电动车的800v高压快充架构技术分析

  缩短充电时间是目前提升电动车使用体验的关键。当补贴力度越来越弱，推力渐小，加速电动汽车产业化的解决方案要回归到本质上：主动地解决消费者关心的实际应用问题，目前来看消费者最为关心的问题是续航和充电。如今车企推出的新车电池容量可做到100kWh，续航多在500km上下，甚至高达700km，续航不再是最大的负累。根据《Enabling Fast Charging:Achnology Gap Assessment》做的一项实验：在 525 英里（1 英里=1.6 公里）的旅程中，普通燃油车只需要加油一次，总耗时8小时23分钟；续航200英里50KW的直充电动车要充电四次，每次充电耗时40分钟，旅途累计耗时10小时48分钟；续航300英里120KW的直充电动车要充电1次，每次充电耗时68分钟，旅途累计耗时9小时16分钟；而续航300英里400KW的直充电动车单次充电仅需23分钟，旅途总计耗时8小时31分钟，整体耗时不输燃油车。加强充电基础设施建设，提升充电体验是大势所趋。

  政策方面，《2020年政府工作报告》中将充电基础设施纳入“新基建”，成为七大产业之一；《2020年能源工作指导意见》中指出要加强充电基础设施建设，提升新能源汽车的充电保障能力；《交通运输部关于推动交通运输领域新型基本的建设的指导意见》中明确要在高速服务区建设超级快充、 大功率充电汽车充电设施。

  国内ChaoJi充电标准 2021 年发布，超级充电基础设施加速布局。ChaoJi充电源自中国大功率充电研究，并与德国、日本交流推进，可支持350kW-900KW大功率充电，充电电压1000-1500V，充电电流500-600A，10分钟增加续航300公里以上。新一代的ChaoJi充电技术路线发端于电动汽车大功率充电需求，但并不简单指大功率充电接口，而是一套完整的电动汽车直流充电系统解决方案。立项标准预计2021年底完成，并开启试点示范，预计2025年普遍安装。ChaoJi充电标准兼容性强，有望统一多国标准。ChaoJi技术解决了国际上现有充电系统存在的一系列缺陷和问题，为世界提供一个统一的、安全的、可靠的、低成本充电系统解决方案。

  车企纷纷布局高压快充方案。想要实现大功率充电，要么提升电压，要么提升电流，根据发热量公式 Q=I2Rt，电流的提升会导致电气系统发热加剧，对散热的要求很高。目前，高压快充成为行业的多数选择，2019年保时捷的Taycan全球首次推出800V高电压电气架构，搭载800V直流快充系统并支持350kw大功率快充。而进入2021年后高压快充路线受到慢慢的变多主机厂的青睐，先是现代、起亚等国际巨头发布800伏平台，之后比亚迪、长城、广汽、小鹏等国内主机厂也相继推出或计划推出800V平台，高压快充体验将会成为电动车市场差异化体验的重要标准。从桩端看，高压零部件的成熟度较高。充电枪、线、直流接触器和熔丝等需重新选型，目前均有成熟产品，其余部件均无需改变。

  从车端看，高压主要部件均需重新选型。高压电池、BMS、电驱、OBC、DC/DCPTC、空调、高压连接器等均需重新选型。

  目前预计能实现大功率快充的高压系统架构共有三类，全系高压有望成为主流：（1）全系高压，即800V动力电池+800V电机、电控+800V OBC、DC/DC、PDU+800V空调、PTC。优势：能量转化率高，例如电驱动系统的能量转化率为90%，DC/DC 的能量转化率为92%，如果全系高压则不一定要通过DC/DC来降压，体系能量转化率为90%，如果通过DC/DC降压，则体系能量转化率为90%×92%=82.8%。劣势：该架构不仅对电池系统要求很高，电控、OBC、DC/DC 中功率器件需要由Si基IGBT替换成SiCMOSFET， 电机、压缩机、PTC等均要提升耐压性能，短期车端成本提升较高，但长久来看，产业链成熟以及规模效应具备之后，部分零部件体积减小，能效提升，整车成本会下降。

  （2）部分高压，即 800V 电池+400V 电机、电控+400V OBC、DC/DC、PDU +400V 空调、PTC。优势：基本沿用现有架构，仅升级动力电池，车端改造费用较小，短期有较大实用性。劣势：多处使用DC/DC降压，能量损失较大。

  （3）全部低压架构，即400V电池（充电串联 800V，放电并联400V）+400V电机、电控+400V OBC、DC/DC、 PDU +400V空调、PTC。优势：车端改造小，电池仅需改造BMS即可。劣势：串联增多，电池成本增加，沿用原有动力电池，对充电效率的提升有限。

  1、动力电池：电芯、负极和 BMS 技术升级电芯一致性要求提升。800V平台电池串联数量较多，如果电池之间有差异性，电池常规使用的寿命受一定的影响，对电芯生产的基本工艺要求提高，一致性要求提升。负极改性或使用硅碳负极。动力电池快充性能的掣肘在于负极，能够最终靠石墨改性解决，即表面包覆、混合无定型碳，无定型碳内部为高度无序的碳层结构，能轻松实现Li+的快速嵌入；另一办法是使用硅负极，理论容量高（4200mAh/g，远大于碳材料的372mAh/g），嵌锂电位高——析锂风险小——能承受更大的充电电流。BMS 串联比例增加。

  800V 电驱动系统电池组需要两倍数量的串联电池，因此就需要两倍数量的电池管理系统电压检测通道。

  2、电控、OBC、DC/DC：功率器件升级，SiC需求增加SiC MOSFET将加速替代Si IGBT。400V系统中，基本用650V、750V或 900V的功率模块以满足电控需求，800V系统中电驱动平台提升至1000V或1200V，IGBT模块承受的最大电压在650V左右，采用SiC材料耐压能力高，能降低损耗。而采用SiC结构，从硬件到软件都颠覆此前的系统，算法、硬件排布、包括电机方面ECM、高压绝缘系统也要升级。全球碳化硅产业链参与者众多，老牌硅基功率企业与新兴玩家同台竞技。碳化硅产业链各环节与硅基产业链类似，最重要的包含衬底（对应硅片）、外延、工艺制造、设计、模组封装、系统应用等。

  老牌玩家有英飞凌、Onsemi、Rohm、ST等，新兴专攻碳化硅领域的企业有Cree、SICC、BASIC、中科汉韵等，以及主车厂/Tier 1 企业比亚迪、博世等。目前碳化硅基功率器件市占率约5%，行业仍处于发展的早期，有关技术选型、工艺路线、客户绑定以及电动车格局等远未定型，给国内企业留下了足够的空间和时间。

  目前，市场上导电型碳化硅衬底市场Cree一家独大。碳化硅外延片市场由Cree和Showa Denko双寡头垄断。碳化硅功率器件市场由海外巨头主导。国内碳化硅各环节全产业链布局，有望快速成长。衬底环节厂商包括天科合达、SICC、同光晶体、东尼电子等，外延厂商包括瀚天天成、东莞天域等，设计厂商包括上海瞻芯、上海瀚薪等，IDM 厂商包括泰科天润、中科汉韵、三安集成、华润微等。国内供应链在所有的环节均有布局，而碳化硅仍在快速增长阶段，格局尚未固化，国内企业有望依托庞大内需市场调整海外巨头垄断地位。

  3、高压连接器：用量和性能都将提升目前主流的充电桩是400V，且车端驱动部件以400V标准为主，为满足800V架构，要增加大量400到800V的DC/DC，从而增加连接器用量，新能源汽车单车使用连接器数量提升至800到1000个（传统汽车单车连接器数量约为500个）。而800V连接器设计要点较多，要满足热管理、EMC、车机震动和腐蚀等问题，尤其是800V交流电频率很快，导致EMC问题，给其他敏感零部件带来干扰，长久来看连接器品质升级是必然。从单车价值量的角度来说，在不含线束的情况下，一般高压连接器单车价值量为2000元左右，新增高压连接器在乘用车能够达到单车800-1500元，商用车可达1500元以上。

  4、高压直流继电器：高压化、高性能拉升附加值800V下产品性能要求提高，附加值提升。继电器在新能源汽车中对电池充放电线路进行切换及保护，防止设备故障、短路、起火等，节省维护成本，对空调、转向、刹车、气泵、电机等进行通断控制，为新能源汽车核心元件。800V平台电压电流更高、电弧更严重，对高压直流继电器耐压等级、载流能力、灭弧、常规使用的寿命等性能要求提高，产品需要在触点材料、灭弧技术等多方面改进，高压直流继电器高性能带来高的附加价值，乘用车单车价值量约为800-1400元， 预计800V电压平台单车价值量将提升40%。

  5、熔断器：激励熔断器渗透率提高，单车价值量提升熔断器是新能源汽车必不可少的安全保护装置。随着电路保护要求提高，新型熔断器逐渐得到应用。传统电力熔断器无法根据保护要求调整，而新型的激励熔断器能够最终靠接收控制信号，激发保护动作。与传统熔断器相比，激励熔断器可根据车辆的工况需要，主动切断高压回路，使系统供电迅速断开，使高压端隔离，保护系统和人身安全。全球熔断器市场大多分布在在国外企业。2019 年CR3占比 64%。2019 年，全球前三的熔断器企业分别为Littlefuse、 Bussmann、Mersen，占比分别为31%、24%、9%，CR3 达到64%，格局较为集中。

  在新能源汽车领域，熔断器集中度较高，中熔电气为国内第一。根据中国电动车百人会，2019年主流整车企业中， 中熔、Bussmann、Mersen占比分别为 55%、30%、10%，CR3占比达到 95%。熔断器企业竞争力大多数表现在两个方面：一是定制化研发能力，熔断器应该要依据下游定制化开发，新车型需要反复提出要求并修改，企业联合上下游灵活定制化研发的能力是壁垒之一；二是自动化生产效率，传统行业熔断器由于产品品类多、下游分散，不相同的型号产品较难自动化，而新能源汽车熔断器由于数量多、且为圆管，较易实现自动化，高度自动化产线在提升规模效应、降低不良率、控制成本方面具备极其重大作用。

  6、薄膜电容：耐压及安全性升级，单车价值提升在新能源汽车运用中，电容器是能源控制、电源管理电源逆变以及直流交流变换等系统中的关键元器件电容器的寿命也决定了逆变器/变流器寿命。目前新能源车中主要用到三种薄膜电容——DC滤波、DC-Link、IGBT吸收。这三种电容中，DC-Link 电容（直流支撑电容）最重要，在逆变器中直流电作为输入电源，需通过直流母线与逆变器连接，逆变器在从DC-Link得到一定效果值和峰值很高的脉冲电流的同时，会在DC-Link上产生很高的脉冲电压使得逆变器难以承受，所以要选择DC-Link电容器来连接，一方面吸收逆变器从DC-Link端的高脉冲电流；另一方面也防止逆变器受到 DC-Link 端的电压过冲和瞬时过电压的影响。

  薄膜电容器可部分替代电解电容器。随着电力电子技术向各领域拓展，薄膜电容器的应用慢慢的变多，目前，660V交流电压等级变频器或功率单元需要耐压1200V的薄膜电容器，能做到0.4块钱/μF，在价格相等条件下，薄膜电容器等效电容量能够达到电解电容器等效电容量的一半。由于薄膜电容器的半永久寿命，使得这一领域中替代电解电容器具有极大的商业经济价值和技术价值。国内产品技术提升空间较大，国产薄膜质量和性能与国外著名品牌薄膜有比较大的差距，因此，国产优质薄膜电容器不得不依赖国外品牌薄膜支撑，这是我国薄膜电容器制造领域的短板，只有薄膜制造技术及产品的提升，整个薄膜电容器制造业才能进入良性发展。

  7、系统性技术升级带来多部件价值量提升电池：提升负极与 BMS 性能，短期内高性能硅碳负极成本比较高，随着产业化规模效应提升，成本有望下降到合理区间，短期单车价值量提升约3500 元；BMS由于串联的增多，价值量提升约40%，对应价值量1680元；电控及小三电：原有Si基功率模块需要替换成SiC功率模块，由此带来模块价值量提升约20%，对应价值量300元；以SiC器件功率器件为核心的电控及小三电价值量提升约15%，对应价值量1125 元；高压连接器：高压对连接器的要求更高，高压连接器单车价值量提升约800元。元器件：高压直流继电器单车价值量提升约40%，对应价值量300-560元；熔断器单车价值量提升约20%，对应价值量50-60元；薄膜电容单车价值量提升约20%，对应价值量80元。

  1、华为：打造行业内首个全栈高压平台解决方案2021年4月18日，华为给出了一套比较明确的技术目标：到2025年将推出电压平台超1000V、功率600kW的快充方案，5分钟就可以实现30%-80%SOC充电性能。华为推出AI闪充动力域高压平台解决方案。其产品有高压车载充电系统、高压异步电驱动系统、高压同步电驱动系统、高压电池管理系统、直流快充模块、三电云和高压热管理系统。全栈产品可帮助整车公司实现高压平台产品快速搭载落地。另外，从整车成本层面考虑，采用800V高压器件，初期成本可能会比原来400V电压平台略高。华为在发布会上称，高压架构下整车成本的上升不足2%，后期，基于技术快速迭代，一旦产业链趋于成熟，就能够迅速拉低整个产业的成本。

  2、小鹏汽车：车端、桩端同时布局车端：小鹏汽车发布了800V高压碳化硅平台，这一平台可承受超过600A的充电峰值电流，平台采用高能量密度、高充电倍率电池，充电5分钟最高可补充续航200公里。桩端：480kW高压超充桩。这一高压充电桩能够充分的发挥800V平台的补能技术潜力。

  此外，小鹏超充将在站端带来自研储能充电技术，采用储能超充站及移动储能车两种方式，通过削峰填谷，为用户所带来高效补能体验的同时减轻电网压力。快充车型：G9，预计2022年三季度交付。

  3、广汽集团：车端、桩端同时布局车端：2021年广汽科技日上，广汽集团展示了最新的超级快充技术，其中分为3C 和6C两个版本，6C高倍率快充技术能实现0-80%SOC只需8分钟，30-80%SOC只需5分钟。电芯方面：海绵硅负极片电池和超级快充电池技术；即将量产的车型，电芯单位体积内的包含的能量大于280wh/kg，电池续航超1000km，未来电芯单位体积内的包含的能量还将超过315wh/kg。能效方面，220-480kW充电功率，充电8分钟，续航200-400km。桩端：480kW充电桩，并大规模布局，预计到2025年，广汽埃安将会在全国300个城市建设2000座超充站，渗透至地级市，实现全覆盖。快充车型：AION V Plus，2021 年 9月 29 日上市。

  4、长城汽车：已布局快充电池2021年12月8日，长城汽车子公司蜂巢能源在第二届电池日发布会上发布了800V超级快充电池系统，充电15分钟续航100公里，最大充电功率可达 480KW，灵活的高压架构支持800V和400V灵活切换，高安全的BMS耐压等级达 5000V，高效热管理使得电池在4C快充下电池包温升小于20℃。快充车型：机甲龙，预计2022年上市。

  5、岚图汽车：全栈布局高压快充系统2021年9月26日，岚图汽车发布了最新800V高压超级快充技术，是一套动力电池和用电设备均为800V高压系统，无冗余升压装置的全新高压系统架构，包括超级快充系统、超低系统能耗、高性能电池、SiC电驱总成，并支持无线充电。该技术具备极致快充的能力，其中整车高性能电池搭载 4C 电芯，在360KW超级充电桩的加持下，充电速率可提升125%，实现充电10分钟，续航400公里。快充车型：有望在2023年量产。

  6、比亚迪：基于 e 平台 3.0 打造快充技术e平台3.0的关键模块，体积更小、重量更轻、性能更强、能耗更低。标配全新热泵技术，电驱动系统升级为8合1模块，综合效率可超89%。搭载e平台3.0的电动车，零百加速可快至2.9s，综合续航能力最大突破1000km。800V闪充技术，电动车充电5分钟，行驶150km，百公里电耗比同级别车型降低10%，冬季续航能力至少提升10%。

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