800V高压系统介绍 | 盖世大学堂 电气化系列知识讲解（二）

在电动汽车技术飞速发展的当下，电动四驱车型成为众多车企竞相角逐的赛道。为突破技术瓶颈，提升车辆性能，800V高压系统应运而生。本文将深入剖析800V高压系统在电动四驱车型中的应用，涵盖断开机构、电机类型、系统优势与挑战、设计流程以及元器件选型等关键内容，带你一窥其技术奥秘。

一、电动四驱车型电驱断开机构与电机类型

在电动四驱车型的技术发展进程中，为了有效解决其存在的损耗以及高速反电动势问题，诸多车企积极探索并在电驱动系统中增加断开机构，以此降低机械损失。例如，上汽最早的电驱系统在中间轴设置了断开装置；长城最新的哈佛Z车型在后桥差速器处增设了类似的断开装置，这使得混动车型在特定模式下可近似视为纯电动四驱车型。目前，电机输入轴脱开这种方式应用较少，中间轴脱开、差速器脱开以及半轴脱开的应用相对更为广泛，但这些断开装置在混动车型上的量产案例仍不算多。

能够直接切断动力源的装置虽可实现扭矩最小化，却在结合时对电机调速和调整的时间要求极为严苛。以断开装置的不同方案为例，内嵌式单向离合器方案无论是机械式还是电控式，在轮毂转速与电机转速之间均会存在一定速差，假设速差约为50转。在控制电机零扭矩输出切换时，需对转速和扭矩进行精准控制，然而在接触瞬间仍会出现扭矩尖峰，可通过扭振监测和震动传感器检测到这一现象，同时还会伴随较大的噪音冲击，不过该方案的控制精度相对较高。

而中间断开方案由于涉及速比变化以及不同轴间的转速波动，对电机调速精度的要求更高，电机与轴之间的速差控制难度更大。通常情况下，如果将第一种方案的速差控制假设为50转，第二、三、四种方案的速差控制大致在30转左右。在实际的电机扭矩控制过程中，目标值虽设定为0牛米，但实际检测时仍会产生约零点几牛米的值，这一微小的扭矩值会对断开装置造成一定冲击，并引发能量释放，因此对装置零件的性能和控制逻辑提出了较高要求。

电机类型方面，励磁电机在海外市场和部分车企中有所应用，如宝马、日产、雷诺等，在一定程度上对永磁电机形成替代。励磁电机的主要优势在于高速工况下效率高于永磁电机，且不存在永磁体退磁风险。随着AWD（全时四驱）/4WD（四轮驱动）车型销量的增长，感应电机将迎来进一步发展；同时，为满足消费者对车辆拖曳能力的需求，eBeam形式的新技术也会不断发展。在国内，虽然目前研发感应电机的车企较少，但四驱车型市场的不断扩大将推动这些电机技术的发展。

二、800V电驱动系统优势及布置特点

相较于400V电驱动系统，800V电驱动系统具有显著优势，可类比为传统发动机中自吸发动机与增压发动机的关系。800V电驱动系统能够实现电驱动系统的小型化，提升功率密度，降低控制器损耗，进而实现乘员舱空间的最大化。

电机布置方面，电机通常位于车辆的两个纵梁之间，呈长圆柱体结构。由于半轴带有万向节，若万向节角度过大，在转向时球笼易出现突出风险，且会与转向轨迹外圈产生硬点干涉，存在安全隐患。为实现小型化，通常采取缩短电机轴向长度的措施，例如对端部绕组进行结构优化，采用波绕组或插片式结构，插片式结构焊接后轴向高度大幅降低，有效节约了纵梁间的间隙。

同时，电驱动系统轴向长度缩短后，万向节角度减小，降低了相关故障风险，提升了系统响应性。此外，电驱动系统小型化还为轮距和轴距的扩大创造了条件，进一步释放了乘员舱空间，提升了后排乘客的乘坐舒适性。在控制器布局上，前桥因有前机舱盖提供空间，控制器可布置在电驱系统上方；而后桥考虑到后备箱空间，控制器多布置在电机侧后方，且不会增加后排乘客的头部空间高度，同时下压的车型外形设计还能提升车辆的运动操控稳定性和后轮抓地力。

三、800V电驱动系统技术挑战及应对方向

不过，将电驱动系统的标称供电电压从400V提升至800V，也面临一系列技术挑战。一方面，800V高压电驱动系统工作时过电压峰值较高，常规的电子元器件、机械零部件、基础绝缘材料及其结构工艺难以适应显著提高的电应力危害；另一方面，该系统在输出动力性、经济性和电磁兼容性方面难以平衡兼顾，需要通过技术创新实现多维度、多学科、多领域的整体协同优化。

因此，针对800V高压系统汽车电驱动场景，需聚焦高可靠、高性能、高适应、高安全的技术方向，深入研究高耐压功率电子元器件选型、新型绝缘材料与工艺开发、高速轴承电腐蚀抑制、车规SiC功率器件应用、Boost调压升压器开发、高频电磁干扰抑制、驱动充电一体化集成、升压充电零转矩控制、电容式电荷泵升压器等系列核心技术。

当电压从400V提升至800V时，电机需更新绕组设计，匝数翻倍。在输出相同功率的情况下，电流可减半。根据公式\(R=\rho\frac{L}{S}\)（其中\(\rho\)为导电率，\(L\)为线圈长度，\(S\)为线径截面积），线圈长度与匝数成正比，线径截面积与匝数成反比，因此定子电阻会增加四倍。在不考虑绝缘层加厚的情况下，定子铜损耗保持不变。提升到800V高压架构后，电机效率基本维持不变，但高效率占比区域会扩大，这意味着电机在更多工况下能够保持高效运行状态。

控制器层面，基于同一IGBT/SiC模块，当电压从较低值（如350V提升至400V）提升时，会输出相同功率，电流减小，电压增加，控制器总损耗降低，系统效率提升。然而，当电压从400V提升至800V时，由于模块本身特性（IGBT的导通压降、SiC的导通电阻）的变化，控制器损耗降低幅度并不明显，甚至可能有所增加。因此，单纯应用800V高压架构（不考虑SiC），在动力总成效率方面可能并不具备明显优势，在实际应用中需要综合考虑成本、开发周期以及技术方案成熟度等因素。

SiC功率器件相较于传统硅基器件具有诸多优势，其禁带宽度是硅的3倍，电场强度是硅的15倍，电子饱和率是硅的2倍，导热系数是硅的3.5倍。这些特性使得SiC功率器件在高温下能够稳定工作，导通电阻低，开关速度快，散热性能好，为提升电驱动系统的性能提供了有力支持。但在实际系统开发中，单一数据的大幅提升在整个系统中的作用占比可能相对有限，如何充分发挥各组件的协同优势，实现系统整体性能的优化，仍是当前面临的挑战。

四、800V电驱动系统设计步骤

800V电驱动系统的设计是一个复杂且严谨的过程，涵盖多个关键步骤。

（一）功能需求提取与电器架构设计

首先进行功能需求提取，明确系统的各项性能指标和功能要求。在电器架构设计环节，进行器件选型和模块拓扑设计，同时对基础结构进行设计，包括功率器件PCB板的材料选型、内部分层设计等。由于PCB板上不同区域的热量分布存在差异，热仿真在初期设计中占据重要地位。通过热仿真模拟，能够优化散热设计，确保系统在不同工况下的稳定性，同时也有助于提升电驱动系统的整体效率。部分车企为追求更高效的集成化设计，尝试将MCU中的水道与电池冷却系统融合为油道，但这种设计在提高集成度的同时，也带来了材料使用量增加和零部件数量增多的问题，因此需要在设计过程中进行综合权衡。

（二）温度应力与可靠性分析

完成基础架构和热仿真设计后，进行温度应力和可靠性分析。运用物理公式和应力公式计算相关参数，评估结构设计的合理性，查找潜在问题并进行优化改进。同时，通过反推热管理系统的模拟仿真值，确保其可控性，并为实物测试提供针对性的测试方案和数据支持，积累设计经验，为后续设计优化提供依据。

（三）电器性能设计与测试

接着进行电器性能设计，包括电路回路接口设计、IO接插件架构设计以及电气信号模拟等。在设计过程中，使用专业软件（如c link或met LAP）进行综合对比，分析不同信号之间的相互影响，确保系统的电气性能满足设计要求。随后进行转换绝缘选择、壳体外壳和加压件设计等工作，并开展模块统计测试、温度可靠性测试以及绝缘效率测试等一系列严格的测试流程。整个设计过程各环节紧密相连，相互影响，关键在于热模拟、机械仿真和电路设计的有效结合，以及后期全面且严格的测试验证。对于面向多车型的平台化、模块化开发（如T28供应商），在测试过程中需要模拟多种极端工况，如高电压、高电流、高频率干扰以及故障注入等，通过对测试数据的分析，针对不同车型进行阈值调控，确保系统在各种复杂工况下的可靠性和稳定性。

五、高耐压功率电子元器件选型原则

高耐压功率电子元器件选型方面，需要遵循严格的理论计算和选型原则。

（一）功率器件电压规格选型

蓄电池或燃料电池供电的逆变器直流母线电压与电池电压\(U_{nom,dc}\)相同。在功率半导体器件的开关过程中会产生过电压，因此在选择功率半导体器件时，需根据直流母线电压和安全裕度系数估算器件的电压等级，计算公式为\(V_{CE} = (U_{dcmax}×K_1 + ΔU)×K_2\)。其中，\(U_{dcmax}\)为输入最高直流电压，\(K_1\)为电压裕度系数，\(ΔU\)为关断IGBT产生的过电压，\(K_2\)为安全系数。通常\(K_2\)取值在1.3 - 1.5之间，若\(K_2\)取值较小，可通过软件标定值修改来调整相关斜率，但这并非设计首选方案。

（二）功率器件电流规格选型

假设电机控制器的峰值输出电流有效值为\(I_{prms}\)，则峰值电流幅值\(I_{peak} = I_{prms}×1.414\)。功率器件的电流\(I_C(70°C)\)应大于\(I_{peak}\)乘以安全裕量。若各桥臂为非并联方案，安全裕量选择1.25倍；若为并联方案，则选择1.5倍。选型方案可根据具体设计进行调整，且在设计无明显风险点的前提下，可通过软件优化来弥补选型偏差。

（三）电流传感器规格选型

1、直流母线电流传感器选型

由电机控制器的峰值输出功率\(P_{max}\)和母线电压最小值决定，计算公式为\(I_{dcmax} = \frac{P_{max}}{U_{dcmin}}\)，直流母线电流传感器的电流测量峰值应大于\(I_{dcmax}\) 。

2、相电流传感器选型

主要由电机控制器输出的峰值电流\(I_{smax}\)决定，相电流传感器的电流测量峰值应大于\(I_{smax}×1.414\)，且相电流传感器数量应不少于2个。

（四）薄膜电容规格选型

1、电容器电压选型

薄膜电容器可承受超过额定电压1.2倍的脉冲电压，理论上可选择额定电压低于母线上尖峰电压的薄膜电容。根据不同的电池组额定电压，有对应的薄膜电容额定电压推荐选择值，如电池组额定电压为280V时，薄膜电容额定电压可选450V；300V - 350V时，可选450V或500V等，以此确保电容器在特定工况下稳定运行。

2、电容器容量选型

假设电机控制器输出最大功率为\(P_{max}\)，电路采用典型的三相全桥拓扑设计。在一个开关周期内，母线提供的能量约为\(W = \frac{P_{max}}{2f}\)（\(f\)为IGBT的开关频率），电容器在一个开关频率内释放的能量为\(Q = \frac{1}{2}C(U + Δu)^2 - \frac{1}{2}C(U -Δu)^2 = 2C UΔu\)（\(U\)为直流母线电压，\(Δu\)为母线纹波电压）。在极端情况下，\(Q = W\)，由此可得\(C = \frac{P_{max}}{4f UΔu}\)。通常直流母线电压脉动率为5%，即纹波电压值\(Δu = U×2.5\%\)，则极端情况下电容需求\(C_{max} = \frac{P_{max}}{4f U×U×2.5\%}\)。实际应用中，IGBT开关导通时母线电容提供\(\frac{W}{2}\)的能量，即\(Q = \frac{W}{2}\)，结合上述公式可得\(C_{min} = \frac{C_{max}}{2}\)。在实际选型时，电容器的容值通常选择在最大值和最小值之间。

（五）纹波电流计算

流经直流母线电容器的交流电流由三相逆变器输出的三相正弦基波电流与高频谐波电流叠加而成，二者均会在直流母线侧产生纹波电流。根据经验数据，纹波电流应小于等于0.6倍持续相电流的有效值，实际应用中需根据具体情况进行测试验证。

（六）被动放电电阻选型

依据国标要求，电机控制器必须配备被动放电电阻。在工作停止后，母线电压需通过吸收电阻在3分钟内泄放到36V安全电压。根据公式\(T = 3RC\)可推算所需电阻值\(R = \frac{T}{3C}\)（\(T\)为放电时间，\(C\)为薄膜电容的容量）。在正常工作时，被动放电电阻会消耗能量，其功率为\(P = \frac{U^2}{R}\)（\(U\)为母线电压）。因此，被动放电电阻的选型需满足以下条件：电阻值按照\(R = \frac{T}{3C}\)选择；电阻的功率应不小于\(P = \frac{U^2}{R}\)；电阻的额定电压应不小于电池的最高电压。

（七）正负极叠层母排选型

叠层汇流母排用于实现电力电子产品中功率电路和器件的电气连接，通过正负极层叠平行分布的结构形式，能够降低线路分布电感，减小功率器件两端的反向峰值电压，降低功率器件对电压保护吸收电路的要求。其选型要求为：额定电压应不小于电机控制器额定输入电压；电压工作范围应大于电机控制器电压工作范围。

800V高压系统开发涉及多方面的技术创新和严格的设计选型标准，各环节紧密关联，需要研发人员综合考虑系统性能、可靠性、成本等因素，以推动电动汽车技术的不断进步。