800V電機的案例
800V電機技術瓶頸如何突破？
根據各大車企的布局，2022年將迎來基于800V電壓平臺的新車潮。與整車高壓電氣架構相關的部件或系統面臨升級，如動力電池、電驅動、充配電系統、DC/DC等。馬瑞利也在此時搶占先機，推出了800V電機。
800V高壓平臺將成風口
新能源汽車浪潮發展至今，目前400V低壓平臺已經逐漸在主流純電量產車型中普及。2019年，首次采用800V平臺的量產車保時捷Taycan Turbo S全球首發，當前廣汽埃安、比亞迪、小鵬、吉利、理想等一眾自主品牌車企也紛紛開始布局800V平臺。可以預見，800V高壓平臺將成為下一個技術風口。
圖片來源：馬瑞利官網
800V高壓平臺，意味著車輛電池系統、充電系統、電驅系統均采用800V電壓的電子架構平臺。相較于低壓平臺，高壓平臺的優勢顯著：
首先，可以提高車輛的牽引功率，使動力性能得到提升。
其次，在同電流下，車輛的充電功率、電機功率均有提升，這就意味著車輛的充電時間縮短， 相比較400V的電機，在電池電量一樣的情況下，充電時間幾乎可以縮短一半。
圖片來源：馬瑞利
800V高壓平臺的量產之路也并非一帆風順，其面臨著許多方面的限制因素。一旦車輛電壓平臺提升至800V， 電池包、BMS、DC/DC、電機控制器和電機等都需要面向高電壓平臺開發。
此外，在高壓下電池的穩定性降低，衰減、起火等風險增大；為承受800V的高壓，直流電壓逆變器IGBT的元器件芯片材質也需更換為碳化硅，直接導致成本上升；且目前市面上的充電樁多為60kW、120kW，需要對現有充電樁進行升級，以適配800V平臺的高快充需求。
展開 800V高壓對電機的影響
前言
800V電驅動是一個系統性的話題，對于電機而言，挑戰的方向主要圍繞高速、壓、散熱，對于量產而言，小型化和低成本也是考量的一個方面。對于高壓部分而言，最直接的影響便是軸承電腐蝕和定子繞組耐壓能力。
問題的來源
電驅系統采用PWM控制電路，實際工作中由于高壓電回路中存在雜散電感，而在二極管關閉的過程中，雜散電感因變化的電流會產生感應電壓，即電壓振蕩。
下圖為下圖為典型的雙電極電壓（極性從正極到負極交替變化的電壓）沖擊圖
圖源：公眾號：調皮的JINX
參數解釋：
Va：穩態沖擊電壓，對應直流電路電壓Vdc
Vp：峰值電壓
Vos：過沖電壓，即電壓振蕩，計算公式為Vos=L*di/dt
相比400V的硅基IGBT產品，800V產品不僅電壓平臺提升，處于效率考量通常會采用碳化硅基MOSFET。di/dt值更高，電壓振蕩幅度也更大。電壓振蕩幅度變大會帶來兩個問題，軸承電腐蝕和繞組局部放電。
軸承電腐蝕
軸電流的形成
由于電機繞組中性點電壓在任意時刻都不為零，在PWM變頻供電時，定子繞組與殼體、定子繞組與轉子、轉子與定子鐵心以及軸承形成共模通路的等效電路，即共模電壓。共模電壓的值與電機母線電壓成正比，頻率受逆變器載波頻率影響。
來源：《基于PWM逆變器供電軸電流問題的交流電機》
對于軸承而言，作為等效電路的一部分，等比例形成對地電壓。在軸承油膜完好的情況下，軸承對地電壓和電機共模電壓之比定義為BVR。
展開 800V電驅動系統詳細解析（第二期）
對于圖 8 中驅動 400-V 電機的 800-V 逆變器，可以根據損耗計算公式中較小的 m 來證明最高的體二極管傳導損耗是合理的，而體二極管的平均電流和 rms 電流增加時m 減小。圖 8 還展示了運行 800V 電機的 800V 逆變器的最低傳導損耗，這是由于相電流減半。雖然帶有 800-V 電機的 800-V 逆變器的開關損耗略高于 400-V 逆變器，但傳導損耗占主導地位，因此帶有 800-V 電機的 800-V 逆變器效率最高。因此，該分析表明，隨著用于快速充電目的的 800-V 電池的出現，不再使用以前的 400-V 電機效率更高。
圖 9 比較了所考慮的三個逆變器的輸入電容器要求。根據圖 9(a)，驅動 800V 電機的 800V 逆變器需要最少的電容來執行相同的濾波效果。圖 9(b) 顯示運行 800V 電機的 800V 逆變器的總標稱能量與傳統的 400V 逆變器相似，可以解釋為輸入電容器的總尺寸和成本為上述兩種情況大致相同。可以根據圖 6 和表 V 比較三種逆變器的相電壓 THD，可以得出結論，400-V 逆變器和 800-V 逆變器與 800-V 電機具有相同的 THD 值，而帶有 400 V 電機的 800 V 逆變器由于在較小的調制指數附近運行而具有較高的 THD 值。
關于包括逆變器、APU 和車載充電機在內的電力電子設備的可靠性，400-V BEV 和 800-V BEV 之間的主要區別在于從 650-V 開關更改為 1200-V 開關。一般而言，1200-V SiC MOSFET 已被證明非常可靠，并且不會出現 3300-V MOSFET 中由于重復的三象限脈沖浪涌電流而導致的stacking faults。
展開 800V電驅動系統詳細解析 800V電驅動系統設計技術詳解
碳化硅 (SiC) 技術的應用，為 800 V 系統提供了實現這兩個目標的可能性。
眾所周知，SiC功率器件比硅Si更高效，因為輕載導通損耗和開關損耗都更低。SiC技術可實現更高的開關頻率，從而通過降低諧波損耗來提高電機的效率。SiC半導體材料特性、效率優化的模塊設計以及改進的控制技術相結合，組成了由逆變器 和電機組成的高效牽引系統。
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采用碳化硅技術可以降低800V電機的諧波損耗。
圖9
4.2 800V電機的設計參數
眾所周知，變頻供電的電機比由恒定頻率的正弦波供電的恒速運行的電機應力更大。圖10顯示了快速開關逆變器對電機造成的額外影響。800 V SiC技術的應用需要更仔細地觀察電機的絕緣系統和軸電流。
雖然逆變器提供的上升時間很短的高頻電壓脈沖為高效系統創造了基礎，但這些脈沖增加了對電機的壓力。特別是在高輸出功率時，可以觀察到最高的壓擺率。
系統設計的目標是在低諧波損耗和由于高開關頻率和壓擺率而增加的絕緣系統要求和電機的使用壽命之間找到適當的平衡。這兩個方面的最佳平衡對碳化硅牽引系統的設計具有重要意義。
電機的絕緣系統必須承受過沖電壓，這是由于800V的電壓水平與高開關頻率和dv/dt的結合而產生的。
這些系統的測試電壓也會增加。電機和逆變器輸出端子之間的電纜長度必須設計得盡可能短，以防止由于反射電壓波而產生額外的電壓過沖。
圖10中的反射系數 r 和電機阻抗 Z 說明了這一方面的問題。通過選擇最佳 dv/dt 以及最佳上升時間，應考慮臨界電纜長度與上升時間直接相關。由于這種關系，電壓上升時間不能按需要選擇得那么高。這意味著要開發 EMR4 的 800 V平臺，必須研究絕緣系統的行為和使用壽命。
展開 10問新能源汽車800V絕緣設計
從全球的技術動向來看，800V高壓是電動汽車未來要走的必經之路。
但要知道，800V帶來的不只是更快的充電效率和更長的續航里程，還有和400V系統相比，更嚴峻的絕緣和安全挑戰。
今天我們就通過10個問答Q&A的形式，來探討800V平臺下新能源汽車的絕緣設計問題。
01
問
800V平臺下，電機為Ⅰ型絕緣還是Ⅱ型絕緣？
答
在GB/T 20220.1（國際標準IEC 60034-18-41）關于電機是否為Ⅰ型絕緣還是Ⅱ型絕緣的描述：
Ⅰ型繞組絕緣預計其壽命期間不承受PD（局部放電）；Ⅱ型繞組絕緣在壽命期間可以經受PD，額定電壓700V以下的電機可能是Ⅰ型絕緣和Ⅱ型絕緣，額定電壓為700V以上的電機通常為Ⅱ型絕緣。
GB/T 20220.2（國際標準IEC 60034-18-42）對比了Ⅰ型絕緣和Ⅱ型絕緣的區別：
Ⅱ型絕緣的驗證試驗比Ⅰ型絕緣苛刻
Ⅰ型絕緣可以沒有耐暈結構，Ⅱ型絕緣設計需要增加耐暈結構
耐暈結構（云母帶，半導體絕緣帶綁扎還是很需要時間的）會導致定子制造工藝復雜，成本增加，不利于大批量生產。
下圖為Ⅰ型絕緣還是Ⅱ型絕緣繞組的區別，上面為Ⅱ型絕緣繞組，為了防止電暈產生的放電，在漆包線外面綁扎上防電暈層，而下面的Ⅰ型絕緣則不需要（雖然Ⅰ型絕緣漆包線漆膜有防電暈涂層，但是這種耐電暈一般不超過200h，是為了考慮變頻器過電壓情況下導致的PD）。
因此提高電機的PDIV，使其在800V平臺下通過Ⅰ型絕緣測試才是新能源電機需要考慮的方向。
02
問
400V平臺絕緣設計與800V平臺有什么不同？
展開 從量變到質變，純電動汽車800V平臺技術解析
車企應用800V平臺架構，需要對其核心三電技術以及功率器件的耐壓、損耗、抗熱的要求更高：
1.電機方面
具體來看有以下幾點：
軸電壓的產生：電機控制器供電為變頻電源，含有高次諧波分量，逆變器、定子繞組、機殼形成回路，產生感應電壓，稱為共模電壓，在此回路上產生高頻電流。由于電磁感應原理，電機軸兩端形成感應電壓，成為軸電壓，一般來說無法避免。
轉子、電機軸、軸承形成閉合回路，軸承滾珠與滾道內表面為點接觸，若軸電壓過高，容易擊穿油膜后形成回路，軸電流出現導致軸承腐蝕。
800V的逆變器應用SiC，導致電壓變化頻率高，軸電流增大，軸承防腐蝕要求增加。
同時，由于電壓/開關頻率增加，800V電機內部的絕緣/EMC防護等級要求提升。
800V應用SiC造成軸電流增加大而擊穿油膜風險增加
2.電控方面
以Si-IGBT為例，450V下其耐壓為650V，若汽車電氣架構升級至800V，考慮開關電壓開關過載等因素，對應功率半導體耐壓等級需達1200V，而高電壓下Si-IGBT的開關/導通損耗急劇升高，面臨成本上升而能效下降的問題。
展開 德國馬勒研發高壓電機與48V驅動電機
日前，有外媒報道，德國馬勒公司（MAHLE）正在研發用于純電動汽車的高壓牽引電機以及用于新一代混合動力汽車的48V驅動電機。其中，電壓范圍達400V至800V高壓電機，最大輸出功率180kW。
馬勒北美過濾系產品和發動機外圍設備產品研發總監J.D. Kehoe表示大幅度減小發動機尺寸、48伏混動系統與牽引電機的應用都在影響動力總成的發展。馬勒生產適用于全尺寸車輛、以及越野兩驅和四驅休閑車的高壓和低壓牽引電機。
馬勒的車用高壓牽引電機采用了嵌入式永磁（IPM）技術。該電機采用液冷技術，并由馬勒設計的專利液冷控制器進行控制。汽車制造商可根據電機的電池組指定電壓，電壓范圍為200V至400V。每臺電機提供的功率將取決于車輛的具體設計，最高可達100kW。
Kehoe表示：“無論是雪佛蘭Bolt、日產聆風還是特斯拉，雖然實際銷量只占全球總交付量的2%至3%左右，但這些電動汽車已取得了很高的市場反饋。此外，分析師Alix Partners還預測，到2023年，將有超過205款電動車型將進入市場。
馬勒還為汽車制造商提供電壓更高的電機。此類采用了IPM技術的電機工作電壓范圍為400V至800V，效率高達96%，峰值功率輸出高達180kW。
Kehoe指出，48V電氣系統也正不斷被消費者接受。為了應對該挑戰，馬勒研發出電氣化HVAC系統以及電動油冷卻器和液壓泵等電動輔助部件。現在，甚至電動騎乘式割草機和電動物料搬運設備也變得越來越普遍。
馬勒的48V驅動系統配有集成電子設備，基本可控制14kW的動力輸出，并且已經在SMART等乘用車上得以應用。
此外，馬勒還在近期推出一款電動概念車MEET。
展開 電動車長續航呼喚更強器件
近期日經報道，日本企業紛紛加大在SiC的投入，其中羅姆計劃2025年之前將SiC功率半導體的產能擴大到5倍以上，吉利汽車的純電動車已決定采用羅姆的產品；東芝計劃2023年將日本兵庫縣SiC工廠產量提高到2020年的3倍以上，并盡快提高到10倍，計劃2030年獲得全球10%以上的份額；富士電機也在考慮將SiC產品的投產時間比原計劃（2025年）提前半年至一年。另外在今年11月安森美也收購了GTAT，主要用于保證未來SiC晶圓供應。
國內廠商中，華潤微于12月17日發布自主研發量產的1200V SiC MOSFET產品，可應用于新能源汽車OBC、充電樁等場景；三安光電是國內首家完成SiC MOSFET器件量產平臺打造的廠商，目前正加快SiC垂直產業鏈布局；斯達半導的SiC模塊已獲得多個800V平臺電機控制器新定點；欣銳科技是國內高壓車載電控系統龍頭，全系產品采用SiC功率器件，并擁有大量相關技術儲備。
另外，東尼電子、新潔能近期均宣布將以定增方式募資，建設SiC項目，其中東尼電子計劃年產12萬片SiC半導體材料，新潔能計劃推進SiC功率器件及封測的研發及產業化。
來源：財聯社
展開 新能源汽車電機驅動系統：核心功能、工作原理與新興拓撲技術解析
</span></p><p><strong style="background-color: rgb(253, 198, 32);">（一）800V高壓平臺的背景與優勢</strong></p><p>800V高壓平臺是新能源汽車技術的重要發展方向。與傳統的400V平臺相比，800V平臺能夠顯著提升充電速度，減少充電時間，同時提高車輛的能效和續航里程。然而，800V平臺的高電壓和高功率密度對電機的絕緣系統提出了更高的要求<span style="color: rgb(51, 51, 51);">。</span></p><p><strong style="background-color: rgb(253, 198, 32);">（二）絕緣挑戰</strong></p><p>1、高電壓擊穿風險：800V平臺的高電壓增加了電機絕緣系統的擊穿風險。傳統絕緣材料在高電壓下容易出現局部放電，導致絕緣性能下降，甚至引發故障。</p><p>2、熱管理問題：高功率密度的電機在運行過程中會產生大量熱量，這對絕緣材料的耐熱性能提出了更高要求。如果絕緣材料不能有效散熱，可能導致局部過熱，加速絕緣老化。</p><p>3、電磁兼容性（EMC）問題：高電壓和高功率密度的電機在運行時會產生較強的電磁干擾，影響車輛的電子控制系統。因此，電機絕緣系統需要具備良好的電磁兼容性。</p><p>4、機械應力影響：電機在運行過程中會受到機械應力的影響，特別是在高轉速和高扭矩工況下。這些機械應力可能導致絕緣材料的機械性能下降，影響絕緣系統的可靠性。</p><p><strong style="background-color: rgb(253, 198, 32);">（三）測試技術</strong></p><p>為了確保800V新能源驅動電機的絕緣系統能夠滿足高電壓、高功率密度的要求，需要采用先進的測試技術。
展開 政府報告新詞“具身智能”催生材料技術新機遇
PEEK 材料在顱骨修補及固定產品、脊柱類產品、新能源汽車 800V 電機漆包線、人形機器人領域的應用將有望帶來更高的需求增量。
如何看待奔馳EQXX的下一代電池和驅動系統？
開發800V快充系統（這個電池系統的目標是15分鐘300公里，5分鐘100公里的設計目標），需要使用電池智能電池管理，還是依靠電池殼體集成冷卻板，然后再根據電池的溫度，當溫度升高而打開通風口。
●從下圖3來看：
這個電池包集成了DCDC和高壓快充的接觸器，下一步可能奔馳也會去推送無OBC的方案，否則單獨放個OBC在外面也不經濟，從重量性能來看，把它優化掉也比較合適。
▲圖3.奔馳的新型的電池系統能量密度400Wh/L，202Wh/kg
在這張圖里面，并沒有看到OBC和交流充電的存在，電池系統的One Box（E/E）也比較簡單。
▲圖4.奔馳的EQXX下一代系統的布置情況
▲圖5.奔馳的OneBox EE
想要讓電池到輪子的效率提升到95%，奔馳也采用了SiC技術，這個看來已經成了下一代豪華車的標準配置，也是降低驅動能耗的關鍵；提升到800V以后，電機層面也能把功耗降低，包括熱管理層面的損失。
▲圖6.奔馳下一代SiC驅動系統
▲圖7.太陽能補電成了下一代電動汽車很潮流的設計
Part 2
EQXX的智能化
奔馳推出L3以后，我后面想單獨梳理下這塊的進展。
比較有意思的是，奔馳非常堅決地和英偉達做了座艙和自動駕駛方面的深度合作，圍繞自動駕駛方面，人機界面——特別是這么大的屏幕設計，使得整個設計還是趨于同質化。
展開 一文搞懂車規級碳化硅模塊
SiC逆變器使得電源頻率增加，電機轉速增加，相同功率下轉矩減小，體積減小。電機電壓翻倍，相同功率下電流減半，因此銅線細（但匝數增加，因此用銅量未減小），電流密度小，轉矩變小。若需提升功率，額定電流僅需從400V電機額定電流的一半開始增加。
02
整車：會戰高端化，
800V車樁并舉
第一階段：車端800V系統
開始應用
保時捷Taycan的TurboS引領800V浪潮，自主品牌、海外合資以及造車新勢力，紛紛跟進布局800V。
第二階段：800V車樁并舉，成為
品牌升級的標配
廣州車展各車企會戰高端化，消費者對電車接受度迎來清晰拐點，未來兩年料將是做品牌向上最好的階段。
高端車比短處，低端車比長處。各家高端化升級過程中堆配置，補能是各車企共同面臨的痛點，長期看快充料將成為標配。另外，快速補能對低端車亦是剛需，在換電路線發展速度比較慢的前提下，快充具備下沉潛力。
快充的完全體驗，需要車樁兩端同時配合。短期來看，800V快充樁普及速度有限，因此車企選擇在車樁兩端同時推廣800V（小鵬、嵐圖等），亦有例如華為的零部件供應商提供完整的快充解決方案。
展開 上海車展：800V大功率快充已成定局！
華為余承東先生在發布會上說：目前新能源汽車的TOP7問題全部是關于電池和充電，的確電動汽車的續航和充電問題也一直是每個車企最為關注的領域，都在想辦法提升客戶的用車體驗，比如蔚來汽車的換電服務，特斯拉的V3超級快充。
近兩年換電技術似乎又熱了起來，2013年特斯拉嘗試換電，但最終還是放棄了換電，轉而發展超級充電技術。
2019年特斯拉推出V3 超級充電樁，是一種運用了全新架構的超充方式。可支持高達 250kW 的峰值充電功率。充電 15 分鐘最高可補充約 250 公里的續航電量。
關于換電和充電，近兩年大家有很多爭論，而且一部分企業也一直在研究相關產業的產品是否要布局，我個人比較認同特斯拉陶林女士的回答。
視頻為特斯拉V3超級快充和奧迪E-TRON的對比。
視頻為特斯拉V3超級快充和奧迪E-TRON的對比。
2019年底一豪華純電品牌推出了其電動車型，將高壓電氣電壓平臺直接由傳統400V提升到了800V，第一款800V高電壓電氣架構橫空出世，他就是保時捷的Taycan。
800V的電氣架構，除了充電快還有以下優點：
1、永磁同步電機在工作時會產生大量的熱量，當溫度超過180℃出現退磁現象。將電壓平臺提高，相同功率下電流減小，電阻不變情況下，發熱量減小，目前純電動汽車電壓平臺多位400V，以此算來800V電氣架構電機的發熱量為400V情況下的1/4，大大降低了電機的發熱量。
2、電壓平臺升高，高壓線束的線徑變小。
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