保時(shí)捷、現(xiàn)代和通用今天都在以截然不同的方式實(shí)現(xiàn) 400 — 800V 的轉(zhuǎn)換。進(jìn)一步了解電源模塊堆疊至這些分立式設(shè)計(jì)的方式。

作者：Seishi Tsukimoto，高級(jí)應(yīng)用工程師

目前，純電動(dòng)汽車 (BEV) 和插電式混合動(dòng)力汽車 (PHEV) 的運(yùn)行電池電壓為 800V，超過了常規(guī) 400V 系列。采用 800V 電池是為了提高性能，減少快速充電的時(shí)間，應(yīng)對(duì)不斷增加的功耗并延長續(xù)航里程。

電動(dòng)汽車采用 800V 電池面臨重大挑戰(zhàn)，即大部分快速充電的公共基礎(chǔ)設(shè)施還不兼容 800V 電池。因此，已采取措施為 800V 車輛配備內(nèi)置電源適配器，使 800V 汽車能夠在常規(guī) 400V 充電樁上充電。雙向電源模塊是 800V 電動(dòng)汽車支持 400V 基礎(chǔ)設(shè)施的一種方式，也是 400V 和 800V 之間獨(dú)特的電壓轉(zhuǎn)換方式。現(xiàn)在，OEM 廠商正以具有各種效率的不同方式解決這個(gè)問題。

保時(shí)捷 Taycan 是首款量產(chǎn)的 800V 電動(dòng)汽車，是 2019 年發(fā)布的一款純電動(dòng)汽車。這是一個(gè)使用 400V 充電基礎(chǔ)設(shè)施充電的 800V 汽車的典型示例。將充電器的 400V 輸入轉(zhuǎn)換為適合車輛 800V 電池的升壓轉(zhuǎn)換器安裝在車上，用作 DC 車載充電器。這款升壓轉(zhuǎn)換器有一個(gè)繞過轉(zhuǎn)換器輸入輸出的電路。使用 800V 充電器充電時(shí)，將繞過升壓轉(zhuǎn)換器，直接為 800V 電池充電。

圖 1：保時(shí)捷 Taycan DC 車載充電器連接

據(jù)制造商介紹，通過 800V 充電器充電時(shí)，使用 270kW 的快充將電池電量充至 80%，用時(shí)約 20 分鐘。另一方面，在使用 400V 充電器時(shí)，最大容量為 150kW，充至相同的電量大約需要 35 分鐘。

現(xiàn)代 IONIQ 5 也使用了 800V 主電池（2021 年上市）。IONIQ 5 同樣也有一個(gè)升壓功能，可使用常規(guī) 400V 充電器為車輛的 800V 電池充電。但與保時(shí)捷 Taycan 不同，它沒有 DC 車載充電器，主要使用驅(qū)動(dòng)電機(jī)和逆變器實(shí)現(xiàn)升壓功能（圖 2）。

圖 2：現(xiàn)代 IONIQ 5 升壓功能配置

A 和 B 分別是驅(qū)動(dòng)電機(jī)和逆變器，快速充電器通過開關(guān) S1 連接至電池高壓端，通過開關(guān) S2 連接至電機(jī)中性點(diǎn)。車輛運(yùn)行時(shí)，會(huì)打開 S1 和 S2，A 和 B 將作為正常的電機(jī)和逆變器運(yùn)行。使用 400V 充電器充電時(shí)，會(huì)關(guān)閉 S2，從而會(huì)按升壓轉(zhuǎn)換器電抗器運(yùn)行電機(jī) A，并按升壓轉(zhuǎn)換器開關(guān)運(yùn)行逆變器 B，以便為車輛的 800V 電池充電。如果充電器支持 800V，關(guān)閉 S1 并打開 S2，將繞過 A 和 B，直接為 800V 車載電池充電。使用這種方法，無需安裝專用升壓轉(zhuǎn)換器，即可使用 400V 充電器為 800V 車輛充電。

通用悍馬電動(dòng)汽車是 2021 年開始生產(chǎn)的純電動(dòng)汽車。與之前的 800V 純電動(dòng)汽車不同，高壓主電池為 400V。該車雖然采用 400V 系統(tǒng)，但兼容 800V 充電器，提高了快速充電性能。

圖 3：通用悍馬電動(dòng)車電池配置

它具有獨(dú)特的配置（圖 3），支持 400V 及 800V 快速充電器。車上安裝的 400V 電池分為兩個(gè) 400V 電池組。兩個(gè) 400V 電池組可通過開關(guān) S1、S2 和 S3 的連接進(jìn)行并聯(lián)或串聯(lián)。在正常情況下，包括車輛行駛時(shí)，只關(guān)閉開關(guān) S1 和 S2，且并聯(lián)這兩個(gè)電池組，可將其用作 400V 電池。使用 400V 充電器充電時(shí)也是如此。支持 800V 充電器時(shí)，打開 S1 和 S2 開關(guān)，只關(guān)閉 S3 開關(guān)，將串聯(lián)這兩個(gè)電池組，將其用作 800V 電池。

據(jù)制造商介紹，支持 800V 充電器，不僅可實(shí)現(xiàn) 350kW 的快速充電，而且只需充電 10 分鐘，車輛即可行駛 160 公里。

Vicor 的電池虛擬化解決方案

電源模塊制造商 Vicor 使用該公司的高密度電源模塊提出了一種獨(dú)特的“電池虛擬化解決方案”。這是一種使用 400V 充電器為 800V 電池充電的升壓轉(zhuǎn)換器技術(shù)，主要使用該公司支持固定電壓轉(zhuǎn)換比的專有雙向 DC-DC 轉(zhuǎn)換器。

雙向固定比率 DC-DC 轉(zhuǎn)換器是一種沒有調(diào)節(jié)（穩(wěn)壓）功能的轉(zhuǎn)換器，其中 DC-DC 轉(zhuǎn)換器的輸入輸出電壓比是固定的，電壓可用下列方程式表示：

輸出電壓 = 輸入電壓 x 變壓比 K

它是雙向的，因此可進(jìn)行反向轉(zhuǎn)換（反向運(yùn)行時(shí)，輸出電壓 = 輸入電壓 / K），而且內(nèi)部串聯(lián)阻抗小，所以可用作可轉(zhuǎn)換直流的變壓器。

圖 4：37.5kW、400V/800V 固定比率雙向轉(zhuǎn)換器

電池虛擬化解決方案在 800V 電池前部置一個(gè)變壓比為 2 的固定電壓轉(zhuǎn)換比雙向轉(zhuǎn)換器，使 800V 車輛的電池電壓看起來是 400V 電壓的一半（圖 5）。隨著充電的進(jìn)行，800V 電池的電壓會(huì)上升，而且從充電器端看到的電壓也會(huì)按比例上升（1/2）。

圖 5：Vicor 電池虛擬化

該模塊（圖 4）輸出功率為 37.5kW，峰值效率為 99%，尺寸為 92 x 80 x 7.4 毫米。通過并聯(lián)，可在狹小的空間內(nèi)支持大功率、快速充電。

使用雙向電源模塊的優(yōu)勢(shì)是，當(dāng)電池不充電時(shí)，800V 電池可為 400V 負(fù)載供電。

參考資料

保時(shí)捷網(wǎng)站

https://media.porsche.com/mediakit/taycan/ja/porsche-taycan/das-laden

JOACHIMWAGNER 博士：“電動(dòng)汽車快速靈活充電的諧振解決方案”，2018 年 05 月 19 日

https://www.sae.org/news/2021/05/resonant-solution-for-fast-flexible-ev-charging

美國專利：US-20190023136-A1

https://image-ppubs.uspto.gov/dirsearch-public/print/downloadPdf/20190023136

美國專利：US-11358492

https://image-ppubs.uspto.gov/dirsearch-public/print/downloadPdf/11358492

Vicor 網(wǎng)站

https://www.vicorpower.com/industries-and-innovations/automotive/automotive-products

Vicor 網(wǎng)站

https://www.vicorpower.com/ja-jp/industries-and-innovations/automotive/dc-fast-charging

本文最初發(fā)表于 IEEJ“電動(dòng)交通和能源系統(tǒng)集成技術(shù)委員會(huì)”的報(bào)告中。

Tsukimoto 擁有 20 多年的工業(yè)設(shè)備、汽車與衛(wèi)星等領(lǐng)域 DC-DC 轉(zhuǎn)換研發(fā)/設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，同時(shí)有 10 多年的電機(jī)逆變器研發(fā)經(jīng)驗(yàn)。自 2018 年以來，身為 Vicor 高級(jí)應(yīng)用工程師的他，主要負(fù)責(zé)汽車技術(shù)支持。

Seishi Tsukimoto

Seishi Tsukimoto，高級(jí)應(yīng)用工程師