五大關(guān)鍵點梳理：為什么新能源汽車要引入 800V 高壓系統(tǒng)？

特約作者 / 陳慧志（業(yè)內(nèi)資深專家）

編輯 / 汽車之心

談到 800V，當前車企主要宣傳 800V 快充平臺，消費者潛意識里認為 800V 就是快充系統(tǒng)。

實際上這個理解有些偏差。準確地說，800V 高壓快充只是 800V 系統(tǒng)的其中一個特征功能。

在這篇文章中，我準備系統(tǒng)性地從五個維度向讀者展示一個較為完整的 800V 系統(tǒng)，包括：

1、什么是新能源車上的 800V 系統(tǒng)？
2、為什么會在當下引入 800V？
3、800V 系統(tǒng)當前可帶來哪些直觀收益?
4、當前 800V 系統(tǒng)應(yīng)用的難點是什么？
5、未來可能的充電布局是什么樣的？

01、什么是新能源車上的 800V 系統(tǒng)？

高壓系統(tǒng)，包含高壓平臺上的所有高壓部件，如下圖為典型搭載水冷 400V 電壓平臺電池包的新能源純電車型高壓部件。

高壓系統(tǒng)的電壓平臺來源于車輛動力電池包輸出電壓。

不同純電車型具體的電壓平臺范圍與各家的電池包串聯(lián)單體數(shù)，單體品類（三元，磷酸鐵鋰等）相關(guān)。

其中，三元電池包串聯(lián)單體數(shù) 100 串約是 400V 的高壓。

我們常說的 400V 電壓平臺是一個寬泛的說法，以 400V 平臺極氪 001 為例，其搭載的三元電池包從 100%SOC 到 0% SOC 時，其電壓變化寬度接近 100V（約 350V-450V）。

高壓電池包三維圖

當前 400V 高壓平臺下，高壓系統(tǒng)所有零件及部件，均在 400V 電壓等級下工作，按照 400V 電壓等級進行參數(shù)設(shè)計開發(fā)驗證。

要實現(xiàn)全 800V 高壓平臺系統(tǒng)，首先在電池包電壓上，需要使用 800V 的電池包，對應(yīng)大約 200 個三元鋰電池單體串聯(lián)。

其次是電機，空調(diào)，充電機，DCDC 支持 800V 以及相關(guān)線束，高壓連接器等所有高壓回路上的其他零件按照 800V 要求設(shè)計、開發(fā)、驗證。

在 800V 平臺架構(gòu)發(fā)展中，為了兼容市面上的 500V/750V 快充樁，相當長一段時間 800V 純電車會搭載 400V 轉(zhuǎn) 800V 升壓 DCDC 模塊。

其功能是根據(jù)實際充電樁電壓能力，適時決定是否激活升壓模塊給 800V 電池包充電。

根據(jù)性價比的搭配，大致有兩類形態(tài)：

一類是全 800V 平臺架構(gòu)。

此架構(gòu)中整車所有零件均為 800V 設(shè)計。

全 800V 高壓系統(tǒng)架構(gòu)

第二類是高性價比部分 800V 平臺架構(gòu)。

保留部分 400V 部件：由于當前 800V 功率開關(guān)器件成本是 400V 級 IGBT 的數(shù)倍，為了整車成本和驅(qū)動效率的平衡，主機廠有動力在關(guān)鍵必要的驅(qū)動系統(tǒng)上，使用 800V 部件（如電機），保留一部分 400V 零件（如電空調(diào)、DCDC）。

復(fù)用電機功率器件：由于充電過程中，不需要驅(qū)動，對成本敏感的主機廠會復(fù)用后橋電機控制器中的功率器件用在 400V-800 升壓 DCDC 中。

為什么新能源汽車會在當下引入 800V 系統(tǒng)？

當前純電車型日常駕駛中，約 80% 電量消耗在驅(qū)動電機中。

逆變器即電機控制器控制著電動機，是汽車中的重要組件之一。

三合一電驅(qū)系統(tǒng)

在 Si IGBT 時代，800V 高壓平臺效率提升小，應(yīng)用動力不足。

驅(qū)動電機系統(tǒng)的效率損耗主要由電機本體損耗及逆變器損耗兩部分組成： 

第一部分損耗--電機本體損耗：

• 銅損-電機定子繞組（銅線）上的發(fā)熱損失；

• 鐵損在電機使用磁力的系統(tǒng)中，因磁力的變化在電機的鐵（或鋁）的部分產(chǎn)生渦流而導(dǎo)致的熱損失（焦耳熱）；

• 雜散損耗歸結(jié)為電荷不規(guī)則流動產(chǎn)生的損耗；

• 風摩損耗。

如下某型 400V 扁線電機，最高效率可達 97%，400V 極氪 001 的威睿電機本體據(jù)稱最高效率可到 98%。

在 400V 階段已達 97-98% 的最高效率下，單純采用 800V 平臺，對電機本體損耗的降低空間有限。

第二部分損耗：電機逆變器損耗：

• 導(dǎo)通損耗；
• 開關(guān)損耗。

如下為本田 400V 平臺 IGBT 電機逆變器效率 Map[1]。95% 以上高效區(qū)比例接近 50%。

從兩部分損耗現(xiàn)狀對比來看：

在電機本體損耗（>2%）與電機逆變器損耗 (>4%) 粗略對比中，逆變器損耗相對占大頭。

因此，汽車的續(xù)航里程與驅(qū)動電機主逆變器的效率更為相關(guān)。

在第三代功率半導(dǎo)體 SiC MOSFET 成熟之前，新能源車功率部件如驅(qū)動電機上使用 Si IGBT 作為逆變器的開關(guān)器件，配套耐壓等級主要為 650V 左右，更高耐壓等級的 IGBT 主要用于電網(wǎng)，電力機車等非消費場合。

從可行性角度，新能源乘用車理論上可使用耐壓等級 1200V 的 IGBT 作為 800V 電機控制器的功率開關(guān)，在 IGBT 時代即開發(fā) 800V 系統(tǒng)。

從性價比角度，800V 電壓平臺對電機本體效率提升有限，延續(xù)使用 1200V IGBT 對損耗占大頭的電機逆變器效率無提升，反而帶來一系列開發(fā)成本上升，大部分車企在 IGBT 時代沒有動力應(yīng)用 800V 平臺。

到了 SiC MOSFET 時代，由于關(guān)鍵零件誕生，800V 系統(tǒng)的性能開始得到完善.

第三代半導(dǎo)體材料碳化硅功率器件問世后，因其優(yōu)良特性得到了廣泛關(guān)注 [2]。其結(jié)合了高頻 Si MOSFET 和高壓 Si IGBT 的優(yōu)點：

• 工作頻率高-達到 MHz 級，調(diào)制自由度更高

• 耐壓性能好-高達 3000 kV，應(yīng)用場景廣

• 耐溫性能好-可穩(wěn)定運行在 200℃的高溫下

• 集成體積小-較高的工作溫度減小了散熱器的體積和重量

• 運行效率高-采用 SiC 功率器件由于損耗的降低，提高了電機逆變器等功率部件的效率。如下以 Smart 精靈為例，相同電壓平臺，道路阻力基本相同的條件下（重量/造型/胎寬幾乎無差別）均為威睿電機，使用 SiC 逆變器相比 IGBT 逆變器綜合效率提升約 3%。

注：逆變器效率的實際提升程度還與各家的硬件設(shè)計能力及軟件開發(fā)相關(guān)。

早期的 SiC 產(chǎn)品受到 SiC 晶圓生長工藝和芯片加工能力限制，SiC MOSFET 的單芯片載流能力遠低于 Si IGBT。

2016 年，日本某研究團隊宣布成功研制了一款應(yīng)用 SiC 器件的高功率密度逆變器，后將成果發(fā)表在（日本電氣工程師學會電氣與電子工程匯刊）IEEJ[3]。當時該逆變器的最大輸出功率為 35kW。

2021 年，隨著技術(shù)逐年進步，量產(chǎn)耐壓 1200V 的 SiC MOSFET 載流能力上有了進步，已經(jīng)看到了可以適配 200kW 以上功率的產(chǎn)品。

到了現(xiàn)在這個階段，這項技術(shù)開始在實車上應(yīng)用。

一方面是電力電子功率器件性能趨于理想。SiC 功率器件相對 IGBT 更高的效率，可匹配 800V 平臺的耐壓能力（1200V），近年發(fā)展到 200kW 以上的功率能力的；

另一方面是 800V 高電壓平臺收益可見。電壓翻倍帶來整車充電功率上限更高，系統(tǒng)銅損更低，電機逆變器功率密度更高（表征上就是相同尺寸電機扭矩&功率更大）；

第三是新能源市場加大內(nèi)卷。消費端對高續(xù)航里程、更快補能速度的追求，企業(yè)端迫切希望新能源市場打出動力總成差異的差異；

以上因素最終帶來了這兩年新能源 800V 高壓平臺的大規(guī)模探索應(yīng)用。目前上市的 800V 平臺車型有小鵬 G9，保時捷 Taycan 等。

此外，上汽，極氪，路特斯，理想，天際汽車等車企也有相關(guān) 800V 車型準備推向市場。

800V 系統(tǒng)當前可帶來哪些直觀收益?

800V 系統(tǒng)從理論上可以列出很多優(yōu)點，我認為對于當下消費者最直觀的收益主要是下面兩個。

一是續(xù)航更長更實，這是最直觀的收益。

CLTC 工況百公里電耗層面，800V 系統(tǒng)帶來的收益（下圖為小鵬 G9 與寶馬 iX3 對比，G9 重量更大，車身更寬，輪胎更寬，均是電耗不利因素），保守估計有 5% 的提升。

高速工況下，800V 系統(tǒng)的能耗提升據(jù)稱更為明顯。

小鵬 G9 上市期間，廠家刻意引導(dǎo)媒體進行高速續(xù)航測試，多家媒體反饋 800V 的小鵬 G9 高速續(xù)航達成率（高速續(xù)航/CLTC 續(xù)航*100%）較高。

實際節(jié)能效果如何，則需要后續(xù)市場的進一步確認。

二是充分發(fā)揮現(xiàn)有充電樁的能力。

400V 平臺的車型，在面對 120kW，180kW 充電樁時，充電速度幾乎相同。

（測試數(shù)據(jù)來自懂車帝）800V 平臺車型借助的直流升壓模塊，可以將未受電網(wǎng)功率限制的現(xiàn)有低電壓充電樁（200kW/750V/250A），直接打到滿功率的 750V/250A。

注：實際小鵬 G9 出于工程考慮實際滿電電壓在 800V 以下。

以示例樁舉例，同樣約 100 度電池包的小鵬 G9(800V 平臺) 充電功率是極氪 001(400V 平臺) 的接近 2 倍。

當前 800V 系統(tǒng)應(yīng)用的難點是什么？

800V 應(yīng)用最大的難點依然是離不開成本。

這個成本分零部件成本和開發(fā)成本兩部分。

先來說說零部件成本。

高壓功率器件成本較高且用量大。全 800V 架構(gòu)整體 1200 耐壓高壓功率器件的設(shè)計使用超過 30 個，雙電機車型 SiC 至少 12 個。

截至 2021 年 9 月，100-A 分立式 SiC MOSFET（650 V 和 1,200 V）的零售價幾乎是等效 Si IGBT 價格的 3 倍。[4]

截至 2022 年 10 月 11 日，我了解到英飛凌兩款性能規(guī)格接近的 IGBT 與 SiC MOSFET 零售價格差在約 2.5 倍。(數(shù)據(jù)來源英飛凌官網(wǎng) 2022 年 10 月 11 日)

基于以上兩個數(shù)據(jù)來源，基本可以認為當前市場 SiC 為 IGBT 的約 3 倍價差。

其次是開發(fā)成本。

由于 800V 相關(guān)零件大部分需要重新設(shè)計驗證，相比小迭代產(chǎn)品試驗量更大。

400V 時代的試驗設(shè)備將有一部分無法適用于 800V 產(chǎn)品，還需采購新的試驗設(shè)備。

最早一批使用 800V 新產(chǎn)品的主機廠通常需要分擔零部件供應(yīng)商更多的試驗開發(fā)成本。

現(xiàn)階段主機廠為謹慎起見，會選擇老牌供應(yīng)商的 800V 產(chǎn)品，老牌供應(yīng)商的開發(fā)費用會相對要的更高些。

根據(jù)某主機廠汽車工程師在 2021 年的預(yù)估，采用全 800V 架構(gòu)，雙電機 400kW 級別純電車，從 400V 升到 800V 系統(tǒng)，成本上升約 10000-20000 元之間。

第三是 800V 系統(tǒng)性價比低。

以純電客戶使用家庭充電樁為例，假定 0.5 元/kWh 充電成本及 20kWh/百公里的電耗（中大型 EV 車型高速巡航典型電耗），當前 800V 系統(tǒng)上漲的成本可供該客戶駕駛 10-20 萬公里。

在車輛生命周期中效率提升（基于高壓平臺和 SiC 的效率提升，筆者粗略預(yù)估 3-5% 效率收益）節(jié)省的能源費用無法覆蓋車價的上漲。

還有就是 800V 車型有市場局限。

經(jīng)濟性層面 800V 平臺優(yōu)勢不明顯，因此適合對車輛性能有極致追求，對單車成本相對不敏感的高性能 B+/C 級車型。

這類車型，市場份額占比相對小。

根據(jù)乘聯(lián)會數(shù)據(jù)分解，2022 年 1 到 8 月，中國新能源汽車價格階層分析，20 萬-30 萬銷量占比 22%，30-40 萬銷量占比 16%，40 萬以上銷量占比 4%。

以 30 萬車價為界，在 800V 零部件成本未明顯降低的時段里，800V 車型可占大約 20% 的市場份額。

第四，800V 零件供應(yīng)鏈不成熟。

800V 系統(tǒng)應(yīng)用需要原有高壓回路零件的重新開發(fā)。高電壓平臺電池，電驅(qū)動，充電機，熱管理系統(tǒng)及零件，多數(shù) Tire1 和 Tire2 還處在開發(fā)階段無大規(guī)模量產(chǎn)應(yīng)用經(jīng)驗，主機廠可供應(yīng)商少，相對成熟產(chǎn)品容易因突發(fā)因素出現(xiàn)產(chǎn)能問題。

第五，800V 零件市場驗證不足。

800V 系統(tǒng)使用的全新開發(fā)產(chǎn)品多（電機逆變器，電機本體，電池，充電機+DCDC，高壓連接器，高壓空調(diào)等），需要驗證電氣間隙、爬電距離、絕緣、EMC、散熱等。

當前國內(nèi)新能源市場產(chǎn)品開發(fā)驗證周期短（通常老牌合資企業(yè)新項目開發(fā)周期 5-6 年，現(xiàn)國內(nèi)市場開發(fā)周期小于 3 年）同時 800V 產(chǎn)品實車市場檢驗時間不足，后續(xù)面臨售后概率相對較高。

第六，800V 系統(tǒng)快充實際應(yīng)用價值不高。

車企在宣傳 250kW、480kW（800V）高功率超級快充時，通常宣傳充電樁在多少個城市鋪設(shè)，有意引導(dǎo)消費者認為購車后可隨時享受這種體驗，可現(xiàn)實沒那么美好。

主要有以下三方面制約：

（1）800V 充電樁待增加。

目前市場上較為常見的直流充電樁的電壓最大支持到 500V/750V，限制電流為 250A 的，無法充分發(fā)揮 800V 系統(tǒng)（300-400kW）的快充能力。

（2）800V 超充樁最大功率有約束條件。

以小鵬 S4 超充樁（高壓液冷）為例，最高充電能力 480kW/670A。因受電網(wǎng)容量限制，示范站只支持單車充電可發(fā)揮 800V 車型的最高充電功率，高峰期多車同時充電則會出現(xiàn)功率分流。

據(jù)供電專業(yè)人士舉例：東部沿海在校生人數(shù)超過 3000 的學校申請使用的是 600kVA 容量，按 80% 效率估計，大約可支持一臺 480kW 的 800V 超充樁。

（3）800V 超充樁投資成本偏高。

這涉及變壓器，樁，儲能等，實際成本據(jù)估計可能大于換電站，大規(guī)模鋪開可能性較低。

800V 超充只能錦上添花，那什么樣的充電設(shè)施布局可以提高充電體驗?zāi)?

未來的充電設(shè)施布局想象

當前整個國內(nèi)充電樁基礎(chǔ)設(shè)施上，車樁比（含公樁+私樁）仍然在約 3:1 的水平（基于 2021 年數(shù)據(jù)統(tǒng)計）。

隨著新能源汽車銷量的提升，解除消費者的充電顧慮，需要車樁比提升，各種規(guī)格的快充樁慢充樁在目的地場景及快速補能場景，合理布局，才能對充電體驗帶來改善，又可真正均衡電網(wǎng)負載。

首先是目的地充電，充電無需額外等待時間：

（1）小區(qū)停車位：大量建設(shè) 7kW 以內(nèi)共享有序慢充樁，油車優(yōu)先停非新能源車位，可滿足住戶需求，且鋪設(shè)成本相對較低，有序控制的方式亦可避免超出區(qū)域電網(wǎng)容量。

（2）商場/景區(qū)/工業(yè)園區(qū)/寫字樓/酒店等停車場：20kW 快充為輔、大量建設(shè) 7kW 慢充。開發(fā)端：慢充樁成本低，無擴容成本；消費端：避免快充短時間充滿電后，占位/挪車場景。

其次是快速補能，如何節(jié)省整體補能消耗時間：

（1）高速公路服務(wù)區(qū)：維持當前快充數(shù)量，嚴格限制充電上限（如高峰 90%-85%），保證長途駕駛車輛充電速度。

（2）主要城/鎮(zhèn)臨近高速公路口附近加油站：配置高功率快充，嚴格限制充電上限（如高峰 90%-85%），作為對高速服務(wù)區(qū)的補充，緊貼新能源用戶長途駕駛需求，同時輻射城/鎮(zhèn)地面充電需求。

注：通常地面加油站配有 250kVA 的電容量，粗略可同時支持 2 個 100kW 的快充樁。

（3）城市加油站/露天停車場：配置高功率快充，限制充電上限。當前中石油正在布局新能源領(lǐng)域的快充/換電設(shè)施，預(yù)計后續(xù)配建快充樁的加油站將越來越多。

注：加油站/露天停車場本身地理位置靠路邊及建筑特征較為明顯，方便充電客戶快速找到樁，快速離場。

寫在最后

800V 系統(tǒng)在當下還面臨諸多成本上，技術(shù)上，基礎(chǔ)設(shè)施上的難點，這些困難是新能源汽車技術(shù)創(chuàng)新發(fā)展、產(chǎn)業(yè)迭代的必經(jīng)之路，也是工程師、投資者、政策制定者各自發(fā)揮能量的舞臺。

中國車企，憑借快速高效的工程應(yīng)用能力，或許可以實現(xiàn) 800V 系統(tǒng)的大量快速應(yīng)用，在新能源汽車領(lǐng)域率先技術(shù)引領(lǐng)潮流。

中國這一屆消費者也將率先享受到技術(shù)進步帶來的優(yōu)質(zhì)車輛體驗。不再像當年燃油車時代，國內(nèi)消費者買到的都是跨國車企的老車型，老技術(shù)或者技術(shù)閹割的產(chǎn)品。

參考資料：

[1] 本田技研：Development of Motor and PCU for a SPORT HYBRID i-MMD System

[2] 韓芬, 張艷肖, 石浩. SiC MOSFET 在 Boost 電路中的應(yīng)用 [J]. 工業(yè)儀表與自動化裝置, 2021(000-006).

[3] Koji Yamaguchi, Kenshiro Katsura, Tatsuro Yamada, Yukihiko Sato .High Power Density SiC-Based Inverter with a Power Density of 70 kW/liter or 50 kW/kg[J]. IEEJ Journal of Industry Applications

[4] PGC Consultancy 文章:Taking Stock of SiC, Part 1: a review of SiC cost competitiveness and a roadmap to lower costs