電動(dòng)汽車800 V高壓電驅(qū)技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

800 V 高壓平臺(tái)有利于解決電動(dòng)汽車充電慢、續(xù)駛里程短的難題，因此基于高壓平臺(tái)的800 V 電驅(qū)系統(tǒng)也成為行業(yè)研究熱點(diǎn)。主要從行業(yè)研究背景、用戶開發(fā)驅(qū)動(dòng)力、關(guān)鍵核心技術(shù)、展望與總結(jié)多個(gè)方面，結(jié)合工程實(shí)際，總結(jié)了800 V高壓平臺(tái)電驅(qū)系統(tǒng)最新技術(shù)方案，為高端汽車電驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品和技術(shù)開發(fā)提供了全面指導(dǎo)，有效提升本行業(yè)對(duì)于800 V 高壓電驅(qū)動(dòng)平臺(tái)技術(shù)的認(rèn)知水平，同時(shí)為國(guó)產(chǎn)高品質(zhì)電驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品開發(fā)提供設(shè)計(jì)理論支撐，創(chuàng)造可觀的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益。

1 引言

新能源汽車在推廣過程中，面臨續(xù)駛里程短、充電難、充電慢的問題，通過加大電流及提升系統(tǒng)電壓的方式提升充電效率，大電流會(huì)造成部件熱損失高，因此通過提高系統(tǒng)電壓成為提高效率的主流選擇。而電驅(qū)系統(tǒng)作為新能源汽車的核心部件，是體現(xiàn)汽車產(chǎn)品性能與核心競(jìng)爭(zhēng)力的關(guān)鍵，當(dāng)前國(guó)內(nèi)外品牌如：大眾、寶馬、奔馳、比亞迪、吉利、長(zhǎng)城等在高壓平臺(tái)方面都有所布局，基于高壓平臺(tái)的800 V 電驅(qū)系統(tǒng)也成為行業(yè)重點(diǎn)研究的關(guān)鍵技術(shù)。

本文主要從行業(yè)研究背景、用戶開發(fā)驅(qū)動(dòng)力、關(guān)鍵核心技術(shù)方面總結(jié)了800 V電驅(qū)系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)和技術(shù)難點(diǎn)，從材料、工藝方面給出了高局部放電起始電壓（Partial Discharge Inception Voltage，PDIV）、耐電暈電磁線的絕緣方案，并總結(jié)電磁干擾、抑制軸承電流腐蝕的技術(shù)方案，旨在提升本行業(yè)對(duì)于800 V 高壓電驅(qū)動(dòng)平臺(tái)技術(shù)的認(rèn)知水平。

2 800 V高壓電驅(qū)技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

2019 年9 月4 日，保時(shí)捷發(fā)布首款純電動(dòng)跑車—全新Tayca。其中，首批發(fā)布的車型版本為全新Taycan Turbo S 和全新Taycan Turbo，這2 款車型均為“保時(shí)捷E 驅(qū)高效動(dòng)力”（Porsche E-Performance），代表保時(shí)捷純電動(dòng)量產(chǎn)車Taycan 系列的最高性能。目前，常見的電動(dòng)車系統(tǒng)電壓為400 V，全新保時(shí)捷Taycan 是第一款系統(tǒng)電壓達(dá)到800 V的量產(chǎn)車型。該車型采用雙電機(jī)四輪驅(qū)動(dòng)配置（表1），其搭載了源自勒芒冠軍賽車919 Hybrid 的800 V 技術(shù)配合雙永磁同步電機(jī)與后軸兩速變速器，兼顧性能與續(xù)駛里程雙優(yōu)的需求。800 V 三電系統(tǒng)電耗低，內(nèi)置升壓器，提高持續(xù)輸出功率，增大充電功率，縮短充電時(shí)間，降低系統(tǒng)質(zhì)量，前后驅(qū)動(dòng)雙電機(jī)均采用交流永磁同步電機(jī)，采用HairPin發(fā)卡式繞組工藝，槽滿率高達(dá)70%，局部采用激光焊接。保時(shí)捷宣布Taycan 可以支持連續(xù)10 次以上的彈射起步，且不會(huì)出現(xiàn)轉(zhuǎn)矩輸出降額，其電機(jī)熱性能設(shè)計(jì)能力較好。

表1 保時(shí)捷Taycan電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)

注：技術(shù)指標(biāo)根據(jù)EDT 電驅(qū)時(shí)代和汽車先進(jìn)技術(shù)整理，此款電驅(qū)有2 種形式逆變器，擴(kuò)號(hào)內(nèi)的轉(zhuǎn)矩和功率為600 A峰值輸出。

2020年12月2日，現(xiàn)代汽車集團(tuán)全球首發(fā)了全新電動(dòng)汽車專用模塊化平臺(tái)E-GMP（Electric-Global Modular Platform,E-GMP）。平臺(tái)采用800 V 電壓電氣架構(gòu)，雙向充電，充電功率可達(dá)350 kW，18 min內(nèi)即可充電80%，充電5 min 可行駛100 km?，F(xiàn)代汽車表示，其集成充電控制裝置（Integrated Charge Control Unit,ICCU）是全球首個(gè)通過電機(jī)和逆變器將400 V 提升到800 V，實(shí)現(xiàn)以400 V 快速充電樁為800 V 電池穩(wěn)定充電的專利技術(shù)。2021 年，采埃孚、比亞迪、吉利、北汽、長(zhǎng)安、廣汽、東風(fēng)、小鵬等相繼跟進(jìn)發(fā)布800 V 高壓平臺(tái)架構(gòu)，車型有望在2022 年陸續(xù)啟動(dòng)量產(chǎn)。800 V高壓電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)即將迎來爆發(fā)式增長(zhǎng)。

3 800 V高壓電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)需求分析

根據(jù)汽車之家調(diào)研數(shù)據(jù)，消費(fèi)者不購(gòu)買新能源汽車的前10 原因（TOP10）如圖1 所示[1]。消費(fèi)者對(duì)保障續(xù)駛里程和充電便利性的關(guān)注度最高，續(xù)駛里程和充電是電動(dòng)汽車應(yīng)用的2大痛點(diǎn)。

圖1 新能源車輛使用問題匯總[1]

能源與交通創(chuàng)新中心（iCET）發(fā)布的《純電動(dòng)汽車消費(fèi)者調(diào)查報(bào)告》[1]顯示，超過50%的消費(fèi)者希望續(xù)駛里程越高越好，38.9%的消費(fèi)者認(rèn)為實(shí)際駕駛工況下400～500 km 的續(xù)駛里程可以滿足日常需求，不必一味追求高續(xù)駛里程，對(duì)BEV 而言，典型的電量裝載值約為100 kW·h，如圖2所示。

圖2 消費(fèi)者期望的續(xù)駛里程數(shù)據(jù)調(diào)查[1]

隨著電動(dòng)汽車的普及，用戶對(duì)電動(dòng)汽車的接受度和認(rèn)可度逐步上升，對(duì)電動(dòng)汽車的要求也逐步提高。用戶的主要訴求是充電快速便捷，像傳統(tǒng)汽車加油一樣，能夠很快找到充電設(shè)備并在15 min 之內(nèi)完成快速充電。

在高壓電氣架構(gòu)平臺(tái)下，功率不變前提下，續(xù)駛里程將增加、充電速度提升，電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)也更易于實(shí)現(xiàn)高功率和大轉(zhuǎn)矩輸出，工況運(yùn)行效率更高。在當(dāng)前消費(fèi)者的主要訴求邊界下，最合適的電壓等級(jí)是800 V，如圖3 所示。

圖3 高壓電氣架構(gòu)的優(yōu)勢(shì)及其電壓平臺(tái)的選擇

4 800 V電驅(qū)系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

常規(guī)汽車電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的標(biāo)稱供電電壓等級(jí)為400 V，由400 V 提高到800 V 后，將面臨以下技術(shù)問題：

（1）800 V 高壓電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)工作時(shí)過電壓峰值高，常規(guī)電子元器件、機(jī)械零部件、基礎(chǔ)絕緣材料及其結(jié)構(gòu)工藝無法適應(yīng)顯著提高的電應(yīng)力危害；

（2）800 V 高壓電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)輸出動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性、電磁兼容性難以平衡兼顧，如何通過技術(shù)創(chuàng)新實(shí)現(xiàn)多維度、多學(xué)科、多領(lǐng)域的整體協(xié)同最優(yōu)化；

（3）行業(yè)內(nèi)絕大多數(shù)車企仍采用400 V高壓平臺(tái)，短期內(nèi)我國(guó)很多地區(qū)的充電接口和充電樁不會(huì)快速換代，800 V電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)如何兼容現(xiàn)有主流的400 V中壓平臺(tái)快充基礎(chǔ)設(shè)施是新能源汽車行業(yè)發(fā)展中需要解決的重要問題之一。

有必要針對(duì)800 V 高壓系統(tǒng)汽車電驅(qū)動(dòng)場(chǎng)景，聚焦高可靠、高性能、高適應(yīng)、高安全技術(shù)方向，深入研究高耐壓功率電子元器件選型、新型絕緣材料與工藝開發(fā)、高速軸承電腐蝕抑制、車規(guī)SiC 功率器件應(yīng)用、Boost 調(diào)壓升壓器開發(fā)、高頻電磁干擾抑制、驅(qū)動(dòng)充電一體化集成、升壓充電零轉(zhuǎn)矩控制、電容式電荷泵升壓器等系列核心技術(shù)（圖4）。

圖4 800 V高壓電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)路徑

4.1 高耐壓功率電子元器件選型

電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的標(biāo)稱母線電壓由400 V 提高到800 V后，電機(jī)控制器內(nèi)部控制單元電路基本不變，而功率變換單元電路的各部分元器件及其印制電路板（Printed Circuit Board,PCB）的設(shè)計(jì)將完全不同。主要的元器件選型設(shè)計(jì)變化點(diǎn)見表2。

表2 400 V切換到800 V系統(tǒng)時(shí)功率電子元器件耐壓升級(jí)[2]

4.2 新型絕緣材料與工藝

由逆變器驅(qū)動(dòng)的電機(jī)稱為變頻電機(jī)。變頻交流電機(jī)通過逆變器完成輸出電壓幅值、頻率的調(diào)制，逆變器按脈寬調(diào)制（Pulse Width Modulation,PWM）的方式完成。PWM 調(diào)制驅(qū)動(dòng)時(shí)，逆變器輸出波形為不同脈寬的方波，對(duì)電壓進(jìn)行調(diào)制使得電機(jī)繞組內(nèi)通過的電流近似正弦電流。PWM 調(diào)制驅(qū)動(dòng)一般采用絕緣柵極雙極型晶體管（Insulated Gate Bipolar Transistor,IGBT）或金屬-氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor,MOSFET）功率器件，開關(guān)時(shí)間≤50 ns，PWM 輸出電壓方波的上升時(shí)間非常短（0.2～0.4 μs），電壓變化速率可達(dá)10 kV/μs，施加到電機(jī)繞組時(shí)會(huì)產(chǎn)生不均勻的匝間電壓分布，同時(shí)會(huì)在電機(jī)端部產(chǎn)生電壓行波的折射和反射現(xiàn)象，尖峰反射電壓疊加在高壓方波脈沖上，進(jìn)一步導(dǎo)致電機(jī)端過電壓沖擊的出現(xiàn)。電機(jī)端電壓波形中存在尖峰，其峰值可達(dá)母線電壓的1.5～2倍，高電壓導(dǎo)致的高電場(chǎng)會(huì)導(dǎo)致局部放電（Partial Discharge,PD）的數(shù)量增加，最終導(dǎo)致?lián)舸?/p>

相比傳統(tǒng)工頻正弦供電交流電機(jī)，工作在高頻陡上升沿方波電壓下的變頻電機(jī)面臨的電機(jī)絕緣問題更加復(fù)雜苛刻。一方面，高壓方波脈沖對(duì)定子繞組絕緣施加更高幅值的電壓沖擊；另一方面，脈沖頻率高達(dá)10 kHz，高頻作用加劇了介質(zhì)損耗、局部放電、空間電荷對(duì)絕緣的老化作用。匝間絕緣是變頻電機(jī)絕緣系統(tǒng)的最薄弱環(huán)節(jié)。采用逆變器變頻驅(qū)動(dòng)后，繞組匝間電壓可達(dá)工頻交流電源驅(qū)動(dòng)的10倍以上[3-5]。

在高頻高壓方波脈沖電壓下，絕緣材料壽命預(yù)測(cè)的老化模型的研究還不成熟。Guastavino[6]對(duì)絞線進(jìn)行壽命模型試驗(yàn)，建立的電壓-頻率-熱多因子聯(lián)合老化壽命模型為，見式（1）。

式中，L(V,T,f)為絕緣材料壽命；V為電壓；f為頻率；n為溫度T的函數(shù)；C，m為與材料和試驗(yàn)條件相關(guān)的系數(shù)[6]。

從式（1）可見，絕緣壽命與施加的PWM 電壓脈沖幅值、PWM載波頻率、環(huán)境溫度成反比例關(guān)系。

PWM 波形參數(shù)對(duì)局部放電特征參量的影響可以總結(jié)為表3。

表3 PWM波形參數(shù)對(duì)局部放電特征參量的影響[7-9]

高壓高頻方波脈沖下絕緣老化失效的過程可以分有、無局部放電2種情況分析。絕緣老化機(jī)理如圖5。

圖5 高壓高頻脈沖電壓下絕緣快速失效機(jī)理[7]

在800 V 電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中，為了抵抗不可避免的高頻PWM 脈沖對(duì)絕緣的破壞作用，必須在絕緣材料工藝、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、濾波設(shè)計(jì)、系統(tǒng)集成等方面開展關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)。

4.2.1 絕緣材料的改進(jìn)

必須尋找新型耐局部放電材料，目前存在2 種技術(shù)路線：高PDIV 電磁線，耐電暈電磁線。當(dāng)前業(yè)內(nèi)主流的2種先進(jìn)電磁線技術(shù)路線對(duì)比見表4。

表4 2種耐局部放電電磁線技術(shù)路線[10-11]

4.2.2 絕緣結(jié)構(gòu)和工藝的改進(jìn)

絕緣結(jié)構(gòu)的改進(jìn)主要通過提高絕緣系統(tǒng)的PDIV水平、耐電暈水平、避免機(jī)械損傷（磨損、雜質(zhì)、氣泡、彎折等），進(jìn)而提高絕緣的可靠性。難點(diǎn)在于提高絕緣性能的同時(shí)保持較高的槽滿率。供電電壓提高到800 V 后，電氣間隙和爬電距離等絕緣配合的設(shè)計(jì)也要隨之調(diào)整加強(qiáng)[12-13]。

4.2.3 阻抗匹配與諧波抑制

常規(guī)應(yīng)用情況下，電機(jī)端過電壓幅值與電機(jī)端和逆變器端的反射系數(shù)、PWM 脈沖上升時(shí)間、高壓連接電纜長(zhǎng)度成正比。隨著電機(jī)和逆變器之間母排長(zhǎng)度的增加，過電壓幅值增大，振蕩頻率減小，當(dāng)母排長(zhǎng)度增加到某一長(zhǎng)度時(shí)，過電壓幅值大約為2 倍方波脈沖電壓，為抑制諧波，應(yīng)盡量縮短高壓母排長(zhǎng)度。為消除電機(jī)端電壓反射，可采用無源濾波技術(shù)，使得電機(jī)和逆變器之間的電纜和電機(jī)的特征阻抗匹配。有3種阻抗匹配方法：電機(jī)輸入端端增加一階電阻-電容電路（Resistor-Capacitance circuit，RC）濾波；逆變器輸出端增加電抗器（降dv/dt）；改變電纜特性參數(shù)以降低電機(jī)端電壓的振蕩頻率。為了抑制過電壓也可以在逆變器輸出端設(shè)置低通濾波器，降低輸出脈沖電壓的dv/dt，進(jìn)而減少電機(jī)終端過電壓的幅值和高頻響應(yīng)。

4.3 高速軸承電腐蝕抑制

現(xiàn)代PWM 變頻供電的電壓源逆變器輸出只有高、低電平2 種狀態(tài)。只有2 個(gè)輸出狀態(tài)時(shí)，不可能產(chǎn)生完全對(duì)稱的三相波形，因此會(huì)發(fā)生不平衡，在電機(jī)繞組和殼體地之間產(chǎn)生非常大的共模電壓，同時(shí)電壓幅值dv/dt?快速變化。這些因素通過多種路徑耦合導(dǎo)致新增多種形式的軸承電流，造成軸承電腐蝕。

4.3.1 容性軸承電流

由共模電壓分壓導(dǎo)致的軸承電壓引起，相比其他軸電流很小。

電機(jī)高頻等效電路如圖6所示，其中：

圖6 電機(jī)高頻等效電路

Cwf為高壓定子繞組與地電位定子鐵芯之間的電容，每相值；

Cwr為轉(zhuǎn)子表面與定子繞組之間，所有三相并聯(lián)的一個(gè)電容；

Crf為轉(zhuǎn)子表面與定子鐵芯表面齒頂氣隙之間的電容；

Cb為軸承油膜的電容；

vb為軸承電壓，定義為軸承內(nèi)外圈之間的電位差；

vY?為電機(jī)繞組中性點(diǎn)對(duì)地電壓，也是共模電壓（三相電壓的算術(shù)平均值）。

軸承電壓計(jì)算公式如式（2），容性軸承電流計(jì)算公式如式（3）：

式中，vb為軸承電壓；vY為共模電壓；BVR?為軸承對(duì)地電壓和電機(jī)共模電壓的比值；Cwr為三相并聯(lián)電容；Crf為轉(zhuǎn)子與定子間電容；Cb為軸承油膜的電容；Ib?為容性軸承電流；dvb/dt為軸承電壓對(duì)時(shí)間的變化率。

4.3.2 靜電放電電流

共模源通過電容分壓器給軸承充電，當(dāng)超過門檻電壓時(shí)會(huì)導(dǎo)致一個(gè)放電電流脈沖。

4.3.3 環(huán)流軸承電流

較高的相電壓變化率dv/dt?產(chǎn)生一個(gè)相當(dāng)大的高頻電流，感生環(huán)形磁通，進(jìn)而誘導(dǎo)產(chǎn)生一個(gè)高頻轉(zhuǎn)軸電壓，進(jìn)而引起環(huán)流軸承電流[14-15]。

根據(jù)軸承電流的產(chǎn)生機(jī)理，軸承對(duì)地電壓和電機(jī)共模電壓的比值定義為BVR。電壓平臺(tái)由400 V 提高到800 V 后，共模電壓大幅提高，軸電流增大，軸承電腐蝕問題將更加突出。抑制軸電流的方法多種多樣，每種單獨(dú)的解決方法都各有利弊，單獨(dú)依靠某一個(gè)方法來根除軸承電腐蝕問題都存在局限性?？煽坑行У慕鉀Q方案是“消減、疏通、阻堵”相結(jié)合，綜合治理（圖7）。

圖7 軸承電流抑制技術(shù)

4.4 車規(guī)級(jí)碳化硅（SiC）功率器件應(yīng)用

硅（Si）材料功率器件中越是高耐壓器件，單位面積的導(dǎo)通電阻也越大（以耐壓值的約2～2.5 次方的比例增加），因此600 V 以上的電壓中主要采用IGBT 等少數(shù)載流子器件（雙極型器件）。Si IGBT 通過電導(dǎo)率調(diào)制，向漂移層內(nèi)注入作為少數(shù)載流子的空穴，因此導(dǎo)通電阻比Si MOSFET 還要小，但是同時(shí)由于少數(shù)載流子的積聚，在Turn-off時(shí)會(huì)產(chǎn)生尾電流，從而造成極大的開關(guān)損耗，由此產(chǎn)生的發(fā)熱會(huì)限制IGBT 的高頻驅(qū)動(dòng)。

當(dāng)電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的供電電壓等級(jí)提高到800 V后，需要隨之提高逆變器中使用的功率器件的耐壓到1 200 V。在這個(gè)電壓等級(jí)下，SiC MOSFET 相比Si MOSFET 相比SiIGBT更具綜合技術(shù)優(yōu)勢(shì)，見表5。

表5 主流半導(dǎo)體材料的物理特性[16-17]

基于SiC 的固有材料特性，SiC MOSFET 具有高耐壓、低導(dǎo)通電阻、耐高頻、耐高溫4大特性優(yōu)勢(shì)。

（1）SiC材料的絕緣擊穿場(chǎng)強(qiáng)是Si的10倍，因此與Si 器件相比，能夠以具有更高雜質(zhì)濃度和更薄厚度的漂移層實(shí)現(xiàn)600 V以上的高耐壓功率器件（圖8）。

圖8 Si基功率器件與SiC功率耐壓對(duì)比[18-19]

（2）高耐壓功率器件的阻抗主要由漂移層的阻抗組成，在相同的耐壓值情況下，SiC 可以得到標(biāo)準(zhǔn)化導(dǎo)通電阻（單位面積導(dǎo)通電阻）更低的器件。理論上，相同耐壓的器件，SiC 的單位面積的漂移層阻抗可以降低到Si 的1/300。因此，不需要進(jìn)行電導(dǎo)率調(diào)制，沒有必要再采用IGBT 這種雙極型器件結(jié)構(gòu)（導(dǎo)通電阻變低，則開關(guān)速度變慢），就可以高頻器件結(jié)構(gòu)的多數(shù)載流子器件（MOSFET）實(shí)現(xiàn)低導(dǎo)通電阻、高耐壓、高頻快速開關(guān)等各優(yōu)點(diǎn)兼?zhèn)涞钠骷?。SiC-MOSFET 與IGBT不同，不存在開啟電壓，所以從小電流到大電流的寬電流范圍內(nèi)都能夠?qū)崿F(xiàn)低導(dǎo)通損耗，見圖9。而且MOSFET原理上屬于單極器件，不產(chǎn)生拖尾電流，能夠明顯地減少開關(guān)損耗，并且實(shí)現(xiàn)散熱部件的小型化。

圖9 導(dǎo)通電阻的趨勢(shì)[20]

（3）SiC 帶隙較寬，是Si 的3 倍。禁帶寬度大的SiC 在高溫下漏電流并無顯著增加?？紤]到SiC 器件本身?yè)p耗低，發(fā)熱小，熱導(dǎo)率也大幅高于Si材料，因此SiC功率器件即使在高溫下也可以穩(wěn)定工作。

（4）SiC-MOSFET 能夠在IGBT 不能工作的高頻條件下驅(qū)動(dòng)，從而也可以實(shí)現(xiàn)無源器件的小型化[18-19]。

SiC MOSFET 用于車載800 V 主驅(qū)逆變器時(shí)，與使用IGBT 相比，效率可以顯著提升，主要體現(xiàn)在逆變器的高扭矩和低轉(zhuǎn)速范圍，從而可使整車電耗減少6%[20]。

4.5 Boost調(diào)壓升壓器技術(shù)

升壓調(diào)壓器是混動(dòng)電驅(qū)系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，未來混動(dòng)和純電動(dòng)產(chǎn)品技術(shù)開發(fā)平臺(tái)模塊化，混動(dòng)升壓器調(diào)壓上限極有可能達(dá)到800 V。升壓器布置在逆變器和動(dòng)力電池之間，如圖10所示。該升壓器可將動(dòng)力電池電壓升高，實(shí)現(xiàn)電機(jī)系統(tǒng)工作電壓在一定范圍內(nèi)的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，同時(shí)也可將逆變器端電壓降低后給動(dòng)力電池充電。

圖10 雙電機(jī)升壓系統(tǒng)電氣原理[21]

電機(jī)系統(tǒng)增加升壓器后的主要優(yōu)勢(shì)如下。

（1）電機(jī)系統(tǒng)輸出功率與電池電壓解耦：通過對(duì)電機(jī)系統(tǒng)工作電壓的按需調(diào)節(jié)，保證電機(jī)輸出功率不因電池電壓降低而跌落，且可通過提升系統(tǒng)輸入電壓，有效提升系統(tǒng)輸出功率能力；

（2）電機(jī)系統(tǒng)效率可進(jìn)行電壓尋優(yōu)，提升系統(tǒng)工況循環(huán)效率：電機(jī)系統(tǒng)工作電壓可以在較寬的范圍內(nèi)進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)工況點(diǎn)和高效區(qū)的最優(yōu)匹配[21]；

（3）降低電池額定電壓條件下電機(jī)輸出功率需求，有利于電機(jī)的小型化設(shè)計(jì)。

需要注意的是，配置升壓器的電驅(qū)系統(tǒng)，電機(jī)本體的設(shè)計(jì)應(yīng)以升壓器最高輸出電壓作為系統(tǒng)最高工作電壓進(jìn)行設(shè)計(jì)。同時(shí)，升壓器本身會(huì)帶來新的損耗，系統(tǒng)匹配和電壓尋優(yōu)策略的優(yōu)化設(shè)計(jì)對(duì)升壓器在系統(tǒng)中作用效果有直接影響。

4.6 高頻電磁干擾抑制

在Si基逆變器驅(qū)動(dòng)的變頻交流電機(jī)應(yīng)用中，由于逆變器PWM 輸出電壓方波脈沖的上升時(shí)間非常短（0.2～0.4 μs），對(duì)應(yīng)的等效上限頻率為f=1/（π·trise），其對(duì)應(yīng)的頻譜可以達(dá)到0.8～1.6 MHz。相比傳統(tǒng)工頻交流電機(jī)驅(qū)動(dòng)高頻電磁干擾（Electro Magnetic Interference，EMI）問題已經(jīng)顯現(xiàn)。

雖然800 V 系統(tǒng)中SiC MOSFET 的使用能夠顯著地提高系統(tǒng)效率和功率密度，但由于寬禁帶半導(dǎo)體器件具有更快的開關(guān)速度并工作在更高的開關(guān)頻率下，意味著系統(tǒng)中的dv/dt和di/dt更高，進(jìn)一步加劇了高頻電磁干擾。SiC 基逆變器實(shí)際運(yùn)行過程中產(chǎn)生的EMI比傳統(tǒng)的Si基逆變器更為嚴(yán)重。

通過分析電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的共模EMI 和SiC MOSFET 開關(guān)行為之間的關(guān)系發(fā)現(xiàn)：開關(guān)頻率是影響系統(tǒng)共模EMI 的主要因素，開關(guān)頻率越高，高頻干擾越強(qiáng)；開關(guān)時(shí)間對(duì)低頻段的頻譜沒有影響，在高頻段開關(guān)時(shí)間越短，系統(tǒng)EMI 的頻譜幅值也越大；供電母線電壓越高，系統(tǒng)EMI 頻譜高頻諧波的幅值越大，諧波成分越豐富。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者主要從干擾源、干擾傳播路徑和受擾設(shè)備3方面考慮來抑制電磁干擾（圖11）[22-23]。

圖11 EMI抑制策略[22-23]

改變SiC MOSFET 的開關(guān)特性對(duì)于系統(tǒng)高頻EMI的影響顯著。通過優(yōu)化門極驅(qū)動(dòng)電阻的阻值，調(diào)節(jié)開關(guān)速度，可以在保證系統(tǒng)效率的前提下，降低高頻EMI 強(qiáng)度；通過適當(dāng)?shù)卣{(diào)節(jié)開關(guān)頻率，可以在保證系統(tǒng)高功率密度的基礎(chǔ)上，全面減小系統(tǒng)運(yùn)行過程中產(chǎn)生的EMI；通過在電路中加入電阻-電容電路吸收回路，能夠有效抑制高頻開關(guān)振蕩，緩解系統(tǒng)高頻EMI強(qiáng)度[24]。

合理設(shè)計(jì)增加EMI 濾波器配置，也可顯著降低系統(tǒng)EMI 強(qiáng)度。在EMI 濾波器的設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)充分考慮：濾波器插入損耗、磁性元件特性以及共模扼流圈寄生參數(shù)等諸多因素。例如，文獻(xiàn)[25]設(shè)計(jì)了一款面向SiC逆變器應(yīng)用的EMI濾波器，如圖12所示。

圖12 EMI濾波器拓?fù)浼皡?shù)[25]

電機(jī)控制PWM 策略對(duì)EMI 強(qiáng)度也有影響。研究結(jié)果表明，通過隨機(jī)PWM 控制策略，能夠降低EMI 強(qiáng)度，但會(huì)增大系統(tǒng)損耗及電流紋波[24]。

4.7 驅(qū)動(dòng)充電一體化集成及其控制

比亞迪提出了基于復(fù)用功率器件的三相四線制電機(jī)升壓充電系統(tǒng)架構(gòu)實(shí)現(xiàn)升壓充電的方法。在功率電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，將電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和直流升壓充電系統(tǒng)深度融合，復(fù)用逆變器三相橋臂和電機(jī)三相繞組組成典型的Boost 升壓電路，通過三相橋臂斬波控制泵升充電樁電壓后給動(dòng)力電池充電。通過電機(jī)中性點(diǎn)引出線配合繼電器-電感-電容電路實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)和充電工況分時(shí)復(fù)用，見圖13。

圖13 比亞迪大功率電機(jī)升壓充電拓?fù)潆娐穂26-28]

采用驅(qū)動(dòng)充電一體化的高壓拓?fù)浼軜?gòu)，避免了配備獨(dú)立的升壓直流變換器帶來的成本短板，卻也同步帶來了電機(jī)損耗增加和充電過程扭矩輸出安全的問題。需綜合運(yùn)用功率模塊三相橋臂同相和錯(cuò)相協(xié)同控制技術(shù)，解耦控制三相電流和電機(jī)中性線電流。在充電啟動(dòng)時(shí)運(yùn)行于錯(cuò)相位控制模式，抑制電機(jī)中性線紋波電流幅值，降低電磁干擾；在充電過程中運(yùn)行于同相位控制模式，抑制電機(jī)三相紋波電流頻率和幅值，降低電機(jī)定轉(zhuǎn)子的鐵心損耗。同時(shí)，通過基于三相電流精確檢測(cè)的實(shí)時(shí)扭矩估算方法，確保電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)升壓充電過程中零扭矩輸出功能安全。

華為也采用電機(jī)繞組和功率器件復(fù)用思路提出驅(qū)動(dòng)充電一體化集成技術(shù)方案[29]。

4.8 電荷泵式獨(dú)立升壓器

保時(shí)捷Taycan 獨(dú)立配置了電荷泵升壓器，也稱為開關(guān)電容式電壓變換器，是一種利用所謂的“泵送”電容，而非電感來儲(chǔ)能的直流變換器?；驹硎峭ㄟ^電容對(duì)電荷的積累效應(yīng)產(chǎn)生高壓，使電流由低電勢(shì)流向高電勢(shì)。即給電容充電后，將電容從充電電路斷開以隔離充進(jìn)的電荷，然后連接到另一個(gè)電路上，傳遞剛才隔離的電荷。電荷泵升壓功能以往在很多低壓微控制單元（Microcontroller Unit，MCU）芯片上有應(yīng)用。

電荷泵采用電容為開關(guān)和儲(chǔ)能元件，與采用電感作為儲(chǔ)能元件的電感式升壓器相比，電荷泵的主要優(yōu)點(diǎn)如下：高效率，體積小，低靜態(tài)電流，輸出電壓調(diào)節(jié)范圍寬，低電磁干擾，硬件電路簡(jiǎn)單。同時(shí)，電容的集成比電感的集成更為容易和廉價(jià)。

如圖14為2倍升壓比電荷泵升壓器。Uo=2Ui。在800 V 系統(tǒng)實(shí)際充電中，假設(shè)需求的充電電壓為900 V，則只需對(duì)充電樁發(fā)送請(qǐng)求實(shí)際需求電壓的1/2（即Ui=450 V），然后通過電荷泵將充電樁電壓升高即可得到Uo=900 V 的充電電壓。因此實(shí)現(xiàn)兼容市面上的普通快充樁。

圖14 2倍升壓比電荷泵升壓器[30]

5 結(jié)束語(yǔ)

（1）電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)采用800 V高壓平臺(tái)，顯著提升了中高速區(qū)域的綜合輸出性能，并能夠滿足用戶對(duì)于超級(jí)快速充電的需求，但也大幅提高了產(chǎn)品材料成本，預(yù)期800 V電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)將主要搭載中高端車型。

（2）越來越多的品牌都在規(guī)劃800 V 高壓平臺(tái)電驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品，近2年陸續(xù)量產(chǎn)，國(guó)家也在著手布局超級(jí)充電樁，最高輸出電壓可達(dá)1 500 V。伴隨著未來高壓充電基礎(chǔ)設(shè)施的完善，整車端將不再需要配置升壓充電器。

（3）800 V 高壓平臺(tái)技術(shù)架構(gòu)日漸成熟，近2 年電動(dòng)汽車有關(guān)電壓等級(jí)、傳導(dǎo)充電裝置等相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)亟待同步升級(jí)。