1000V高压平台，真的有必要吗？

前言

从最初的400V架构的普及，到目前800V架构的发展，又到Nio, Lucid等OEM的900V整车平台的上市，新能源电动汽车的电压等级似乎在不断地上升。

更高的电压带来了更高的功率，为终端用户带来了更快的充电速度；同时，电缆截面尺寸的减少降低了整车重量，为终端用户带来了更好的加速性能和更长的续航里程。似乎更高的电压等级带来了让人无法拒绝的收益，但是，事实真的如此吗？

01#更高电压等级对充电速率的影响

更高的电压等级可以带来更快的充电速度，主要依据的基本原理如下：

其中：

▶ t是时间，单位是秒；

▶ E是能量，单位是焦耳；

▶ V是电压，单位是伏特；

▶ I是电流，单位是安培。

通过上面公式可以知道，当电池包总能量E一定的时候，通过增加电压V或者提升电流I，可以缩短充电时间。但由于法规要求，高压电池的充电时间只能通过增加电压来缩短（例如GT/T20234对直流充电口的规定）。经统计，与平均充电过程相比，800V电压平台总的充电时间可以缩短到近50%。这对于终端用户群体，在长途旅行这一应用场景中，可以显著降低停车充电时间，改善用户体验。理想情况下，甚至可以与传统的燃油车所用时间相当。

但是，通过提升电压等级来改善充电速率并不是无限制的，因为充电速度还受限于电池单元的物理特性。简单说明下，电池的充电过程是一种化学反应，离子在电极中的扩散速度决定了充电速率的上限（注：这里仅仅从单一维度举例说明电池物理特性对充电速率的影响，不可作为结论应用）。

图片来源：Wolfgang Kriegler, FH JOANNEUM Gesellschaft mbH

所以，无论电池的电压水平如何提升，一旦达到这一限制，进一步提高电压对充电速率贡献将变得很少。

综上，电压平台向更高等级发展，不仅受限于充电基础设施，还受限于电池单元本身物理特性。

02#更高的电压等级对整车重量和结构布置的影响

对1中提到的公式变形，即：

可以发现，当时间t一定时，对于提供相同的能量E，更高的电压等级可以降低对电流强度的需求，这意味着可以使用截面更小的导体，从而减少功率损失。例如，在400V的标准电压下，如果选用50mm2的线束，200kW的充电能力会产生85W/m的损耗；而在800V下，只需要12.5mm2的线束截面即可达到相同的性能；在1000V下，截面积只需要8mm2。

这不仅可以显著降低车辆的重量，提升车辆的动力性能、续航里程，而且由于线束柔性更好，可以更灵活、容易地布置、安装在车辆系统中。值得一提的是，从400V系统提升到1000V系统，对线束的绝缘要求并未发生变化，对于已经在400V系统中应用的双绝缘高压布线结构，在更高电压平台下也是适用的。

图片来源：Gerald Gartler

除了对充放电线路方面的贡献外，在相同的性能要求下，更小的线束截面也可以使电机中的绕组可以设计得更为紧凑，从而可减小电机的尺寸或提升电机本体功率密度。这对于整车的动力性和续航里程又是一加分项。

备注：根据统计数据，在400V平台中，平均150kW铜电缆的重量为1.27kg/m；在800V平台中，重量几乎可以减半至0.673kg/m。

03#更高的电压等级对成本的影响

虽然，从线束视角来看，更高的电压等级减少了铜的使用，但是高电压同样会导致其他组件上成本的上升。

目前，400V平台仍然是行业中的主导电压水平，这意味着在产业链上，针对400 V平台的供应商数量和零部件产量超过800V平台，因此价格也会更便宜。此外，现有的充电基础设施主要以400V为标准设计，800V充电站相对少见。因此，在800V充电基础设施普及之前，在高压电池驱动的车辆中必须安装两套系统，例如，额外的DC/DC转换器将充电站的400V转换为车辆用800V。同时，高的电压等级对某些设备也提出了更高的要求，例如，动力系统中的逆变器必须能够承载更高的电压。

04#更高的电压等级对放电时间的影响

更高的电压等级，意味着电动汽车高压网络中的储能装置会存储更多的能量（能量与电压的平方成正比）。例如，在400 V系统中，120J的能量剩余，在800 V系统中，将会有480J的能量剩余，在1000 V系统中，甚至会有750J的能量剩余。

但是，在现有的法规/行标/企标中，一般会针对高压系统的快速放电提出要求，例如"所有高压部件必须在5秒内无任何电势(高于60 V)"，这对于传统的400V平台是可以通过单一放电单元实现的 (例如，电驱动系统)。而对于更高等级的电压水平，意味着剩余电势更高，需要更多的放电单元才能在5 秒内将所有组件完全放电。当前的趋势表明转向自放电组件，这是解决该问题的技术上可行的方案，尽管成本相当昂贵。此外，由于更高的电压等级，意味着需要串联的电池单元数量增多，则需要更复杂的电池管理系统（BMS），同样带来成本的上升。

05#更高的电压等级面临的技术挑战

电驱动系统重的逆变器是控制电机的大脑，更高电压等级的应用对其提出了更高的技术要求。

当电压峰值出现时，逆变器内的电子电路（通常为IGBTs）可能达到能力极限，此时需要切换到不同的材料，如碳化硅（SiC），以确保所需的高开关功率。开关损耗与电压、电流、开关持续时间和开关频率成线性关系。在恒定功率下，通过使用快速切换的SiC-IGBTs，可以降低高电压和低电流下的功率损耗。但是，需要OEM认真考虑和平衡的问题是：通过更高的成本换取更高的效率是否值得？此外，在更高电压水平下，逆变器中的电磁干扰（EMI）也会更加频繁 (EMI可能导致电动汽车的电子组件发生故障，也可能损坏驱动系统绕组的绝缘，从而缩短动力总成的使用寿命) 。通过安装改进的滤波器单元，可以防止它们沿着线束进行传播。同时，屏蔽式高压板载电源也可保护周围组件免受 EMI 影响。

06#结论

综上，将电压水平提高到400V以上，在提高电动汽车的效率、性能和快速充电等方面，高压电池无疑带来了巨大的改进，但同样，并不能解决电动汽车所面临的所有挑战，例如高压平台下针对新问题解决方案带来的成本显著增加。所以，是否有必要将电压平台切换到800V或更高，不能一意孤行，必须根据每个车辆项目的具体情况进行权衡、评估。