型要去回答的問題，所以當下800V高壓架構更多在高端車型平臺上率先進入產(chǎn)業(yè)化。

800V高壓架構的效率高嗎？這同樣要基于一個比較條件，即不同電壓下同樣做優(yōu)化設計形成的兩款產(chǎn)品做比較（均使用SiC或均不使用SiC），而非同一個總成在不同電壓下的比較。首先說電機，在使用800V高壓架構后，考慮到電機可能的匝數(shù)變化以及引起的電流減小和電阻增加，最終計算出的電機銅損基本不變，鐵損也類似。總體電機效率基本不變，且由于絕緣系統(tǒng)的復雜還有可能對效率產(chǎn)生負面的影響。。

而在控制器上，在模塊不變的情況下，隨著電壓的提升，輸出同樣的功率，電流變小，電壓增加，此時控制器的總損耗降低，系統(tǒng)效率提升，但400V系統(tǒng)和高壓800V系統(tǒng)顯然不會采用同樣的模塊。而在采用不同的模塊時，無論是IGBT還是SiC，由于不同模塊本身的物理參數(shù)不一樣，隨著電壓的提升，控制器效率不會明顯提升，甚至有可能會降低。所以，應用800V高壓架構（不考慮SiC），不會給動力總成帶來明顯的效率提升。

關于動力性方面，隨著電壓提升，第一個方案是電機設計不變，直接升高壓，但這并非是一個好方案。第二個方案是基于電壓提升，更改電機設計，犧牲一部分轉矩來提升一部分功率，通過犧牲0-50km/h的加速性，提升80-120km/h的方式，保持總動力性基本不變，通過小轉矩、大功率的方式帶來整體的降本。這是一種有可能產(chǎn)生降本的方案。但我們在高端車型內(nèi)未必會使用這個方式，而是通過綜合提升動力性，帶來整體動力性天花板的提升，從而為整車帶來更好的動力性，也就是方案三。

使用SiC后確實能為系統(tǒng)性帶來2%左右的效能提升，但SiC目前成本依然很高。在SiC應用中有很多具體的細節(jié)技術問題和選擇問題，SiC的產(chǎn)業(yè)鏈涉及從襯底、外延、晶圓到整體模塊的應用，當下整個行業(yè)都在努力攻關。我們也期待國內(nèi)企業(yè)能早日形成產(chǎn)業(yè)鏈，為整車廠提供更多優(yōu)質的資源，共同向前推進第三代半導體事業(yè)的發(fā)展。

使用SiC后，不同的頻率會對電機效率、控制效率和總成效率形成不同結果，從總體結論來看，基于某款800V高壓架構動力總成系統(tǒng)工況效率將在12-15kHZ的開關頻率中達到最大值，這個結果在不同的動力總成中會有不同的結果，但總體趨勢是一致的，即頻率有一個最高效的頻段。

800V高壓架構的應用還會帶來軸電流的問題。當電壓升高，dv/dt變大，對系統(tǒng)將產(chǎn)生更大干擾，將為軸承、齒輪的可靠性造成影響。我們的解決措施第一是過程阻斷，即在電機控制器和電機中間增加三相線磁環(huán)抑制共模電壓，第二是回路隔離方案，第三是疏導方案，可通過這三種方式來解決軸電流的問題。

當下依然有25%的充電樁是500V的充電樁，到2025年，預計750V以上充電樁的比例會更多。基于這個情況，我們需要考慮一種方式，讓500V充電樁依然能為800V高壓系統(tǒng)充電。整體思路是通過電感+IGBT/SiC來實現(xiàn)，下面列舉了四種不同的方案：

圖片來源：北汽新能源

當使用高壓充電之后，整體的EMC也是個挑戰(zhàn)，需要在前期設計時就提前進行考慮。在高壓的方案開發(fā)中還有許多類似的細節(jié)需要提前策劃，才有可能實現(xiàn)動力總成的綜合性提升。

既然整體的800V高壓架構并不省錢，效率也沒有提升，那么我們是否還一定要做？顯然是要做的，因為它能真正帶來充電性能和動力性的提升，從而滿足人們購車的需求和對美好出行的向往，這也是我們?nèi)?00V高壓架構車型極狐阿爾法SHI版車型的宗旨。

（以上內(nèi)容來自北京新能源汽車股份有限公司電驅系統(tǒng)總師梁亞非于2022年12月8日，由蓋世汽車主辦的2022第三屆汽車電驅動及關鍵技術大會發(fā)表的《北汽新能源電驅系統(tǒng)路線圖及800V高壓架構綜述》主題演講。）