电源模块为电动汽车提供 400V 与 800V 系统的高效转换

保时捷、现代和通用今天都在以截然不同的方式实现 400 — 800V 的转换。进一步了解电源模块堆叠至这些分立式设计的方式。

作者：Seishi Tsukimoto，高级应用工程师

目前，纯电动汽车 (BEV) 和插电式混合动力汽车 (PHEV) 的运行电池电压为 800V，超过了常规 400V 系列。采用 800V 电池是为了提高性能，减少快速充电的时间，应对不断增加的功耗并延长续航里程。

电动汽车采用 800V 电池面临重大挑战，即大部分快速充电的公共基础设施还不兼容 800V 电池。因此，已采取措施为 800V 车辆配备内置电源适配器，使 800V 汽车能够在常规 400V 充电桩上充电。双向电源模块是 800V 电动汽车支持 400V 基础设施的一种方式，也是 400V 和 800V 之间独特的电压转换方式。现在，OEM 厂商正以具有各种效率的不同方式解决这个问题。

保时捷 Taycan 是首款量产的 800V 电动汽车，是 2019 年发布的一款纯电动汽车。这是一个使用 400V 充电基础设施充电的 800V 汽车的典型示例。将充电器的 400V 输入转换为适合车辆 800V 电池的升压转换器安装在车上，用作 DC 车载充电器。这款升压转换器有一个绕过转换器输入输出的电路。使用 800V 充电器充电时，将绕过升压转换器，直接为 800V 电池充电。

图 1：保时捷 Taycan DC 车载充电器连接

据制造商介绍，通过 800V 充电器充电时，使用 270kW 的快充将电池电量充至 80%，用时约 20 分钟。另一方面，在使用 400V 充电器时，最大容量为 150kW，充至相同的电量大约需要 35 分钟。

现代 IONIQ 5 也使用了 800V 主电池（2021 年上市）。IONIQ 5 同样也有一个升压功能，可使用常规 400V 充电器为车辆的 800V 电池充电。但与保时捷 Taycan 不同，它没有 DC 车载充电器，主要使用驱动电机和逆变器实现升压功能（图 2）。

图 2：现代 IONIQ 5 升压功能配置

A 和 B 分别是驱动电机和逆变器，快速充电器通过开关 S1 连接至电池高压端，通过开关 S2 连接至电机中性点。车辆运行时，会打开 S1 和 S2，A 和 B 将作为正常的电机和逆变器运行。使用 400V 充电器充电时，会关闭 S2，从而会按升压转换器电抗器运行电机 A，并按升压转换器开关运行逆变器 B，以便为车辆的 800V 电池充电。如果充电器支持 800V，关闭 S1 并打开 S2，将绕过 A 和 B，直接为 800V 车载电池充电。使用这种方法，无需安装专用升压转换器，即可使用 400V 充电器为 800V 车辆充电。

通用悍马电动汽车是 2021 年开始生产的纯电动汽车。与之前的 800V 纯电动汽车不同，高压主电池为 400V。该车虽然采用 400V 系统，但兼容 800V 充电器，提高了快速充电性能。

图 3：通用悍马电动车电池配置

它具有独特的配置（图 3），支持 400V 及 800V 快速充电器。车上安装的 400V 电池分为两个 400V 电池组。两个 400V 电池组可通过开关 S1、S2 和 S3 的连接进行并联或串联。在正常情况下，包括车辆行驶时，只关闭开关 S1 和 S2，且并联这两个电池组，可将其用作 400V 电池。使用 400V 充电器充电时也是如此。支持 800V 充电器时，打开 S1 和 S2 开关，只关闭 S3 开关，将串联这两个电池组，将其用作 800V 电池。

据制造商介绍，支持 800V 充电器，不仅可实现 350kW 的快速充电，而且只需充电 10 分钟，车辆即可行驶 160 公里。

Vicor 的电池虚拟化解决方案

电源模块制造商 Vicor 使用该公司的高密度电源模块提出了一种独特的“电池虚拟化解决方案”。这是一种使用 400V 充电器为 800V 电池充电的升压转换器技术，主要使用该公司支持固定电压转换比的专有双向 DC-DC 转换器。

双向固定比率 DC-DC 转换器是一种没有调节（稳压）功能的转换器，其中 DC-DC 转换器的输入输出电压比是固定的，电压可用下列方程式表示：

输出电压 = 输入电压 x 变压比 K

它是双向的，因此可进行反向转换（反向运行时，输出电压 = 输入电压 / K），而且内部串联阻抗小，所以可用作可转换直流的变压器。

图 4：37.5kW、400V/800V 固定比率双向转换器

电池虚拟化解决方案在 800V 电池前部置一个变压比为 2 的固定电压转换比双向转换器，使 800V 车辆的电池电压看起来是 400V 电压的一半（图 5）。随着充电的进行，800V 电池的电压会上升，而且从充电器端看到的电压也会按比例上升（1/2）。

图 5：Vicor 电池虚拟化

该模块（图 4）输出功率为 37.5kW，峰值效率为 99%，尺寸为 92 x 80 x 7.4 毫米。通过并联，可在狭小的空间内支持大功率、快速充电。

使用双向电源模块的优势是，当电池不充电时，800V 电池可为 400V 负载供电。

参考资料

保时捷网站

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

JOACHIMWAGNER 博士：“电动汽车快速灵活充电的谐振解决方案”，2018 年 05 月 19 日

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

美国专利：US-20190023136-A1

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

美国专利：US-11358492

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

Vicor 网站

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

Vicor 网站

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

本文最初发表于 IEEJ“电动交通和能源系统集成技术委员会”的报告中。

Tsukimoto 拥有 20 多年的工业设备、汽车与卫星等领域 DC-DC 转换研发/设计经验，同时有 10 多年的电机逆变器研发经验。自 2018 年以来，身为 Vicor 高级应用工程师的他，主要负责汽车技术支持。

Seishi Tsukimoto

Seishi Tsukimoto，高级应用工程师