憑借800V電動(dòng)汽車動(dòng)力總成設(shè)計(jì)解決“里程焦慮”問題

電動(dòng)汽車 (EV)普及率的上升激發(fā)了市場(chǎng)對(duì)優(yōu)化設(shè)計(jì)、降低成本和提升車輛運(yùn)行效率的需求，并為產(chǎn)品測(cè)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(dòng)汽車動(dòng)力總成子系統(tǒng)的核心，必須通過測(cè)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?yàn)榇颂峁┓e極的支持，但我們?nèi)杂衅渌麥y(cè)試難題需要應(yīng)對(duì)。

800V動(dòng)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(lái)了解一下，目前存在哪些與800V電動(dòng)汽車動(dòng)力總成架構(gòu)有關(guān)的設(shè)計(jì)和測(cè)試難題。

1 利用800 V系統(tǒng)解鎖應(yīng)用潛力

800V動(dòng)力總成架構(gòu)指的是標(biāo)稱工作電壓為800V的電動(dòng)汽車上的電氣系統(tǒng)。與目前的電池電動(dòng)汽車(BEV)普遍采用的400V動(dòng)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(dòng)力總成架構(gòu)的電動(dòng)汽車時(shí)，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(shí)間會(huì)受到負(fù)責(zé)將所需電流輸送到電池組的實(shí)際電纜尺寸的限制。而800V電池電動(dòng)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(dòng)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(shí)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(shí)間減少50％）能夠極大地減輕用戶在長(zhǎng)途旅行期間對(duì)電池電量用盡的擔(dān)憂。

2 增加電池電動(dòng)汽車的續(xù)航里程

采用800V系統(tǒng)的車輛僅需花費(fèi)不到23分鐘的時(shí)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(dòng)力總成系統(tǒng)長(zhǎng)達(dá)40至120分鐘的充電時(shí)間形成了鮮明對(duì)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(dòng)力總成中電纜與連接器的直徑、減輕電動(dòng)汽車的重量，并最終延長(zhǎng)同等級(jí)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(dòng)力總成子系統(tǒng)的整體運(yùn)行效率并簡(jiǎn)化車輛的熱管理流程。

按照市場(chǎng)調(diào)研機(jī)構(gòu)Yole的說(shuō)法，預(yù)計(jì)到了2023年，800V系統(tǒng)將開始成為整個(gè)汽車行業(yè)的主流解決方案。上文提到的諸多優(yōu)勢(shì)將成為這一轉(zhuǎn)型過程的重要驅(qū)動(dòng)力，并有效推動(dòng)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(shí)捷、現(xiàn)代和起亞等汽車制造商已經(jīng)啟動(dòng)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(zhǎng)，而且在接下來(lái)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(zhǎng)情況條形圖。

數(shù)據(jù)來(lái)源：yole 公司的市場(chǎng)調(diào)研結(jié)果

3 寬禁帶半導(dǎo)體器件的溫度優(yōu)勢(shì)

選擇硬件方法時(shí)很重要的一點(diǎn)，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(yùn)行，從而在提升效率的同時(shí)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(jiǎn)化逆變器的設(shè)計(jì)，同時(shí)最大限度減少器件對(duì)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(cè)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(duì)驗(yàn)證過程的重要意義

在驗(yàn)證和診斷電動(dòng)汽車牽引電機(jī)和逆變器的設(shè)計(jì)問題時(shí)，示波器能夠發(fā)揮舉足輕重的作用。它可以幫助設(shè)計(jì)人員滿足嚴(yán)苛的工作效率要求。但我們必須要認(rèn)識(shí)到，僅憑示波器可能無(wú)法滿足所有的測(cè)量需求。這時(shí)探測(cè)解決方案和分析軟件就能夠派上用場(chǎng)了。光學(xué)隔離電壓探頭可以幫助設(shè)計(jì)人員對(duì)高電壓柵極驅(qū)動(dòng)器執(zhí)行測(cè)量。

圖2 泰克工程師正在使用5系列B示波器測(cè)試電動(dòng)汽車的動(dòng)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(cè)試（DPT，簡(jiǎn)稱雙脈沖測(cè)試）解決方案，幫助其針對(duì)最先進(jìn)的功率轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)方案進(jìn)行準(zhǔn)確且可重復(fù)的測(cè)量。作為補(bǔ)充，工程師可以利用泰克的IMDA（逆變器電機(jī)驅(qū)動(dòng)器分析）等支持專門定制的軟件對(duì)PWM 和機(jī)械數(shù)據(jù)進(jìn)行三相測(cè)量，從而提升該解決方案的整體實(shí)用性。

為了能夠在關(guān)鍵時(shí)刻以合適的幅度和頻率進(jìn)行測(cè)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(cè)選項(xiàng)，對(duì)于負(fù)責(zé)設(shè)計(jì)電動(dòng)汽車動(dòng)力總成的工程師而言堪稱絕佳的解決方案。

（本文來(lái)源于《EEPW》2024.4）