课题承担单位：比亚迪汽车工业有限公司

一、研究背景

经过多年国家的支持
，中国新能源汽车
，特别是电动汽车，在近几年发展迅速
，已经成为各大城市的重要组成部分
。公共交通方面，深圳、北京、广州、太原、佛山等大城市都纷纷采用新能源汽车。也由于政策的支持，北京、深圳、上海等城市有了越来越多的用户，选择了电动汽车作为私家车使用。

除了政策的影响
，电动汽车也有其相对于燃油车天然的优势，比如加速性能优，行驶时无发动机噪声
，使用费用低等；同时，电动汽车也有明显的短板，例如纯电动汽车续驶里程短，充电时间长，保价能力差等，而其中里程焦虑尤为明显
。为缩短直流充电时间，行业上的解决方向有两个：一个方向是提高系统电压，另外一个是提升充电电流。

同时，在驱动方面
，高电压也能更容易实现大功率输出。

高电压纯电动汽车应运而生。

当前，国内和国外的纯电动车型基本上都在500V以内
，且直流充电设备也大部分在500V以内
。

而在研发和量产的高电压电动汽车方面：

国外：目前
，保时捷mission E概念车发布，以及奥迪e-tron发布，其宣称的电压平台是800V
，主要目的为实现大功率充电。为了实现大功率充电的需求，同步实现配套设施，宝马集团，戴姆勒集团
，大众集团及福特汽车公司合作在欧洲成立“IONITY”合资公司，在欧洲的高速上建立一个大功率充电网络。

图1  Lonity公司欧洲350kW超级充电设施建设计划

国内：    比亚迪已在2015年实现了高电压车型秦EV，e5等车型的上市

，其电池包电压为额定650V左右
。         与德国
，日本
，美国等国一样
，中国也在考虑通过提升电池电压以实现大功率充电的目的。国内的直流充电设备，直流充电模块基本上已切换成200-750V，也有电压继续提升的考虑
。

二、研究目标

从用户需求
，驱动系统和充电系统的技术和成本等方面对高低电压平台的优劣进行研究
，分析高低电压平台各自的优势，以及未来在纯电动汽车发展中的搭载趋势。

三
、研究内容

1.    高低电压平台的定义

本文中定义的高电压平台指的是最高工作电压超过500V的电压平台

，低电压平台为最高工作电压小于等于500V的电压平台。根据电池最高工作电压和额定电压的关系，本文定义额定电压小于等于438V为低电压平台。

2.    动力系统高低电压平台优劣评估

用户对纯电动汽车购买因素当中，价格是一个非常重要的因素
，那么在纯电动汽车设计中，就应当考虑价格的因素。在选取高电压平台还是低电压平台时
，也会影响整车高压系统的价格，最终影响车辆的造价。

本章节基于两个不同级别的车型
，对不同的电压平台进行动力系统设计，并评估其成本对比。

2.1 A级车型高低电压平台成本对比

2.1.1 评估思路

高低电压评估作为一个定性评估，此次评估基于某A级纯电动车设定了多个假设条件和限定条件：

a) 速比9.3；

b) 0-100km/h加速时间约9s；

c) 控制器的功率模块基于IGBT；

d) 电机基于相同转子直径，散线绕组方案；

e) 电池额定电压评估3个值，分别为： 328V，438V，650V
；

f) 其他整车需求参数及阻力参考某特定A级纯电动车型参数
；

评估思路见图2

。

图2  评估思路示意图

动力性以0-100km/h加速作为唯一指标
，可以通过不同的扭矩和峰值功率实现。

高电压成本优势有：

a) 电压越高，同体积的电机功率越大
，即电压越高，相同性能电机成本越低；

b) 接触器及高压线束，随着电压升高，电流减小，成本降低；

c) 充电口过流能力有国标限制，且充电桩跟随国标，最大电流不超过250A，在现有国标直流充电标准下，电压越高，可实现更高的直流充电功率；

d) 同一车型，当提升电机的驱动功率时

，可以减小对扭矩的需求

。即不同的扭矩/功率组合，可以实现相同的0-100km/h加速时间要求。

低电压成本优势有：

a) 低电压平台现有电机控制器所使用的IGBT市场更加成熟
，成本更低；

b) DCOBC，空调，PTC
，在低电压平台时采用的MOS或IGBT器件
，二极管器件成本更低

；

c) 目前市面上充电桩以低电压为主，高电压平台车型需解决在低电压充电桩充电的问题
，可能会因此增加成本
。此部分在后文中展开。

2.1.2 扭矩/功率需求仿真

基于某车型参数，速比9.3，仿真其满足百公里加速约9s的功率和扭矩需求
。

由于组合可以有多种，由于是定性评估，挑选了4组扭矩/功率组合进行电驱动总成的成本评估，如图3和表1所示
。

图3  同加速性能的不同需求扭矩/功率组合

表1  某车型百公里加速时间9s的扭矩/功率需求组合

2.1.3 核算电动力总成及传动轴成本

扭矩增加，变速器输入和输出轴会增加成本
，传动轴也会需要加强。电机不同扭矩/功率的组合，最优设计方案也会有成本差异。电压对IGBT，电容选型，影响其成本。我们比对以下不同功率/扭矩组合
，及在不同电压下的最优成本
，见表2
。

表2  预选待评估的方案

经评估，不同电压下最优成本的扭矩/功率及其成本差见表3。

对A级车的评估结果显示，高电压平台

，在驱动系统中会有一定的成本优势。

表3  不同电压平台最优电驱动方案及成本差

2.2 A00级车型高低电压平台对比

评估思路同A级车，评估成本优劣时
，A00级EV车型评估也设定了一些限定条件
：

a) 速比10.27；

b) 百公里加速需求约16s
；

c) 控制器的功率模块基于IGBT；

d) 电机基于相同转子直径，散线绕组方案；

e) 电池额定电压评估3个值，分别为： 328V，438V，650V
；

f) 其他整车需求参数及阻力参考某特定A00级EV车型参数。

驱动系统成本评估结果见表4
。

表4  不同电压平台最优电驱动方案及成本差

与A级车不同，由于动力性能要求降低，电机、变速器
、传动轴、以及高压线束在高电压的优势变小
，但是高电压的功率器件成本升高较多，最终在A00级车型上，低电压平台更加有成本上的优势
。

综上所述
，动力性能要求越高，高电压平台在动力系统的成本上越有优势。

3.    充电系统评估

3.1 直流充电功率发展趋势

3.1.1 纯电动车型直流充电能力

国内主流微型车和紧凑车型大部分厂家宣传30%-80%直流充电时间30min左右，充电功率约在60kW-80kW
。车型以低电压为主。如表5所示。

表5  国内主流微型车和紧凑型车直流充电能力宣传

而欧美中高端车型直流充电能力偏强，车型充电功率已达100-120kW，但是保时捷率先宣传了其充电电压为800V，且兼容了低电压平台的充电能力。详见表6。

表6  欧美中高端车型直流充电功率规划

以上车型，除特斯拉使用其专用充电设备外
，其他车型均采用欧标接口
。

3.1.2 充电桩布局

目前国内市场已经布局了大量的直流充电桩，充电桩以500V为主。其中城市充电桩部分用于公交车使用。而针对私家车的高速充电桩，500V所占比例大了93.3%。国网在各城市的直流充电桩大部分为500V，所占为88%。

特别需要注意的是
，国网目前招标的充电桩

，均已切换为750V等级，也就是说
，在未来，高电压平台，主要是750V充电桩，所占比例会越来越高，慢慢会取代500V以下的低电压平台充电桩。在与充电设施企业技术交流得到的信息亦是如此
，目前的直流充电模块，已经可以兼容200V-750V了
，未来将主要开发750V的充电模块，并提前研发950V充电模块，不再开发500V以下的直流充电模块。

3.1.3 未来大功率充电需求和趋势

根据奥迪大功率充电分享的报告显示
， 87%的受访者更青睐于30min内充满80%电量，而44%的受访者更是希望能够缩短至15min以内。而欧洲和中国都在布局大功率350kW的充电接口标准，并且已开始布局充电站。350kW超级充电定义了1000V/350A的充电标准和交互协议。欧洲以lonity公司研发的350kW充电桩为主
，建立起第一个大功率充电网络，计划2020年安装超过400台
。

国内也有北汽

，比亚迪
，宁德新时代在做相关项目的研究。根据规划
，中国350A大功率充电标准预计2020年发布，预测大功率充电设备将在2023~2025年大规模投入使用。北汽新能源官网宣传
：2019年1月11日，北汽新能源首台搭载超级快充的电动车在北京昌平未来科学城大功率充电站通过测试，可在700V高压下，实现最大300A直流充电
，常温下10min即可充满300km里程。

由此可见，目前已经亟需提高电压来实现充电功率的提升
。

中国《节能与新能源汽车技术路线图》规划了充电基础设施的技术路线如图4所示。

《路线图》规划了2020实现每充电15min可行驶里程≥100km，未来到2030年的目标是每充电10min电动汽车可行驶≥100km
。

图4  充电基础设施技术路线图

3.2 直流充电系统发展路线

综上所述，目前直流充电上的矛盾是客户对充电时间的期望和电动汽车不能快速充电的矛盾。

从直流快充层面考虑：由于低电压平台充电桩基础设施比高电压有绝对的数量优势，未来3-5年的纯电动乘用车还是以低电压平台为绝对主流，随着750V充电桩和大功率充电设施的普及，及客户对快速充电的需求
，高电压平台电动汽车将首先出现在高端车型中。

设计方面，由于充电设施仍然以低电压为主，未来的5年以内，采用高电压平台的车型
，都需要兼容低电压充电。这个时候就需要一个升压/降压模块实现充电桩和动力电池的匹配。比亚迪e5是首次尝试升压DC充电的量产纯电动车型

。理所当然的，升压模块成本较高，而且多一个失效模式，在中低端车型目前还不是一个最优的方案。

电压平台发展的技术路线图如图5所示。

2020年
，纯电动乘用车仍然以低电压平台占绝对比例，只有个别的车型采用高电压平台。

图5  电压平台发展技术路线图

随着750V直流充电设施的慢慢普及
，和第三代半导体技术的发展，SiC功率器件的成本下降

。高电压平台的应用阻碍变小

，越来越多的车企会采用高电压平台来满足客户对大功率充电和动力性能的追求。预计2025年，大部分车企的高端车型，采用高电压平台
，最高充电电压不超过750V。

到2030年，宽禁带半导体应用愈发成熟
，老一代的低电压直流充电设施迭代成高电压平台充电设施
，高电压平台成为主流
。充电能实现充电5min，行驶200km的目标。

四、研究成果

通过对比分析高电压和低电压平台
，在不同级别的纯电动汽车上搭载的成本的优劣，得出了结论：低端车型适合低电压
，高端车型适合高电压
。高电压平台是趋势，是客户对驱动性能和充电性能更高要求的优秀技术方案
，高电压在短期内较适合高端车型
。

总结了用户对高驱动性能和充电性能的追求，确认了直流充电功率提升的必要性和必然性

，从而提出高电压的发展需求。收集了国内和国外充电设施的发展规划和路线，收集了行业在高电压平台上面的研发和探索。

提出了发展高电压平台可能遇到的问题
。为行业发展高电压平台提供参考。比如发展高电压平台时，为兼容市面上的低电压平台直流充电设备，需在车辆中设置升压模块

；提出了SiC的发展需解决杂散电感问题，可靠性问题等技术难点。

分别设计了高电压平台和低电压平台的高压配电方案，其中高电压平台方案通过市场验证，已确认可行
，可参考进行设计，从而减少了车企评估和验证高电压方案的周期
。

高电压平台将来必然会应用到纯电动汽车中
，行业应对其充满信心，并且投入资源进行研究和探索
。