在電動(dòng)汽車技術(shù)飛速發(fā)展的當(dāng)下，電動(dòng)四驅(qū)車型成為眾多車企競(jìng)相角逐的賽道。為突破技術(shù)瓶頸，提升車輛性能，800V高壓系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。本文將深入剖析800V高壓系統(tǒng)在電動(dòng)四驅(qū)車型中的應(yīng)用，涵蓋斷開(kāi)機(jī)構(gòu)、電機(jī)類型、系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)與挑戰(zhàn)、設(shè)計(jì)流程以及元器件選型等關(guān)鍵內(nèi)容，帶你一窺其技術(shù)奧秘。

一、電動(dòng)四驅(qū)車型電驅(qū)斷開(kāi)機(jī)構(gòu)與電機(jī)類型

在電動(dòng)四驅(qū)車型的技術(shù)發(fā)展進(jìn)程中，為了有效解決其存在的損耗以及高速反電動(dòng)勢(shì)問(wèn)題，諸多車企積極探索并在電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中增加斷開(kāi)機(jī)構(gòu)，以此降低機(jī)械損失。例如，上汽最早的電驅(qū)系統(tǒng)在中間軸設(shè)置了斷開(kāi)裝置；長(zhǎng)城最新的哈佛Z車型在后橋差速器處增設(shè)了類似的斷開(kāi)裝置，這使得混動(dòng)車型在特定模式下可近似視為純電動(dòng)四驅(qū)車型。目前，電機(jī)輸入軸脫開(kāi)這種方式應(yīng)用較少，中間軸脫開(kāi)、差速器脫開(kāi)以及半軸脫開(kāi)的應(yīng)用相對(duì)更為廣泛，但這些斷開(kāi)裝置在混動(dòng)車型上的量產(chǎn)案例仍不算多。

能夠直接切斷動(dòng)力源的裝置雖可實(shí)現(xiàn)扭矩最小化，卻在結(jié)合時(shí)對(duì)電機(jī)調(diào)速和調(diào)整的時(shí)間要求極為嚴(yán)苛。以斷開(kāi)裝置的不同方案為例，內(nèi)嵌式單向離合器方案無(wú)論是機(jī)械式還是電控式，在輪轂轉(zhuǎn)速與電機(jī)轉(zhuǎn)速之間均會(huì)存在一定速差，假設(shè)速差約為50轉(zhuǎn)。在控制電機(jī)零扭矩輸出切換時(shí)，需對(duì)轉(zhuǎn)速和扭矩進(jìn)行精準(zhǔn)控制，然而在接觸瞬間仍會(huì)出現(xiàn)扭矩尖峰，可通過(guò)扭振監(jiān)測(cè)和震動(dòng)傳感器檢測(cè)到這一現(xiàn)象，同時(shí)還會(huì)伴隨較大的噪音沖擊，不過(guò)該方案的控制精度相對(duì)較高。

而中間斷開(kāi)方案由于涉及速比變化以及不同軸間的轉(zhuǎn)速波動(dòng)，對(duì)電機(jī)調(diào)速精度的要求更高，電機(jī)與軸之間的速差控制難度更大。通常情況下，如果將第一種方案的速差控制假設(shè)為50轉(zhuǎn)，第二、三、四種方案的速差控制大致在30轉(zhuǎn)左右。在實(shí)際的電機(jī)扭矩控制過(guò)程中，目標(biāo)值雖設(shè)定為0牛米，但實(shí)際檢測(cè)時(shí)仍會(huì)產(chǎn)生約零點(diǎn)幾牛米的值，這一微小的扭矩值會(huì)對(duì)斷開(kāi)裝置造成一定沖擊，并引發(fā)能量釋放，因此對(duì)裝置零件的性能和控制邏輯提出了較高要求。

電機(jī)類型方面，勵(lì)磁電機(jī)在海外市場(chǎng)和部分車企中有所應(yīng)用，如寶馬、日產(chǎn)、雷諾等，在一定程度上對(duì)永磁電機(jī)形成替代。勵(lì)磁電機(jī)的主要優(yōu)勢(shì)在于高速工況下效率高于永磁電機(jī)，且不存在永磁體退磁風(fēng)險(xiǎn)。隨著AWD/4WD(四輪驅(qū)動(dòng))車型銷量的增長(zhǎng)，感應(yīng)電機(jī)將迎來(lái)進(jìn)一步發(fā)展；同時(shí)，為滿足消費(fèi)者對(duì)車輛拖曳能力的需求，eBeam形式的新技術(shù)也會(huì)不斷發(fā)展。在國(guó)內(nèi)，雖然目前研發(fā)感應(yīng)電機(jī)的車企較少，但四驅(qū)車型市場(chǎng)的不斷擴(kuò)大將推動(dòng)這些電機(jī)技術(shù)的發(fā)展。

二、800V電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)及布置特點(diǎn)

相較于400V電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，800V電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)具有顯著優(yōu)勢(shì)，可類比為傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)中自吸發(fā)動(dòng)機(jī)與增壓發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)系。800V電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的小型化，提升功率密度，降低控制器損耗，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)乘員艙空間的最大化。

電機(jī)布置方面，電機(jī)通常位于車輛的兩個(gè)縱梁之間，呈長(zhǎng)圓柱體結(jié)構(gòu)。由于半軸帶有萬(wàn)向節(jié)，若萬(wàn)向節(jié)角度過(guò)大，在轉(zhuǎn)向時(shí)球籠易出現(xiàn)突出風(fēng)險(xiǎn)，且會(huì)與轉(zhuǎn)向軌跡外圈產(chǎn)生硬點(diǎn)干涉，存在安全隱患。為實(shí)現(xiàn)小型化，通常采取縮短電機(jī)軸向長(zhǎng)度的措施，例如對(duì)端部繞組進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，采用波繞組或插片式結(jié)構(gòu)，插片式結(jié)構(gòu)焊接后軸向高度大幅降低，有效節(jié)約了縱梁間的間隙。

同時(shí)，電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)軸向長(zhǎng)度縮短后，萬(wàn)向節(jié)角度減小，降低了相關(guān)故障風(fēng)險(xiǎn)，提升了系統(tǒng)響應(yīng)性。此外，電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)小型化還為輪距和軸距的擴(kuò)大創(chuàng)造了條件，進(jìn)一步釋放了乘員艙空間，提升了后排乘客的乘坐舒適性。在控制器布局上，前橋因有前機(jī)艙蓋提供空間，控制器可布置在電驅(qū)系統(tǒng)上方；而后橋考慮到后備箱空間，控制器多布置在電機(jī)側(cè)后方，且不會(huì)增加后排乘客的頭部空間高度，同時(shí)下壓的車型外形設(shè)計(jì)還能提升車輛的運(yùn)動(dòng)操控穩(wěn)定性和后輪抓地力。

三、800V電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)技術(shù)挑戰(zhàn)及應(yīng)對(duì)方向

不過(guò)，將電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的標(biāo)稱供電電壓從400V提升至800V，也面臨一系列技術(shù)挑戰(zhàn)。一方面，800V高壓電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)工作時(shí)過(guò)電壓峰值較高，常規(guī)的電子元器件、機(jī)械零部件、基礎(chǔ)絕緣材料及其結(jié)構(gòu)工藝難以適應(yīng)顯著提高的電應(yīng)力危害；另一方面，該系統(tǒng)在輸出動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性和電磁兼容性方面難以平衡兼顧，需要通過(guò)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)同優(yōu)化。

因此，針對(duì)800V高壓系統(tǒng)汽車電驅(qū)動(dòng)場(chǎng)景，需聚焦高可靠、高性能、高適應(yīng)、高安全的技術(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(kāi)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(kāi)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)。

當(dāng)電壓從400V提升至800V時(shí)，電機(jī)需更新繞組設(shè)計(jì)，匝數(shù)翻倍。在輸出相同功率的情況下，電流可減半。根據(jù)公式(其中(rho)為導(dǎo)電率，(L)為線圈長(zhǎng)度，(S)為線徑截面積)，線圈長(zhǎng)度與匝數(shù)成正比，線徑截面積與匝數(shù)成反比，因此定子電阻會(huì)增加四倍。在不考慮絕緣層加厚的情況下，定子銅損耗保持不變。提升到800V高壓架構(gòu)后，電機(jī)效率基本維持不變，但高效率占比區(qū)域會(huì)擴(kuò)大，這意味著電機(jī)在更多工況下能夠保持高效運(yùn)行狀態(tài)。

控制器層面，基于同一IGBT/SiC模塊，當(dāng)電壓從較低值提升時(shí)，會(huì)輸出相同功率，電流減小，電壓增加，控制器總損耗降低，系統(tǒng)效率提升。然而，當(dāng)電壓從400V提升至800V時(shí)，由于模塊本身特性(IGBT的導(dǎo)通壓降、SiC的導(dǎo)通電阻)的變化，控制器損耗降低幅度并不明顯，甚至可能有所增加。因此，單純應(yīng)用800V高壓架構(gòu)(不考慮SiC)，在動(dòng)力總成效率方面可能并不具備明顯優(yōu)勢(shì)，在實(shí)際應(yīng)用中需要綜合考慮成本、開(kāi)發(fā)周期以及技術(shù)方案成熟度等因素。

SiC功率器件相較于傳統(tǒng)硅基器件具有諸多優(yōu)勢(shì)，其禁帶寬度是硅的3倍，電場(chǎng)強(qiáng)度是硅的15倍，電子飽和率是硅的2倍，導(dǎo)熱系數(shù)是硅的3.5倍。這些特性使得SiC功率器件在高溫下能夠穩(wěn)定工作，導(dǎo)通電阻低，開(kāi)關(guān)速度快，散熱性能好，為提升電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的性能提供了有力支持。但在實(shí)際系統(tǒng)開(kāi)發(fā)中，單一數(shù)據(jù)的大幅提升在整個(gè)系統(tǒng)中的作用占比可能相對(duì)有限，如何充分發(fā)揮各組件的協(xié)同優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)整體性能的優(yōu)化，仍是當(dāng)前面臨的挑戰(zhàn)。

四、800V電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)步驟

800V電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是一個(gè)復(fù)雜且嚴(yán)謹(jǐn)?shù)倪^(guò)程，涵蓋多個(gè)關(guān)鍵步驟。

功能需求提取與電器架構(gòu)設(shè)計(jì)

首先進(jìn)行功能需求提取，明確系統(tǒng)的各項(xiàng)性能指標(biāo)和功能要求。在電器架構(gòu)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，進(jìn)行器件選型和模塊拓?fù)湓O(shè)計(jì)，同時(shí)對(duì)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，包括功率器件PCB板的材料選型、內(nèi)部分層設(shè)計(jì)等。由于PCB板上不同區(qū)域的熱量分布存在差異，熱仿真在初期設(shè)計(jì)中占據(jù)重要地位。通過(guò)熱仿真模擬，能夠優(yōu)化散熱設(shè)計(jì)，確保系統(tǒng)在不同工況下的穩(wěn)定性，同時(shí)也有助于提升電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的整體效率。部分車企為追求更高效的集成化設(shè)計(jì)，嘗試將MCU中的水道與電池冷卻系統(tǒng)融合為油道，但這種設(shè)計(jì)在提高集成度的同時(shí)，也帶來(lái)了材料使用量增加和零部件數(shù)量增多的問(wèn)題，因此需要在設(shè)計(jì)過(guò)程中進(jìn)行綜合權(quán)衡。

溫度應(yīng)力與可靠性分析

完成基礎(chǔ)架構(gòu)和熱仿真設(shè)計(jì)后，進(jìn)行溫度應(yīng)力和可靠性分析。運(yùn)用物理公式和應(yīng)力公式計(jì)算相關(guān)參數(shù)，評(píng)估結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性，查找潛在問(wèn)題并進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)。同時(shí)，通過(guò)反推熱管理系統(tǒng)的模擬仿真值，確保其可控性，并為實(shí)物測(cè)試提供針對(duì)性的測(cè)試方案和數(shù)據(jù)支持，積累設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，為后續(xù)設(shè)計(jì)優(yōu)化提供依據(jù)。

電器性能設(shè)計(jì)與測(cè)試

接著進(jìn)行電器性能設(shè)計(jì)，包括電路回路接口設(shè)計(jì)、IO接插件架構(gòu)設(shè)計(jì)以及電氣信號(hào)模擬等。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，使用專業(yè)軟件進(jìn)行綜合對(duì)比，分析不同信號(hào)之間的相互影響，確保系統(tǒng)的電氣性能滿足設(shè)計(jì)要求。隨后進(jìn)行轉(zhuǎn)換絕緣選擇、殼體外殼和加壓件設(shè)計(jì)等工作，并開(kāi)展模塊統(tǒng)計(jì)測(cè)試、溫度可靠性測(cè)試以及絕緣效率測(cè)試等一系列嚴(yán)格的測(cè)試流程。整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程各環(huán)節(jié)緊密相連，相互影響，關(guān)鍵在于熱模擬、機(jī)械仿真和電路設(shè)計(jì)的有效結(jié)合，以及后期全面且嚴(yán)格的測(cè)試驗(yàn)證。對(duì)于面向多車型的平臺(tái)化、模塊化開(kāi)發(fā)(如T28供應(yīng)商)，在測(cè)試過(guò)程中需要模擬多種極端工況，如高電壓、高電流、高頻率干擾以及故障注入等，通過(guò)對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)的分析，針對(duì)不同車型進(jìn)行閾值調(diào)控，確保系統(tǒng)在各種復(fù)雜工況下的可靠性和穩(wěn)定性。

五、高耐壓功率電子元器件選型原則

高耐壓功率電子元器件選型方面，需要遵循嚴(yán)格的理論計(jì)算和選型原則。

功率器件電壓規(guī)格選型

蓄電池或燃料電池供電的逆變器直流母線電壓與電池電壓相同。在功率半導(dǎo)體器件的開(kāi)關(guān)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生過(guò)電壓，因此在選擇功率半導(dǎo)體器件時(shí)，需根據(jù)直流母線電壓和安全裕度系數(shù)估算器件的電壓等級(jí)，計(jì)算公式為(V_CE = (U_dcmax×K_1 + ΔU)×K_2)。其中，(U_dcmax)為輸入最高直流電壓，(K_1)為電壓裕度系數(shù)，(ΔU)為關(guān)斷IGBT產(chǎn)生的過(guò)電壓，(K_2)為安全系數(shù)。通常(K_2)取值在1.3 - 1.5之間，若(K_2)取值較小，可通過(guò)軟件標(biāo)定值修改來(lái)調(diào)整相關(guān)斜率，但這并非設(shè)計(jì)首選方案。

功率器件電流規(guī)格選型

假設(shè)電機(jī)控制器的峰值輸出電流有效值為，則峰值電流幅值(I_peak = I_prms×1.414)。功率器件的電流(I_C(70°C))應(yīng)大于(I_peak)乘以安全裕量。若各橋臂為非并聯(lián)方案，安全裕量選擇1.25倍；若為并聯(lián)方案，則選擇1.5倍。選型方案可根據(jù)具體設(shè)計(jì)進(jìn)行調(diào)整，且在設(shè)計(jì)無(wú)明顯風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)的前提下，可通過(guò)軟件優(yōu)化來(lái)彌補(bǔ)選型偏差。

電流傳感器規(guī)格選型

1、直流母線電流傳感器選型

由電機(jī)控制器的峰值輸出功率和母線電壓最小值決定，計(jì)算公式為(I_dcmax = fracP_maxU_dcmin)，直流母線電流傳感器的電流測(cè)量峰值應(yīng)大于(I_dcmax) 。

2、相電流傳感器選型

主要由電機(jī)控制器輸出的峰值電流決定，相電流傳感器的電流測(cè)量峰值應(yīng)大于(I_smax×1.414)，且相電流傳感器數(shù)量應(yīng)不少于2個(gè)。

薄膜電容規(guī)格選型

1、電容器電壓選型

薄膜電容器可承受超過(guò)額定電壓1.2倍的脈沖電壓，理論上可選擇額定電壓低于母線上尖峰電壓的薄膜電容。根據(jù)不同的電池組額定電壓，有對(duì)應(yīng)的薄膜電容額定電壓推薦選擇值，如電池組額定電壓為280V時(shí)，薄膜電容額定電壓可選450V；300V - 350V時(shí)，可選450V或500V等，以此確保電容器在特定工況下穩(wěn)定運(yùn)行。

2、電容器容量選型

假設(shè)電機(jī)控制器輸出最大功率為，電路采用典型的三相全橋拓?fù)湓O(shè)計(jì)。在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)，母線提供的能量約為(W = fracP_max2f)((f)為IGBT的開(kāi)關(guān)頻率)，電容器在一個(gè)開(kāi)關(guān)頻率內(nèi)釋放的能量為(Q = frac12C(U + Δu)^2 - frac12C(U -Δu)^2 = 2C UΔu)((U)為直流母線電壓，(Δu)為母線紋波電壓)。在極端情況下，(Q = W)，由此可得(C = fracP_max4f UΔu)。通常直流母線電壓脈動(dòng)率為5%，即紋波電壓值(Δu = U×2.5%)，則極端情況下電容需求(C_max = fracP_max4f U×U×2.5%)。實(shí)際應(yīng)用中，IGBT開(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)母線電容提供(fracW2)的能量，即(Q = fracW2)，結(jié)合上述公式可得(C_min = fracC_max2)。在實(shí)際選型時(shí)，電容器的容值通常選擇在最大值和最小值之間。

紋波電流計(jì)算

流經(jīng)直流母線電容器的交流電流由三相逆變器輸出的三相正弦基波電流與高頻諧波電流疊加而成，二者均會(huì)在直流母線側(cè)產(chǎn)生紋波電流。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，紋波電流應(yīng)小于等于0.6倍持續(xù)相電流的有效值，實(shí)際應(yīng)用中需根據(jù)具體情況進(jìn)行測(cè)試驗(yàn)證。

被動(dòng)放電電阻選型

依據(jù)國(guó)標(biāo)要求，電機(jī)控制器必須配備被動(dòng)放電電阻。在工作停止后，母線電壓需通過(guò)吸收電阻在3分鐘內(nèi)泄放到36V安全電壓。根據(jù)公式可推算所需電阻值(R = fracT3C)((T)為放電時(shí)間，(C)為薄膜電容的容量)。在正常工作時(shí)，被動(dòng)放電電阻會(huì)消耗能量，其功率為(P = fracU^2R)((U)為母線電壓)。因此，被動(dòng)放電電阻的選型需滿足以下條件:電阻值按照(R = fracT3C)選擇；電阻的功率應(yīng)不小于(P = fracU^2R)；電阻的額定電壓應(yīng)不小于電池的最高電壓。

正負(fù)極疊層母排選型

疊層匯流母排用于實(shí)現(xiàn)電力電子產(chǎn)品中功率電路和器件的電氣連接，通過(guò)正負(fù)極層疊平行分布的結(jié)構(gòu)形式，能夠降低線路分布電感，減小功率器件兩端的反向峰值電壓，降低功率器件對(duì)電壓保護(hù)吸收電路的要求。其選型要求為:額定電壓應(yīng)不小于電機(jī)控制器額定輸入電壓；電壓工作范圍應(yīng)大于電機(jī)控制器電壓工作范圍。

800V高壓系統(tǒng)開(kāi)發(fā)涉及多方面的技術(shù)創(chuàng)新和嚴(yán)格的設(shè)計(jì)選型標(biāo)準(zhǔn)，各環(huán)節(jié)緊密關(guān)聯(lián)，需要研發(fā)人員綜合考慮系統(tǒng)性能、可靠性、成本等因素，以推動(dòng)電動(dòng)汽車技術(shù)的不斷進(jìn)步。

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