800V 电池架构最终取代目前广泛使用的 400V 技术

在当今社会，消费者对电动汽车(EV)的需求持续攀升，为了能与传统的内燃机(ICE)汽车竞争，电动汽车必须延长续航里程。解决这一问题主要有两种途径：一是在不显著增加电池尺寸或重量的前提下提升电池容量;二是提高主驱逆变器等关键高功率器件的运行能效。然而，电子元件的导通损耗和开关损耗会造成巨大的功率损耗，为应对这一情况，汽车制造商纷纷选择提高电池电压来增加车辆的续航里程。由此，800V 电池架构越来越普及，并极有可能最终取代目前广泛使用的 400V 技术。

对于电动汽车而言，电池容量越大，所需的充电时间往往就越长，这无疑成为了车主的一大顾虑，因为这意味着在抵达目的地前若需中途充电，就要面临长时间的等待。所以，正如提高电池电压至关重要一样，汽车整车厂商也必须紧跟电动汽车车载充电器(OBC)的发展步伐。首要任务便是确保 OBC 能够支持 800V 电池架构，并能够处理更高的电压。这就要求现行的标准 650V 额定芯片元件逐步过渡到额定电压最高达 1200V 的芯片元件。此外，为了加快电池充电速率，市场对更高额定功率 OBC 的需求也在与日俱增。

OBC 的主要功能是将交流电转换为直流电，从而使汽车能够利用电网等交流电源进行充电。充电站的输出峰值会显著限制充电速度，同样，OBC 的峰值功率处理能力也是影响充电速度的关键因素。在现有的充电基础设施中，充电桩分为三个等级：1 级的最大功率为 3.6kW;2 级的功率范围是 3.6kW 至大约 22kW，这与 OBC 的最大容量相当;3 级提供直流电，无需使用 OBC，功率为 50kW 至 350+kW。尽管速度较快的 3 级直流充电站已经投入使用，但其在全球范围内的分布较为有限，因此 OBC 在现阶段仍然不可或缺。而且，许多企业正在努力提升现有 2 级充电基础设施的性能，并积极推动更高电压电池技术的应用，预计市场对更高能效 OBC 的需求还将持续增长。

为了加快充电速度、满足消费者的需求，行业已经开始转向更强大的三相 OBC。但需要注意的是，电动汽车的实际充电时间受到多种因素的影响。充电并非是一个线性过程，当电池接近满容量(通常超过 80%)时，充电速度会放缓，以保护电池健康。也就是说，电池电量越满，接受电能的速度就越慢。此外，电气化趋势正逐渐向公共汽车、货车、重型车辆、农业用车等各种车辆类型以及船舶领域延伸，OBC 还将不断发展，目标是实现 22kW 以上更高的功率等级。汽车整车厂商若想通过构建更强大的 OBC 来提高 2 级充电站的充电速度，就需要采用经济高效且性能可靠的电子元件，以实现更高的电压(800V，而非 400V)和更高的功率等级。

对于更高性能的 OBC 设计，除了额定功率和电池电压这两个关键因素外，还有诸多方面需要考虑。散热管理便是其中之一，虽然增加 OBC 的尺寸和重量在一定程度上可以解决散热问题，但这种简单的方法并不理想。因为电动汽车内部空间有限，难以容纳过于庞大的 OBC，而且重量的增加会导致车辆续航里程缩短。此外，封装限制、器件成本、电磁兼容性(EMC)以及对双向充电的潜在需求等因素也不容忽视。

800V 电池架构虽然具有减少导通损耗、提高性能、加快充电和电力输送速度等诸多优点，但也给设计师带来了一系列复杂的难题。在器件供应方面，寻找能够在 800V 电压下安全稳定运转的器件并非易事;为了确保可靠性，即使是合格的器件也可能需要降额使用，即低于其最大容量的功率运行;更高电压的系统对绝缘和安全功能提出了更高的要求，安全问题成为设计中的重中之重;而验证高电压系统的过程更为复杂，往往需要专门的设备和专业的知识。

为了解决这些问题，需要使用击穿电压更高的元件，特别是对于 MOSFET 而言。实践证明，在像 OBC 这样需要更快 MOSFET 开关的更高电压应用中，采用高性能碳化硅(SiC)元件将带来诸多益处。在开发 PCB 布局时，充分考虑电压等级至关重要，因为可能需要相应地扩大元件间距以及 PCB 走线之间的距离。同样，暴露在更高电压下的其他器件，如连接器、变压器、电容等，也需要具备更高的额定值。

在改进 OBC 设计、提升性能和功能方面，安森美(onsemi)是一家值得信赖的高功率汽车应用功率模块供应商，能够为向 800V 电池系统的过渡提供有力支持。安森美的先进 EliteSiC 1200V MOSFET 和汽车功率模块(APM)能够实现更高的功率密度，在汽车设计领域备受认可。APM32 功率模块系列集成了安森美的先进 1200V SiC 器件，针对 800V 电池架构进行了优化，非常适用于高电压和高功率级别的 OBC。该系列包括用于功率因数校正(PFC)级的三相桥模块，例如采用 1200V 40mΩ EliteSiC MOSFET(集成温度感测)的 NVXK2VR40WDT2，专为 11 - 22kW OBC 终端应用而设计。与分立方案相比，APM32 模块技术具有众多优势，如尺寸更小、散热设计更佳、杂散电感更低、内部键合电阻更低、电流能力更强、EMC 性能更好、可靠性更高等，有助于创建高性能双向 OBC。这不仅能够增强车辆 OBC 的功能，还能让电动汽车充当移动的电池储能器。

在全球各地逐渐向太阳能和风能等可持续能源转型的背景下，电网的电力供应有时可能会出现供不应求的情况。此时，充满电的电动汽车能够作为重要的储能资源，用于支援电网的峰值需求，或者在建筑物主要电源受损的紧急情况下发挥作用。利用安森美 APM32 等模块，OBC 可以实现电动汽车电池的双向能量传输。如此一来，电池存储的能量可以在短时间内为房屋供电，之后还能随时进行充电。

与一些将封装技术外包的竞争对手不同，安森美的 APM 系列均在内部进行设计和制造，这使得其能够更好地掌控散热优化。此外，安森美为制造商提供了一系列丰富的封装和制造选项，包括裸片、分立元件或模块，确保能够为任何先进的 OBC 设计提供合适的解决方案。

综上所述，OBC 技术正处于蓬勃发展的阶段，它不仅能够帮助汽车制造商满足消费者对电动汽车的需求，还能有效应对 800V 电池架构等新技术趋势带来的挑战。借助安森美系统方案，如 APM32 功率模块，汽车设计人员能够简化设计流程，高效满足新的需求，在大幅减少设计工作量的同时，确保更高的质量、可靠性和供应链一致性。此外，安森美还提供广泛的技术支持、仿真及其他电源方案，包括 EliteSiC 1200V M1 和 M3S MOSFET、EliteSiC 1200V D1 和 D3 二极管，以及电隔离栅极驱动器、CAN 收发器和可复位保险丝等配套器件，致力于助力实现全面、高性能的 OBC 设计，推动电动汽车行业朝着更加高效、便捷的方向发展。